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Departamento de Electroenergética TRABAJO DE DIPLOMA
Determinación del Método de Control del Inversor más Adecuado para Lograr Mejores Resultados en el Comportamiento de un Filtro Activo de Potencia Conectado en Paralelo
Autor: Luis Enrique Castillo González
Tutor: MSc. Ing. Juan Antonio Gutiérrez Fernández
Santa Clara, octubre 2019 Copyright ©UCLV
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Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios.
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iii Dedicatoria:
A mis padres Yunia y Pedro Luis quienes con su amor, paciencia y esfuerzo me han permitido llegar a cumplir un sueño más.
Agradecimientos:
A mi familia, por su apoyo y por sus consejos, por confiar en mí y sobre todo por su amor.
A mi papa Pedro Luis por ser tan preocupado y mantenerme alerta, tiene buena vista larga.
A mi mama Yunia por ser tan quisquillosa y estar ahí “que si las notas”, “que si la tesis” al final es bueno.
A mi hermano Lázaro siempre dándome consejos útiles.
A mis abuelos Marina, Gisela y Oscar, y a mi tía Nancy siempre preocupados
A Karen por saber ayudarme siempre en el momento justo.
A mis amigos por estar siempre pendientes de la escuela y de la guitarra. Hemos compartido un montón de cosas.
A mi tutor, sin él hubiese sido imposible.
A todos lo que de una manera u otra me han ayudado, entendido y que ahora mismo se alegran tanto como yo de este logro.
v RESUMEN
Al día de hoy es evidente la tendencia de la sociedad al uso de dispositivos eléctricos en todas sus variantes. Las redes eléctricas son más complejas cada vez y deben seguir prestando un servicio de calidad incluso frente a cargas no lineales. Actualmente la fabricación de dispositivos electrónicos, dentro de estos los filtros activos, ha dado respuesta a la compensación de estas cargas no lineales. En el presente trabajo se implementa el modelo de un filtro activo de potencia (FAP) conectado en paralelo con la red eléctrica en Matlab/Simulink. La conformación del filtro es sencilla y se hace un análisis detallado de cada uno de sus componentes. Para controlar al inversor y hacer que este siga la señal de consigna se usa el método de modulación en 3D del ancho del pulso. La simulación se prueba para distintos estados de la carga y se cotejan los resultados con los obtenidos por los métodos Modulación por Ancho del Pulso (MPA) y Modulación del Vector Espacial en 2D (MVE2D).
Comentado [l1]: Error de concordancia
Comentado [IMC2]: Poner resultado o conlcusion más
ÍNDICE Contenido
RESUMEN ... v
Introducción ... 1
Capítulo 1: Afectaciones a la Calidad del Suministro de Energía. Filtros Activos de Potencia. ... 5
1.1Afectaciones a la Calidad del Suministro de Energía. ... 5
1.2Cargas generadoras de armónicos más comunes en las redes eléctricas ... 6
1.3 Efectos de los armónicos sobre el sistema de potencia ... 8
1.4 Elementos para la mitigación de armónicos ... 9
1.5 Tipos de cargas productoras de armónicos ... 13
1.6 Filtros Activos de Potencia ... 15
1.6.1. Topologías convencionales ... 17
1.6.2 Elementos para el almacenamiento de energía en continua ... 18
1.6.3. Dispositivos electrónicos de potencia ... 19
1.7 Métodos de control de los FAP ... 19
1.7.1 Métodos de control en el dominio de la frecuencia ... 21
1.7.2 Métodos de control en el dominio del tiempo... 22
1.8 Conclusiones del Capítulo ... 24
CAPITULO 2: Principales topologías de los circuitos de potencia deun FAP. ... 26
2.1 Filtros Activos de Potencia ... 26
2.2 Principio de funcionamiento del FAP ... 27
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2.3 Circuito de potencia ... 30
2.3.1 FAP en conexión paralelo ... 31
2.3.2 FAP en conexión serie ... 32
2.3.3 FAP en conexión serie-paralelo... 33
2.3.4 Filtrado Híbrido ... 34
2.4 Modulación por vector espacial y banda fija de Histérisis. ... 34
2.5 Conclusiones del Capítulo ... 37
Capítulo 3. Caracterización y conexión de las cargas a simular. Simulación. Análisis de los resultados. ... 38
3.1 Caracterización y conexión de las cargas a simular ... 38
3.1.1 Simulaciones para la carga tipo 1 ... 39
3.1.2 Simulaciones para la carga tipo 2 ... 47
3.2 Conclusiones del Capítulo ... 53
Conclusiones y recomendaciones. ... 54
Conclusiones: ... 54
Recomendaciones... 56
Referencia bibliográfica: ... 57
Anexo ITransformación de Concordia o de Clark ... 60
Las cargas de comportamiento no lineal han crecido considerablemente en los sistemas eléctricos de potencia desde la segunda mitad del pasado siglo y con ello el consiguiente incremento de la distorsión amónica y la presencia de perturbaciones que afectan de forma negativa la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Este aumento de las cargas no lineales se debe fundamentalmente al empleo expansivo en la industria de equipos que basan su funcionamiento en componentes de la electrónica de potencia, muy útil desde el punto de vista de la simplificación del trabajo, de la elevada eficiencia y de la mejora en las posibilidades de control de los procesos.
Las facilidades de dichos dispositivos se deben aprovechar de tal manera que se compensen los efectos perjudiciales que insertan en el sistema eléctrico, de ahí que este se ha convertido en un tema de gran interés para las empresas dedicadas al transporte de la energía, las cuales se plantean el desarrollo de estrategias y el diseño y montaje de sistemas que resulten en energía de calidad.
Entre las tácticas para mitigar estos inconvenientes está la conexión de filtros pasivos a las redes eléctricas afectadas por estas cargas no lineales. Sin embargo, su uso no está exento de inconvenientes, entre ello: su gran tamaño, comportamiento dependiente de la impedancia de la fuente y el hecho de que el patrón espectral de su respuesta de frecuencia y, por tanto, su compensación de armónicos, son fijos, dando lugar a posibles estados de resonancia con la red que pueden conllevar a la destrucción del filtro.
