Electrical Concepts for Non‐Engineers

2015 Islanded Grid Wind Power March 4, 2015

Richard WiesAssociate Professor 

University of Alaska Fairbanks (UAF) Electrical and Computer Engineering (EE)&

Institute of Northern Engineering (INE)

Electrical Concepts for Non‐Engineers► Basic Electric System 

► Generation► Transmission► Distribution/Load

► Basic Electrical Concepts► Voltage, Current, & Resistance: Water Tank 

Analogy & Ohm’s Law► Parallel & Series Connections► Power & Energy► Types of Loads► Direct Current (DC) vs. Alternating Current (AC)► Frequency & AC Power

► Power Quality► Power Factor: Musher’s Analogy► Efficiency► Voltage & Frequency Variations► Harmonics: Music Analogy

V I · R

P V · I

Energy P · Time

Generation► Generate Power @ Low & 

Medium Voltage► Transform to High Voltage

Basic Electric SystemTransmission

► Transmit Power @ High Voltage

Distribution► Transform to Medium & 

Low Voltage► Distribute Power to 

Customers

► Generation Sources (Low Voltage)► Diesel Electric Generator► Wind Turbine Generators► Solar Photovoltaic (PV) Panels► Battery Bank

► Distribution (Medium Voltage)► Transform to Medium Voltage► Distribute Power to Load► Transform to Low Voltage

► AC Load & Energy Storage► Distribute Power to Customers► Battery Bank

Basic Islanded Electric System

Voltage [V]► Potential Difference► Measured in Volts, V► Unit named for Physicist 

Alessandro Volta► Pressure Difference in 

Water Tank

Basic Electrical Concepts: Water Tank Analogy

Current [I]► Flow of Electricity in a Wire► Measured in Amperes, A► Unit named for Physicist 

André‐Marie Ampère► Difference in Flow Rate 

Between Two Water Tanks

Resistance [R]► Impedance to Current Flow► Measured in Ohms, ► Unit named for Physicist 

Georg Ohm► Difference in Flow Rate 

Between Two Water Tanks

Voltage Current Resistance

Basic Electrical Concepts: Water Tank Analogy (Ohm’s Law)

Parallel Circuits► Multiple Lamps Connected Across the 

Source► Same Voltage Across Lamps► Current Path Divides Through Lamps

Basic Electrical Concepts: Parallel & Series Connections

Series Circuits► Multiple Lamps Connected in Line with 

the Source► Same Current Path► Voltage Divides Across Lamps

Parallel Series

/

/

+

‐

+

‐

+ ‐/ + ‐/

Basic Electrical Concepts: Power & Energy

Electric Power [P] ► Product of Voltage & Current► Real Work over Time► Measured in Watts, W► Unit named for Mech. Engineer James Watt

Energy  ► Product of Electric Power & Time► Measured in Watt‐hours, W‐h► Residential Customers: kW‐h = 1,000 W‐h► Industrial Customers: MW‐h = 1,000,000 W‐h

Basic Electrical Concepts: Direct (DC) vs. Alternating (AC) Current

Direct Current (DC)► Voltage & Current are Constant over Time► One‐Direction (positive or negative)► Sources: Battery, Solar PV Panel

AC Current (AC)► Voltage & Current alternate between 

Positive & Negative over Time (Sine Wave)► Period: Time of One Complete Cycle► Sources: Alternator, AC Power Generators

Resistive [R]► Resists Current Flow► Measured in Ohms, ► Demand Real Power, P► Examples: Light Bulbs, 

Toasters, Electric Hot Water Heaters, Ovens, Dryers

Basic Electrical Concepts: Types of Loads

Inductive [L]► Chokes AC Current Flow & 

Requires a Magnetic Field► Measured in Henries, H► Demand Reactive Power, +Q► Examples: Electric Motors in 

Appliances & Industry

Capacitive [C]► Blocks DC Current Flow & 

Charge if Voltage Applied► Measured in Farads, F► Provide Reactive Power, ‐Q► Examples: Electronics & 

Power Factor Correction

Resistor Inductor Capacitor

Basic Electrical Concepts: Frequency & AC Power

Frequency [f]► Number of AC Cycles per Second► Measured in Hertz, Hz► Named for Physicist Heinrich Hertz► US Standard for Power Systems: 60 Hz

AC Power► P: Real Power (Useful) in Watts, W► Q: Reactive Power (Magnetic) in Volt‐Amps 

Reactive, VARS► S: Apparent Power (Utility) in Volt‐Amps, VA

120 ·

http://www.animations.physics.unsw.edu.au//jw/electricmotors.html

Link to AC Generation Animations 

Power Quality: Power FactorPower Factor [pf]

► Ratio of Useable Real Power, P to the Utility Apparent Power, S► : Power Factor Angle

S [VA]Q [VARS]

P [W]

θcosSP

pf Power Factor for Resistive & Inductive Load

Dog Mushing Power Factor Explanation

Working Real Power, PNon‐Working 

Reactive Power, Q

22 QPS

Power Quality: EfficiencyEfficiency []

► Ratio of Real Output Power, Pout to the Real Input Power, Pin► Ploss: Real Power Loss

in

lossin

in

out

PPP

PP

Efficiency

Plant Efficiency

Power Quality: Voltage & Frequency Variations

Causes of Power Quality Problems

► Voltage Variations► Sags & Swells (Short Term)► Under & Over‐Voltage (Long Term)► Voltage Fluctuations (Flicker)► Voltage Imbalance 

► Frequency Variations

Voltage Flicker

Voltage Sag, Swell, & Interruption

Voltage Imbalance

Power Quality: Harmonics (Impure Sine Waves)

Causes of Harmonics► Switching Power Supplies► Examples:

► Electronic Ballasts► Computer Power Supplies► Electric Motor Drives

Laptop Power Supply Current Harmonics 3‐Phase Voltage Distortion

Harmonic Principle: Vibrating String

Modern Electric Power Grid Terminology: Smart Grid 

► Smart Grid (opposite of a dumb grid)► Modernized utility electricity delivery systems with 

computer‐based remote control and automation.

Modern Electric Power Grid Terminology: MicroGrid

► MicroGrid Institute Definition► Small energy system capable of balancing captive 

supply and demand resources to maintain stable service within a defined boundary.

Questions?Contact Info:Richard Wies, Ph.D., P.E.Electrical and Computer EngineeringEmail: rwwiesjr@alaska.eduPhone: (907) 474‐7071