Page Header

Reference Current Calculation with Instantaneous Power Theory for Current Quality Improvement in Railway Electrification System

Chakrit Panpean, Jeerawan Homjan, Jittima Varagul, Worawat Lawanont


บทความนี้นำเสนอการปรับปรุงคุณภาพกระแสไฟฟ้าของระบบรางไฟฟ้า โดยมุ่งเน้นการกำจัดกระแสฮาร์มอนิก การปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง และการชดเชยกระแสที่แหล่งจ่ายไม่สมดุลให้กลับสู่สภาวะสมดุล โดยใช้การคำนวณกระแสอ้างอิงของวงจรกรองกำลังแอกทีฟด้วยทฤษฎีกำลังไฟฟ้าขณะหนึ่ง การทดสอบสมรรถนะการปรับปรุงคุณภาพกระแสไฟฟ้าเพื่อยืนยันการคำนวณกระแสอ้างอิงด้วยทฤษฎีกำลังไฟฟ้าขณะหนึ่งที่ได้นำเสนอ อาศัยเทคนิคฮาร์ดแวร์ในลูป ซึ่งเป็นการทำงานร่วมกันระหว่างบอร์ด eZdspTM F28335 และโปรแกรม MATLAB/Simulink ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า การคำนวณกระแสอ้างอิงด้วยทฤษฎีกำลังไฟฟ้าขณะหนึ่งสำหรับการปรับปรุงคุณภาพกระแสไฟฟ้าในระบบรางไฟฟ้าที่ได้นำเสนอมีสมรรถนะที่ดีในการคำนวณกระแสอ้างอิงให้กับวงจรกรองกำลังแอกทีฟ โดยพิจารณาจากดัชนีชี้วัดสมรรถนะคุณภาพไฟฟ้ากระแสไฟฟ้า ประกอบด้วย ค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนของกระแสฮาร์มอนิก ค่าตัวประกอบกำลัง และค่าเปอร์เซ็นต์ตัวประกอบความไม่สมดุลของกระแส ภายหลังการชดเชยมีค่าอยู่ภายใต้มาตรฐาน IEEE standard 519-2014

This paper proposes the current quality improvement in electric railway systems using the instantaneous power theory (PQ) for calculating reference currents of Active Power Filters (APF). This paper focuses on the harmonic elimination, power factor correction, and load balancing of the source currents for current quality improvement. The Hardware in the Loop (HIL) technique was applied to confirm the performance of proposed reference current calculation. The eZdspTM F28335 board was used in combination with the MATLAB/Simulink program for HIL simulation. The testing results indicated that the reference current calculation with the PQ theory for current quality improvement in electric railway systems can provide an excellent for performance calculating reference currents of APF. This can be considered by the performance indices for current quality improvement (total harmonic current distortion: %THDi, power factor: PF, and current unbalanced factor: %CUF) after compensation that follow the IEEE Standard 519-2014.


[1] L. Weijun, W. Qinghao, L. Jingzhong, L. Chenyang, L. Zhitong, W. Yi, and Z. Xiangqun, “Research on transmission line power losses effected by harmonics,” in Proceedings 2016 China International Conference on Electricity Distribution (CICED), Xian, China, Aug. 2016.

[2] W. Song, J. Fang, Z. Jiang, M. Staines, and R. Badcock, “AC loss effect of high-order harmonic currents in a single-phase 6.5 MVA HTS traction transformer,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 29, no. 5, 2019, Art. no. 5501405.

[3] F. Foley, “The impact of electrification on railway signalling systems,” in Proceedings 5th IET Professional Development Course on Railway Electrification Infrastructure & Systems (REIS), 2011, pp. 146–153.

[4] H. Zhengyou, Z. Zheng, and H. Haitao, “Power quality in high-speed railway systems,” International Journal of Rail Transportation, vol. 4, no. 2, pp. 71–97, 2016.

[5] L. Guo, X. Gao, Q. Li, W. Huang, and Z. Shu, “Online Antiicing technique for the catenary of the high-speed electric railway,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 30, no. 3, pp. 1569–1576, 2015.

[6] Y. Song, Z. Liu, A. Rønnquist, P. Nåvik, and Z. Liu, “Contact wire irregularity Stochastics and effect on high-speed railway pantograph– catenary interactions,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, no. 10, pp. 8196–8206, 2020.

[7] C. Charalambous, A. Demetriou, A. Lazari, and A. Nikolaidis, “Effects of electromagnetic interference on underground pipelines caused by the operation of high voltage AC traction systems: The impact of harmonics,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 33, no. 6, pp. 2664–2672, 2018.

[8] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Standard 519–1992, 1993.

[9] Z. Shu, Sh. Xie, and Q. Li, “Single-phase backto- back converter for active power balancing, reactive power compensation, and harmonic filtering in traction power system,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 52, no. 3, pp. 653–661, 2011.

[10] A. Luo, C. Wu, J. Shen, Z. Shuai, and F. Ma, “Railway static power conditioners for highspeed train traction power supply systems using three-phase V/V transformers,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 10, pp. 2844–2856, 2011.

[11] S. Gazafrudi, A. Langerudy, E. Fuch, and K. Al-Haddad, “Power quality issues in railway electrification: A comprehensive perspective,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 5, pp. 3081–3090, 2015.

[12] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits,” in Proceeding International Conference on Power Electronics, 1983, pp. 483–490.

[13] C. Chen, C. Lin, and C. Huang, “Reactive and harmonic current compensation for unbalanced three-phase systems using the synchronous detection method,” Electric Power Systems Research, vol. 26, no. 3, pp. 163–170, 1993.

[14] M. Takeda, K. Ikeda, A. Teramoto, and T. Aritsuka, “Harmonic current and reactive power compensation with an active filter,” presented at the PESC '88 Record., 19th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Kyoto, Japan, Apr. 1988.

[15] S-R. Huang and B-N. Chen, “Harmonic study of the Le Blanc transformer for Taiwan railway's electrification system,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 17, no. 2, pp. 495–499, 2002.

[16] C. Shi-Lin, R. Li, and H. Pao-Hsiang, “Traction system unbalance problem analysis methodologies,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 19, no. 4, pp. 1877–1883, 2004.

[17] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Standard 519, 2014.

[18] C. Panpean, K-L Areerak, P. Santiprapan, K-N Areerak, and S. S. Yeoh, “Harmonic mitigation in electric railway systems using improved model predictive control,” Energies, vol. 14, no. 7, 2021.

[19] T. Trongjai, T. Narongrit, and K-L Areerak, “The comparison of shunt active power filter structure for the harmonic elimination in ACelectric railway systems,” Srinakharinwirot University Engineering Journal, vol. 13, no. 2, pp. 38–51, 2018 (in Thai).

Full Text: PDF

DOI: 10.14416/j.kmutnb.2022.04.003

ISSN: 2985-2145