Para evitar estos problemas, es necesario utilizar sistemas de compensación, tanto para los armónicos como para la energía reactiva convencional, que se autoadapten a las variaciones que se produzcan en cuanto a su contenido y valor. A estos sistemas de compensación se les denomina Filtros Activos de Potencia (FAP), que se caracterizan por: su tiempo de respuesta rápida; bajo costo de mantenimiento; capacidad de compensar con un solo equipo un amplio rango de frecuencias; inyectar los armónicos de corriente necesarios que demanda la carga para su
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adecuado funcionamiento; y proporcionar un rango continuo de compensación de potencia reactiva.
Con el propósito de realizar estas funciones los filtros activos se pueden conectar a la red eléctrica en serie o en paralelo con las cargas, de ahí la denominación que en la literatura se les asigna como Filtro Activo de Potencia Serie (FAPS) o Filtro Activo de Potencia Paralelo (FAPP). Los FAPS se emplean para mitigar los armónicos de voltaje que aparecen en las líneas y los FAPP para mitigar los armónicos de corriente que demandan las cargas no lineales. Estos FAPP que son de sumo interés son tratados en el presente trabajo de diploma, por ende, la topología y los diferentes componentes que ellos presentan son abordados a lo largo del mismo con el propósito de hacer una elección entre ellos de aquella que resulte de la mayor conveniencia para la carga en cuestión, o sea, la carga que está conectada y cuya distorsión se pretende compensar.
Aquellos aspectos que determinan cuál de las topologías y métodos empleados para la compensación son los más convenientes deben ser analizados y a través de un balance llegar a una conclusión. Desde el punto de vista de su funcionamiento la velocidad de respuesta, la capacidad de mejorar el índice de distorsión armónica y la distribución en el espectro de frecuencias de esta distorsión son elementos a considerar. Sin embargo, una complejización de la topología o los métodos de detección de armónicos para potencias este objetivo puede resultar en detrimento del factor económico, desde el punto de vista del costo de los componentes e incluso energético, pues aumentar la frecuencia de conmutación de los componentes conlleva elevar las pérdidas de potencia. Por tanto, la elección o decisión en este sentido es un resultado del análisis especifico de su comportamiento ante el tipo de carga que se conecta y cuyo espectro de distorsión se desea compensar, esta elección va dirigida a alcanzar un balance entre todos los aspectos de interés antes mencionados. Ese propósito es abordado y alcanzado en el siguiente trabajo de diploma.
Problema Científico
¿Cuál será el método de control del inversor más adecuado para lograr mejores resultados en presencia de dos cargas genéricas?
Objetivo General
Determinar el método de control del inversor más adecuado para lograr mejores resultados en presencia de dos cargas genéricas.
Objetivos específicos
1. Fundamentar la teoría acerca de las afectaciones a la calidad del suministro de energía y los Filtro Activos de Potencia (FAP)
2. Describir las principales topologías de los circuitos de potencia de un FAP 3. Evaluar el comportamiento de un FAP usando para controlar el inversor la el
método Modulación del Espacio Vectorial en 3D
4. Comparar los resultados con los obtenidos con respecto a los métodos de Modulación por Ancho de Pulso (MAP) y Modulación del Espacio Vectorial en 2D.
Tareas de investigación
1- Exposición de los principales parámetros de los filtros.
2- Descripción de las ventajas de los FAP aplicados a redes eléctricas. 3- Modelación mediante técnica de programación del circuito deseado.
4- Evaluación de los resultados para la correcta aplicación determinados a una determinada carga.
Organización del informe:
La presente Tesis de Grado estructura su contenido en 3 capítulos, los cuales se resumen a continuación.
En el Capítulo 1, se realiza un estudio de los armónicos de corriente y de tensión, de la interacción entre ambos, de los diferentes tipos de cargas distorsionantes que generan estos armónicos y de los elementos más utilizados para la mitigación de los mismos. En este punto se hace énfasis en los Filtros Activos de Potencia (FAP).
Comentado [l4]: Creo que no está bien definido el
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En Capítulo 2 se aborda todo lo referido a filtros activos de potencia y se hace referencia a sus distintos tipos de topología, se plantea el filtro activo de potencia en conexión paralelo a la red cuyo inversor es controlado por él método de Modulación del vector espacial en 3D, base de esta tesis.
En el Capítulo 3, se ejecutan las simulaciones para 2 tipos de cargas a dicho filtro conectado en paralelo y se comparan los resultados con los obtenidos en trabajos anteriores donde se ha empleado la técnica de control del inversor por Modulación por Ancho de Pulso (MAP) y Modulación del vector espacial en 2D.
Activos de Potencia.
El presente capítulo se centra progresivamente en el tema de los armónicos, donde se estudian los diferentes tipos de cargas que los generan y los problemas que producen en la red, aborda las medidas que se aplican con el objetivo de mantener los sistemas eléctricos con una calidad de energía adecuada y así aprovechar las ventajas de toda la tecnología que emplean las cargas generadoras de armónicos.
1.1 Afectaciones a la Calidad del Suministro de Energía.
La calidad de energía es un término utilizado para referirse al estándar de calidad que debe tener el suministro de corriente alterna en las instalaciones eléctricas, en términos de: tensión o voltaje constante, forma de onda sinusoidal, frecuencia constante.
