Power quality issues and feasibility study in a dc residential renewable energy system

Abstract

This research work aims to study power quality issues and the feasibility of a DC residence. The evaluated residence is in the area of Mayaguez, PR. Feasibility studies includes the design of a hybrid power system to supply a stand-alone residence, analysis of current AC home appliances and an adaptation of appliances to be supplied by DC power, a wiring analysis and an economic analysis. Power quality issues are to be conducted in the DC bus and at the point of common coupling with the utility grid. DC ripple, transients and flicker are studied at the DC bus; power factor, displacement factor, harmonics and THD is measured at loads that incorporate BLDC motors. Feasibility results show that though lower power consumption is achieved, low power appliances are feasible; high power loads are not suitable for low voltage DC supply. Concerning the wiring analysis, there was a reduction in cable size for the air conditioning units, the removal of the cable for the water heater, and, the addition of a circuit to supply the microwave. Simulations show that the most relevant power quality issues are DC ripple and noise, one associated with another. BLDC motors, one of the DC appliances, produce DC current ripple, along with DC/DC converters, which in turn produces noise and slight degradation of the motor performance. Finally, the economic analysis results show that, although no option considered has a positive net present value, there is a significant difference in the total system costs and in the payback period when considering a DC residence, as compared to an AC residence.

El siguiente trabajo de investigación se enfoca en estudiar problemas de calidad de potencia y estudiar la viabilidad para una residencia DC. La residencia a evaluar se encuentra situada en el área de Mayagüez, PR. Entre los estudios de viabilidad realizados se encuentra el diseño de un sistema renovable hibrido para una casa que opera de modo independiente a la utilidad, análisis de los enseres del hogar y como estos se pueden adaptar para poder suplir dichas cargas con potencia DC, análisis de cableado y un análisis económico. Los problemas de calidad de potencia serán estudiados en la barra de la casa DC, y en el punto de acoplamiento mutuo al interconectar la residencia con la red. Rizado, transitorios y parpadeos serán estudiados en la barra DC; el factor de potencia, factor de desplazamiento, distorsión harmónica total y un análisis harmónico será realizado en las cargas las cuales usan motores DC sin escobillas. Resultados del análisis de viabilidad muestran que aunque se logra disminuir el consumo de potencia de las cargas, las mismas son viables para aplicaciones de baja potencia; las cargas que manejan alta potencia no son recomendadas para ser suplidas con potencia DC. En términos del análisis del cableado, la diferencia reside en la disminución del cable que alimenta el aire acondicionado, la eliminación del circuito dedicado para el calentador de agua, y la adición de un circuito dedicado para el microondas. Resultados de simulación muestran que el problema más crucial de calidad de potencia lo es el rizado DC y el ruido, uno asociado con el otro. Los motores DC sin escobillas producen rizado en la corriente DC, al igual que los convertidores DC/DC, los cuales producen rizado y ruido. Esto produce degradación del desempeño del motor. Finalmente, el resultado del análisis económico demuestra que, aunque no se obtuvo un valor presente positivo para ninguna de las opciones evaluadas, hay una diferencia significativa en el costo total del sistema y en el tiempo de recobro al considerarse una residencia DC, en comparación con una residencia AC.