Uno de los problemas más comunes que afectan a la Calidad de la Energía en sistemas eléctricos de baja tensión es la deformación de la onda, producida en gran medida por un fenómeno denominado “Distorsión armónica”, problema que afecta tanto a las redes eléctricas de distribución como a los consumidores finales. La distorsión armónica está causada por cargas no lineales dentro del sistema eléctrico [1], lo cual significa que su impedancia no es constante (está en función de la tensión). Desde el punto de vista de la red eléctrica, esto se traduce en que ésta debe alimentar un gran número de cargas que rectifican la corriente y por ello, la forma de onda de la corriente que consumen resulta alterada, de forma que ya no es una onda senoidal, sino una superposición de ondas senoidales con frecuencias múltiplos de la frecuencia de red (armónicos). La consecuencia de los consumos no senoidales es que la tensión sufre, en los bornes de las cargas lineales, también una cierta distorsión, debido a las caídas de tensión en las impedancias de líneas y transformadores. Esta distorsión afecta notoriamente a aquellas cargas lineales cuyo comportamiento es sensible a las variaciones de voltaje. Dado el caso en que
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la vida útil y la eficiencia de los equipos se vean afectadas será necesario tomar medidas para mitigar estos efectos.
1.2 Cargas generadoras de armónicos más comunes en las redes eléctricas Las redes de suministro a menudo se encuentran abasteciendo cargas de un marcado comportamiento no lineal que traen aparejados la generación de armónicos de gran magnitud. La identificación y clasificación de estas cargas es fundamental a la hora de decidir la manera en la que serán tratados los armónicos según el espectro en el que se encuentren, dado que ante diferentes cargas se tomarán medidas distintas en aras de optimizar el proceso de eliminación de armónicos.
Las cargas armónicas no lineales más comunes son las que se encuentran en los receptores alimentados por electrónica de potencia tales como: variadores de velocidad, rectificadores, convertidores, etc. Otro tipo de cargas tales como: reactancias saturables, equipos de soldadura, hornos de arco, etc., también inyectan armónicos. El resto de las cargas tienen un comportamiento lineal y no generan armónicos: inductancias, resistencias y condensadores.
Existen dos categorías generadoras de armónicos:
La primera es simplemente las cargas no lineales en las que la corriente que fluye por ellas no es proporcional a la tensión. Como resultado de esto, cuando se aplica una onda sinusoidal de una sola frecuencia, la corriente resultante no es de una sola frecuencia. Transformadores, reguladores y otros equipos conectados al sistema pueden presentar un comportamiento de carga no lineal y ciertos tipos de bancos de transformadores multifase conectados en estrella-estrella con cargas desbalanceadas o con problemas en su puesta a tierra. Diodos, elementos semiconductores y transformadores que se saturan son ejemplos de equipos generadores de armónicos, estos elementos se encuentran en muchos aparatos eléctricos modernos. Invariablemente esta categoría de elementos generadores de armónicos, lo harán siempre que estén energizados con una tensión alterna. Estas son las fuentes originales de armónicos que se generan sobre el sistema de potencia.
El segundo tipo de elementos que pueden generar armónicos son aquellos que tienen una impedancia dependiente de la frecuencia sea, a una determinada frecuencia pueden tener una impedancia constante pero su impedancia varía en función de la frecuencia. Filtros eléctricos y electrónicos, servomecanismos de motores, variadores de velocidad de motores tienen estas características. Estos tipos de elementos no generan armónicos si son energizados con una tensión de una sola frecuencia, sin embargo, si distorsionan la entrada, si existe más de una frecuencia y pueden alterar el contenido de armónicos. Estos elementos pueden mitigar o incrementar el problema del contenido de armónicos. Las dos categorías de equipos generadores de armónicos, pueden originar una interacción compleja en la cual la energía de los armónicos es transformada o multiplicada de una frecuencia a otra.
Los usuarios residenciales, comerciales e industriales, tienen una gran cantidad de equipos como hornos de microondas, computadoras, sistemas con control robótico, televisión, VCR, estéreos y otros equipos. Todos estos equipos contribuyen con la generación de cantidades variables de armónicos. Aún ventiladores eléctricos y simples motores de inducción trabajando sobrecargados pueden contribuir a la creación de armónicos. Las salidas de armónicos de estos múltiples aparatos pueden sumarse y originar problemas en el sistema de potencia.
En resumen, las principales fuentes amónicas son: a) Saturación de transformadores
b) Corrientes de energización de transformadores c) Conexiones al neutro de transformadores
d) Fuerzas magneto motrices en máquinas rotatorias de corriente alterna e) Hornos de arco eléctrico
f) Lámparas fluorescentes
g) Fuentes reguladas por conmutación h) Cargadores de baterías
i) Compensadores estáticos de VAr’s
8 k) Convertidores de estado sólido
1.3 Efectos de los armónicos sobre el sistema de potencia
Es necesario identificar analizar y cuantificar los efectos de los armónicos sobre lo sistemas de potencia. Los puntos afectados, las magnitudes y la severidad con que esto sucede justificar al fin y al cabo la inversión que se debe llevar a cabo con vistas a solucionarlo. Los efectos más importantes de los armónicos sobre el sistema eléctrico de potencia son:
1. Resonancias serie y paralelo, entre baterías de condensadores o filtros pasivos que tenga el sistema y la impedancia propia del sistema, normalmente la inductancia del transformador de alimentación. Estas resonancias pueden dar lugar a la aparición de tensiones armónicas elevadas en el punto común de acoplamiento o a la circulación de importantes corrientes armónicas por las baterías de condensadores.
2. Circulación de corrientes armónicas en los bancos de condensadores por la presencia en red de tensiones armónicas de orden relativamente elevado. Aunque no aparezca resonancia, estas tensiones armónicas dan lugar a la circulación de una corriente armónica excesiva, superpuesta a la corriente fundamental para la que los bancos de condensadores están calculados.
3. En las líneas de transportes los armónicos de corriente significan un incremento de pérdidas por efecto Joule. Los armónicos de corriente producen también unas caídas de tensión armónicas a lo largo de las líneas, lo que implicará la aparición de tensiones armónicas en los puntos finales de distribución.
4. En los transformadores, la presencia de armónicos de tensión hace que aumenten las pérdidas en el hierro. Y los armónicos de corriente hacen que aumenten las pérdidas en el cobre. En muchos casos esto puede llevar a una reducción de la potencia nominal de uso del transformador.
5. En las máquinas rotativas, al igual que en el transformador, los armónicos de tensión y corriente aumentan las pérdidas de la máquina. Además, la presencia de armónicos induce la aparición de pares parásitos en las máquinas.
6. Interferencias en los sistemas de comunicaciones, que dependerán del grado de acoplamiento entre el sistema de potencia y el de comunicaciones, del espectro de frecuencias de los armónicos y de la susceptibilidad del circuito de comunicaciones.
7. Efectos indeseables sobre los equipos de protección, provocando disparos intempestivos o retardos en dichos disparos.
8. Efectos indeseables sobre equipos electrónicos industriales y domésticos. Desde dificultades de sincronización de los equipos convertidores que detectan los pasos por cero, hasta variaciones en el brillo de las imágenes de televisión.
9. Errores en los equipos de medida y contadores. Algunos equipos de medida están pensados para ondas de tensión y corriente prácticamente senoidales o con un espectro de frecuencias limitado. Los contadores electromecánicos de discos no miden con precisión las potencias debidas a armónicos y para una medida de esta más correcta se tendría que utilizar contadores electrónicos.
1.4 Elementos para la mitigación de armónicos
Usualmente la solución al problema de armónicos es eliminar los síntomas y no el origen, los aparatos que crean los armónicos generalmente constituyen una pequeña parte de la carga, eliminar su uso no es posible, modificar esos equipos para que no causen armónicos tampoco es factible. Lo que nos queda es reducir los síntomas ya sea incrementando la tolerancia del equipo y del sistema a los armónicos o modificar los circuitos y los sistemas para reducir su impacto, atrapar, o bloquear los armónicos. Las soluciones más habituales son:
Bobinas de CA: La técnica más común y fácil de reducir los armónicos es probablemente la utilización de bobinas de CA delante del convertidor de frecuencia. Las bobinas de CA filtran la corriente de línea consumida por el convertidor. Con ello puede conseguirse una distorsión de la corriente significativamente más baja en comparación con un convertidor de frecuencia básico sin bobinas. Pueden obtenerse efectos similares con bobinas de CC. Además, las bobinas de CC son, en comparación con las de CA, menores en tamaño, poseen un rendimiento más alto y no reducen la tensión del bus de CC.
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Filtrado pasivo de armónicos: Existen muchos filtros pasivos de armónicos diferentes. Son combinaciones de bobinas y condensadores adaptados al convertidor de frecuencia individual. Los diferentes filtros pasivos están adaptados para la cancelación individual de armónicos o para la reducción de un rango de frecuencias. Los filtros pasivos de armónicos ofrecen una solución práctica para la mitigación de armónicos en sistemas de alimentación con una gran concentración de cargas no lineales conectadas al mismo transformador de distribución. Como los convertidores de frecuencia multi-pulsos, los filtros pasivos dan un rendimiento dependiente de la carga y de la estabilidad de la red.
Filtros pasivos en paralelo con la red, para la absorción de los armónicos. (Figura1.1)[2]
Estos filtros pueden ser filtro sintonizados LC, filtros pasa altos primer y segundo orden, o filtros C. El más habitual es el filtro sintonizado LC. Este tipo de filtro se instala aprovechando la necesidad de tener también una batería de condensadores para compensar reactiva. Presentan el inconveniente que su efectividad depende de la impedancia de red y que normalmente aparece una frecuencia de resonancia entre el filtro y la impedancia de red a una frecuencia inferior a la de sintonización.
Figura1.1: Filtro pasivo en paralelo con la red
• Filtros pasivos serie, los cuales están pensados para presentar una alta impedancia a los armónicos seleccionados y bloquear así el paso de éstos hacia la red. (Figura1.2)
Estos filtros tienen que estar diseñados para soportar la corriente nominal del sistema y para soportar los cortocircuitos. Generalmente, los filtros serie son mucho
Comentado [l7]: Esto que es? Un epígrafe? Una
menos habituales que los filtros paralelo, aunque se pueden encontrar para bloquear la circulación del tercer armónico por neutro.
Figura 1.2: Filtro pasivo serie
Filtrado activo de armónicos: Es un método versátil. Es una solución más costosa pero se obtienen mejores resultados en el filtrado de armónicos puesto que el filtro se adapta a las posibles frecuencias armónicas generadas por la carga.
• Filtros activos paralelo, los cuales funcionan como una fuente de corriente que absorbe todos los armónicos generados por la carga y además pueden co mpensar la reactiva del sistema. (Figura1.3). El coste de los filtros activos es aún alto y están indicados para cargas que actúan como fuentes de corriente.
Figura1.3: Filtro activo paralelo
Los filtros activos son muy efectivos para reducir las oscilaciones armónicas hasta 2 kHz y se utilizan como alternativa a las bobinas incorporadas de CC o CA u otros filtros pasivos. Para el filtrado activo de convertidores de frecuencia bajos en armónicos y de entrada activa, deben tenerse en cuenta los efectos por encima de 2 kHz, generados por estas mismas unidades.
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Es necesario tomar otras medidas para mantener limpia la alimentación de red. Las frecuencias de conmutación de los filtros activos provocan un pico en la frecuencia de conmutación del propio filtro. Esto está por encima del rango de las normas de corriente, pero las perturbaciones de orden superior son de igual importancia.
• Filtros activos serie, los cuales se comportan como una fuente de tensión que simula una alta impedancia que impide el paso de las corrientes armónicas seleccionadas (figura1.4).Los filtros activos serie también pueden hacer las funciones de estabilizadores de la tensión en carga. El coste de estos filtros es aún elevado y no están apenas desarrollados comercialmente.
Figura1.4: Filtro activo serie
• Filtros híbridos, los cuales resultan de la mezcla de un filtro activo y un pasivo (figura1.5). Existen diferentes topologías de filtros híbridos, que se comentan en detalle más adelante, particularizando al caso del filtro híbrido paralelo, cabe destacar que está formado por un filtro pasivo sintonizado y un filtro activo, conectados entre ellos en serie y el conjunto conectado en paralelo con la red. En general, el objetivo de los filtros híbridos es sólo la compensación de los armónicos. Por tanto, cubren la misma función que los filtros pasivos, pero sin los inconvenientes de éstos, y utilizando un filtro activo de baja potencia y coste.
Figura 1.5: Filtrado híbrido con reparto de acción filtrante 1.5 Tipos de cargas productoras de armónicos
Cuando se habla de cargas generadoras de armónicos, hay que diferenciar en primer lugar entre cargas identificables y no identificables. Las cargas identificables son aquellas ya estudiadas, con un rango de armónicos característico. En estas cargas identificables se puede saber qué nivel de corriente armónica se generará en el punto de conexión para un determinado rango de frecuencias. Esto permite hacer un estudio previo de sus consecuencias y de las posibles medidas a tomar. Este sería el caso de grandes rectificadores o de cicloconvertidores.
En el segundo caso se encentran las cargas no identificables, las cuales resultan de la acción conjunta de múltiples cargas individuales conocidas, como pueden ser rectificadores monofásicos de pequeña potencia o lámparas alógenas con regulación por recorte de onda. Aunque, individualmente, cada una de estas cargas genera una pequeña cantidad de corriente armónica con un espectro conocido, la acción conjunta sobre un punto de acoplamiento de un gran número de estos elementos, con diferentes condiciones de operación, inyecta en el sistema elevados niveles armónicos de corriente, con una distribución armónica que varía a lo largo del tiempo. Esto dificulta la realización de estudios sobre este tipo de carga. En su conjunto, la mayoría de cargas distorsionantes de una industria son del tipo no identificable.
Otro importante aspecto a tener en cuenta a la hora de caracterizar una carga generadora de armónicos es saber si esta se comporta como una fuente de corriente armónica o como una fuente de tensión armónica. La identificación de las cargas distorsionantes como fuentes de tensión o de corriente armónica, aunque no es perfecta, es de extrema importancia en la elección del filtro a aplicar y en la efectividad del mismo en la cancelación armónica.
El caso más típico de una carga equivalente a una fuente de corriente sería un puente rectificador de diodos con una bobina de aislamiento de corriente en el bus de continua, L L. En este caso, si la impedancia del lado de continua es mucho más
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grande que la inductancia de la red, L S , la carga se puede considerar como una fuente de corriente armónica en el estudio de los armónicos inyectados en la red.
En este caso, la magnitud de los armónicos de corriente que circulan por la red es prácticamente independiente de las variaciones de la inductancia de red, L S, y el circuito equivalente resultante sería el de la Figura 1.6 (b).
Este tipo de cargas generadoras de armónicos permite el filtrado con todo tipo de filtros paralelo, los cuales absorberán las corrientes armónicas de la carga y dejarán en el lado de red solo la corriente fundamental.
Existen ciertas cargas distorsionantes que se comportan como una fuente de tensión. La figura 1.6(a) muestra el caso típico de una carga equivalente a una fuente de tensión, consistente en un puente rectificador de diodos con un condensador de filtrado de tensión en el bus de continua, C L. En este caso, si la impedancia del lado de continua es mucho más pequeña que la impedancia del lado de red, la carga se puede considerar como una fuente de tensión armónica.
Figura 1.6: Ejemplo de circuito que actúa como fuente de corriente. Los filtros serie, también conocidos como filtros tapón para los armónicos, serán los más indicados para las cargas que actúan como fuentes de tensión.
Los ejemplos mostrados anteriormente, aunque realistas en la práctica, son casos ideales. Sin embargo, podrán existir casos en que no se pueda identificar claramente la carga como una fuente de tensión o como una fuente de corriente generadora de armónicos. Sin embrago, la aproximación es necesaria, y una vez alcanzada, la decisión es el paso subsiguiente. El elemento mitigador se define por el carácter de la caga. En lo que a este trabajo respecta los Filtros Activos de
Potencia constituyen el elemento en cuestión, y más allá de su caracterización en términos generales es importante definir otros rasgos de su composición, su topología, elementos almacenadores de energía, sistemas de control, etc.
1.6 Filtros Activos de Potencia
Un filtro activo de potencia es un dispositivo capaz de aislar de la red a una determinada carga perturbadora, a la vez que mejora la calidad de la energía eléctrica suministrada a dicha carga. El componente fundamental de un filtro activo de potencia suele ser uno o más inversores, en cualquiera de sus topologías, actuando a modo de fuente de tensión o de corriente (figura 1.7). Los elementos pasivos de potencia que forman parte de estos filtros sólo tienen el cometido de filtrar las componentes de tensión o corriente a la frecuencia de conmutación. En inversores en fuente de tensión, este filtrado se realiza generalmente mediante las inductancias de enlace a red. Un filtro activo paralelo debe absorber todas las corrientes circulantes que puedan ser consideradas como perturbadoras, mientras que un filtro activo serie puede compensar las perturbaciones de tensión para conseguir una tensión de calidad en bornes de la carga o aislar la red de las perturbaciones generadas por la carga. Además de estas funcionalidades, un filtro activo de potencia puede también ser usado para controlar el flujo de potencia de una red eléctrica.
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Figura 1.7: Filtro activo conectado en paralelo con la carga: a) con inversor actuando como fuente de voltaje b) con inversor actuando como fuente de
corriente.
Las configuraciones más típicas de los filtros activos se muestran en las figuras y la sección 1.4 de este capítulo las cuales se corresponden con los esquemas mostrados en la figura 1.8. Los esquemas muestran las configuraciones de un filtro activo paralelo formado por una fuente de corriente en paralelo con la carga y un filtro activo serie formado por una fuente de tensión en serie entre la red y la carga .
Figura 1.8: Compensación mediante FAP: a) paralelo b) serie.
Desde el punto vista práctico la implementación de estos sistemas se logra a través de la interconexión de elementos activos y pasivos. Entre los componentes pasivos se encuentran elementos almacenadores de energía, y entre los activos, fundamentalmente, los bloques inversores, que se constituyen por elementos semiconductores, básicamente, transistores Mosfet o IGBT. Lo más discutido para alcanzar el funcionamiento óptimo del filtro es la configuración o topología que debe adoptar el bloque inversor.
A continuación, se presentan algunas de estas topologías que se adaptan a las características de las cargas generadoras de armónicos.
1.6.1. Topologías convencionales
Un convertidor puede disponer desde una rama hasta cuatro dependiendo de si el sistema es monofásico, trifásico a tres hilos o trifásico a cuatro hilos. En el caso de sistemas monofásicos el inversor puede estar constituido por una o dos ramas, según se muestra en las figuras 1.9 y 1.10 respectivamente.
Figura 1.9: FAP monofásico en medio puente.
Figura 1.10: FAP monofásico en puente completo.
En estos esquemas se ha elegido como enlace de corriente una inductancia (LR), como elemento almacenador de energía un condensador (C) y como dispositivos electrónicos de potencia transistores de compuerta aislada (IGBT).
Cuando la potencia de compensación requerida es baja la topología más interesante es la de medio puente ya que su control es más sencillo y el coste económico del inversor es menor. Sin embargo, para niveles de potencia elevados, y considerando el mismo tipo de elemento almacenador de energía, resulta más eficiente la
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utilización de filtros activos de potencia en puente completo al permitir obtener tensiones de salida de doble magnitud que en el caso de medio puente [3].
En el caso de sistemas trifásicos el convertidor presentará tres o cuatro ramas dependiendo de si en el punto de conexión se tienen acceso a tres o cuatro hilos. En la configuración a cuatro ramas el filtro activo también en es capaz de compensar los armónicos de corriente de secuencia cero en el neutro. Las figuras 1.11 se muestra esta topología.
Figura 1.11: FAP trifásico con compensación de neutro 1.6.2 Elementos para el almacenamiento de energía en continua
Las configuraciones de FAP mostradas en las figuras de la 1.9 ala 1.12 disponen de elementos almacenadores de energía de tipo capacitivo. En este caso la energía disponible para la compensación se almacena en un condensador, pudiéndose establecer el nivel de energía del filtro activo mediante la medida de la tensión de continua. El tipo de elemento almacenador de energía empleado determina las características de compensación del FAP.
Aunque la gran mayoría de los FAP utiliza condensadores también es posible el empleo de bobinas. La figura 1.13 muestra un filtro activo de potencia monof ásico con almacén de energía inductivo [4]. En este caso el nivel de energía del filtro activo se puede obtener mediante la medición de la corriente en la bobina de continua,
una desventaja importante de este tipo de topologías es la imposibilidad de ser aplicadas a esquemas de compensación multinivel.
Figura1.12: FAP trifásico con almacén DC inductivo. 1.6.3. Dispositivos electrónicos de potencia
Los dispositivos semiconductores empleados por un FAP pueden ser de diversos tipos si bien los más utilizados en la actualidad son los transistores bipolares con puerta aislada (IGBTs, IsolatedGate Bipolar Transistor) y los tiristores controlados de puerta aislada (IGCTs, IsolatedGateControlledThyristors). Desde el punto de vista de su integración en un FAP deben considerarse características como el elemento almacenador de energía empleado, la frecuencia de conmutación máxima de trabajo durante la compensación. Estas condiciones de trabajo del FAP determinarán las características de los dispositivos electrónicos de potencia empleados: curva de operación segura (SOA, SafeOperationArea) de cada uno de ellos, las tensiones y corrientes máximas tanto en bloqueo como en saturación y las características del circuito de control (HVICD, High VoltageIntegratedCircuit Drive) que debe emplearse para que estos elementos operen correctamente en el FAP.
1.7 Métodos de control de los FAP
Los métodos de control de los FAP van encaminados a la obtención de procedimientos de compensación utilizando estrategias de cálculo basadas en el dominio de la frecuencia o en el dominio del tiempo [5].
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Los métodos de control pretenden obtener señales aptas para poder activar los semiconductores de potencia, que forman parte de los convertidores estáticos, con objeto de crear las tensiones o corrientes de compensación.
Al hablar de los métodos de control hay que distinguir entre lo que es la determinación de consignas de corriente o tensión y lo que es propio del control del convertidor estático.
La determinación de consignas de corriente o tensión se refiere a la definición de los algoritmos, cálculos o estrategias, necesarios para la discriminación entre lo que es la potencia activa y el resto de potencia, englobada con el término de potencia no activa o su equivalente en valores de tensión o corriente.
Finalmente, las consignas de tensión o corriente deberán ser transformadas en las correspondientes tensiones o corrientes de compensación, que serán creadas mediante los convertidores estáticos insertados en alguna de las topologías del sistema de potencia que se han descrito anteriormente.
El control de estos convertidores para que “obedezcan” a las consignas de control calculadas no es objeto del presente trabajo, aunque es frecuente utilizar las siguientes técnicas:
Control por Histéresis [6] Modulación PWM [7]
Modulación del Vector Espacial [8]
En el Control por Histéresis, las órdenes de mando de conmutación a los semiconductores se obtienen mediante una comparación, dotada de una banda de histéresis, entre el valor de consigna y el valor real. Lo cual implica que la frecuencia de conmutación será variable, aunque el tiempo de respuesta es muy rápido. El método de Modulación PWM consiste en la comparación entre la señal de consigna y una onda triangular de frecuencia y amplitud fijas, o su equivalente conceptual en el caso de hacer control digital. Las señales lógicas de la comparación son utilizadas para gobernar los semiconductores del convertidor. Es un método con respuesta rápida y sencillo de implementar.
En cuanto al sistema denominado Modulacion del Vector Espacial un método en el que se hace uso de la teoría de los vectores espaciales, y en donde la posición del vector espacial de la magnitud a controlar está situada en un espacio complejo dividido en seis sectores. La posición del vector, en un momento determinado, se fija por la combinación obtenida mediante conmutación de los vectores adyacentes, según sea el sector en que se encuentre el vector representativo de la magnitud a controlar. Es un método propio de sistemas trifásicos, más complicado que los anteriores y más difícil de implementar.
Dentro de los métodos que se utilizan para el control de los FAP hay que distinguir dos grandes grupos, que son los desarrollados en el dominio de la frecuencia y los desarrollados en el dominio del tiempo.
1.7.1 Métodos de control en el dominio de la frecuencia
Están fundamentados en el análisis de las señales distorsionadas mediante el método de Fourier [9], en sus diversas concepciones: Fast Fourier Transform (FFT), Discrete Fourier Transform (DFT), etc.Mediante estos métodos se discrimina la componente fundamental de las componentes armónicas y de este modo se genera la señal de control para conseguir la compensación.
La frecuencia de muestreo debe ser superior al doble de la frecuencia más alta de la señal a analizar, y la frecuencia de las señales presentes debe ser un múltiplo de la fundamental.
Estos métodos tienen la desventaja de que precisan gran potencia de cálculo y son lentos de respuesta, puesto que la señal de control se origina después de haber hecho el análisis de la señal periódica.
Otros métodos de control se han desarrollado basados en otros principios, como la utilización de filtros de Kalman o de la transformación compleja Wavelet, pero la complejidad de los mismos y la elevada necesidad de cálculo no los ha hecho muy populares, por lo que no serán desarrollados en el presente trabajo.
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1.7.2 Métodos de control en el dominio del tiempo
Estos métodos están basados en la obtención, de forma instantánea, de las señales de control precisas para la compensación. La gran ventaja de estos métodos es la elevada velocidad de respuesta ante cambios en el sistema de potencia, pudiéndose afirmar que el control del FAP se hace en tiempo real.
Son los métodos que se han venido utilizando preferentemente desde 1990, a partir de la primera Teoría de la Potencia Reactiva Instantánea dirigida al control de FAP, introducida por Akagi y otros en 1983 [10], que ha tenido un éxito destacado por su aplicación en la eliminación de armónicos con presencia o no de energía reactiva en el sentido convencional.
Durante todos estos últimos años se han desarrollado otros métodos en el dominio del tiempo [11], algunos de los cuales se describirán con detenimiento destacando sus cualidades para el control de FAP.
En todos estos métodos generalmente se obtienen las corrientes de compensación, y no las tensiones, por lo que son muy aptos para la estructura de los FAP que actúan como fuentes de corriente en paralelo con la red.
Algunos de estos métodos consideran al sistema trifásico referido a nuevos sistemas de coordenadas de referencia, fijos o en movimiento a la velocidad síncrona, lo que implica la necesidad de utilizar transformaciones entre estos sistemas de coordenadas, transformaciones a las que se les exige la invariancia de la potencia en la transformación.
La existencia de un sistema trifásico desequilibrado de tensión puede implicar la necesidad de considerar también el método de las componentes simétricas de Fortescue en los métodos de compensación [12].
Estos métodos permiten la discriminación entre las componentes de corriente o potencia activa, reactiva en sentido convencional y la restante debida a los armónicos, con lo que se puede hacer compensación independiente para estas componentes.
• Teoría de la potencia reactiva instantánea (TPRI) • Teoría general de la potencia instantánea (TGPI) • Sistema de referencia síncrono (SRS)
Otros métodos, también utilizados, no exigen la necesidad de hacer transformaciones de sistemas de coordenadas de las magnitudes a controlar y resultan más simples, aunque no suelen discriminar entre las componentes activas, reactivas y armónicas.
En estos métodos se controla el valor de la tensión en el bus de c.c., constituido por un condensador que intercambia energía con la red y que debe mantener constante el valor medio de su tensión. Lo cual es equivalente a decir que son métodos que se basan en el control de la energía en el condensador del c.c.
Usan diversas técnicas para obtener las consignas de control, que determinarán la compensación de armónicos y reactiva, y la clasificación de los diversos métodos no está tan estructurada como en los métodos anteriores y por ello la denominación está menos unificada.
De entre ellos se pueden considerar:
• Control mediante medida de la corriente en la red • Control mediante medida de la corriente en la carga • Control por ciclo (UCI), Etc.
Los dos primeros métodos [14] se pueden englobar en uno solo que se deriva de una simplificación del método basado en la TGPI para el caso en que se supone que la tensión de red es senoidal, desprovista de armónicos, y de valor constante. No obstante, estos métodos que se denominarán sin diferenciarlos TGPIS, se pueden aplicar a redes trifásicas con o sin neutro con un moderado grado de desequilibrio de tensiones, aunque con posibilidad de desequilibrio pronunciado de la carga y elevado contenido de armónicos. Estos métodos son también aplicables a redes monofásicas.
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El método denominado Unified Constant-Frequency Integration Control (UCI) [15], destaca por su simplicidad y eficacia, está basado en el control por ciclo (OneCycle Control) y no precisa de la medida de las corrientes en la carga ni el cálculo de sus componentes armónicas. Este método se aplicó inicialmente en convertidores c.c. /c.c., habiéndose conseguido una apreciable simplificación en cuanto al número de componentes, además de buenas prestaciones en el control. El método es válido tanto para sistemas trifásicos, con o sin neutro, como para sistemas monofásicos.
Estos métodos simples no permiten en general la discriminación entre las diversas componentes no activas de la potencia, por ello solamente se puede conseguir que la potencia consumida de la red sea exclusivamente potencia activa. Pero sí que se consigue el equilibrado de las corrientes en las fases y la cancelación de la corriente de neutro.
Como lo que generalmente se pretende es que los FAP hagan la compensación para que la corriente de red sea exclusivamente activa, estos métodos simples son, en la gran mayoría de los casos, más que suficientes para el control de FAP y tienen la ventaja de necesitar pocos recursos dedicados a los cálculos.
Otros métodos de control se están desarrollando, como los basados en Redes Neuronales o control Fuzzy, y algunos de ellos, que habrían sido imposibles de realizar en épocas anteriores debido a la gran potencia de cálculo o velocidad necesarios, ya son posibles en la actualidad como consecuencia del gran avance de las técnicas digitales de control y de los dispositivos microprocesadores especializados en realizar operaciones matemáticas con pocas instrucciones y a gran velocidad, como son los Procesadores
Digitales de Señal (DSP).
1.8 Conclusiones del Capítulo
En este capítulo se han abordado las afectaciones a la calidad de la energía de los sistemas eléctricos de potencia dadas por los armónicos. Se han destacado las cargas que comúnmente generan esta problemática y se han caracterizado las mismas de manera general. Se han presentado así las medidas y los elementos
que se incorporan en las redes eléctricas para solucionar los efectos negativos de la contaminación armónica.
Los filtros activos de potencia constituyen una de las estrategias empleadas para la compensación de armónico. En este capítulo se hizo referencia a los mismo, tanto así como a su principio de funcionamiento, se han descrito las principales topologías del circuito de potencia, los elementos pasivos que en ellos se emplean tanto para almacenamiento de energía como para enlace con la red. También han sido abordadas las principales técnicas de control que se empelan para el control de inversor y la determinación de la señal de referencia.
26 un FAP.
Introducción
En este capítulo se exponen las principales topologías del circuito de potencia de los FAP y se citan los principales métodos o teorías que se utilizan para su control que se desarrollan en la actualidad.
2.1Filtros Activos de Potencia
Los filtros activos de potencia presentan varias ventajas frente a la compensación tradicional, puesto a que se adaptan a diversos cambios que suelen ocurrir en la carga, minimizan la posibilidad de aparición de resonancias y pueden balancear las corrientes de línea en caso de cargas desbalanceadas. En general, un filtro activo de potencia se compone de tres elementos principales, el primero es el módulo de potencia conformado por un inversor trifásico que es la fuente de tensión, un capacitor en el lado de corriente continua del inversor para el intercambio potencia reactiva con la red y una bobina en el lado de corriente alterna del inversor para acoplar a este con la red de alimentación. El segundo elemento determina las componentes armónicas de cada una de las corrientes de línea de la carga trifásica no lineal, para ser inyectadas en contrafase al sistema de alimentación por el filtro activo. El tercer elemento determina los tiempos de activación de los dispositivos semiconductores de potencia del inversor, para que el filtro sintetice e ingrese al sistema de alimentación las corrientes de compensación. Existen varias técnicas para determinar los tiempos de conmutación, como la modulación por banda de histéresis de corriente HCC, la modulación por ancho de pulso sinusoidal SPWM o la modulación por vector espacial SVPWM, donde la técnica HCC es la más utilizada debido a su simplicidad y precisión, su principal desventaja es la operación de los dispositivos del inversor con alta frecuencia de conmutación. Respecto a la modulación SVPWM, se ha verificado que puede operar con una frecuencia de conmutación menor comparada con la modulación HCC.
El FAP representa para la red una impedancia variable que adquiere el valor óptimo necesario para facilitar la cancelación de armónicos. No está basado en una
estructura rígida y es apto para formas de onda complejas cuya descripción matemática no sea sencilla, como son las que aparecen realmente en las redes eléctricas.
2.2 Principio de funcionamiento del FAP
El principio de funcionamiento del FAP consiste en inyectar a la red, las corrientes armónicas generadas en la carga, de modo que queden absolutamente anuladas por LKC en los conductores que alimentan el nodo de conexión del filtro, como se aprecia en el sistema de ecuaciones (1) y en la figura 2.1. De esta manera la corriente demanda a la fuente (I_S) quedará libre del contenido de armónicos de la carga (I_H).Se precisa un sistema de almacenamiento de energía en CD y un convertidor estático que transfiera esta energía bidireccionalmente entre CA y CD. El convertidor estático debe actuar como fuente de corriente, su estructura puede ser de diferentes tipos, y está gobernado por un sistema de control cuyo algoritmo de regulación hace un seguimiento de la corriente en la carga, determina el contenido de armónicos y genera las señales de referencia (I_R) y en función de las cuales emite las consignas de mando a los semiconductores para inyectar las corrientes armónicas en contrafase(I_F) y conseguir su cancelación (1). Obviamente, en (1), I es la componente fundamental de la corriente demandada por la carga 𝑖𝑠= 𝑖𝐿+ 𝑖𝐹𝐿𝐾𝐶1 𝑖𝐿= 𝑖 + 𝑖𝐻 𝑖𝐻= −𝑖𝐹 𝑖𝑆= 𝑖 } (1)
2.2.1Estructura básica del FAP en paralelo
El FAP está compuesto por 4 bloques fundamentales: sintetizador de la señal de referencia, sistema de control de la corriente de compensación, circuitos de disparo de los transistores y circuito de potencia, como se observa en la Figura 2.1.
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Figura 2.1: Conexión a la red eléctrica estructura del FAP.
La estructura básica de un filtro activo de potencia paralelo genérico para la compensación de las corrientes no activas y la corrección del factor de potencia se muestra en la Figura 2.2. El filtro activo está constituido por cinco bloques bien diferenciados: El propio convertidor de potencia, el enlace de corriente entre el convertidor y el punto de conexión a la red, el elemento almacenador de energía del filtro activo, los dispositivos de acondicionamiento de las señales de potencia y el controlador. Los cuatro primeros elementos son hardware mientras que el controlador también puede un programa que se ejecuta sobre un procesador.
Figura 2.2: Estructura básica de un filtro activo de potencia paralelo. El convertidor está constituido por dispositivos electrónicos de potencia que mediante su conmutación permiten controlar el flujo de energía entre elemento almacenador del filtro activo de potencia y la red.
Desde el punto de vista ideal, estos dispositivos deben comportarse como interruptores bidireccionales que permitan el flujo de potencia en los dos sentidos. El enlace de corriente, normalmente constituido por una inductancia, permite la transferencia de energía entre la red y el convertidor de potenci a. Sus características determinan aspectos como la magnitud del rizado de la corriente de inyección.
El controlador se encarga de garantizar que los procesos de compensación de las corrientes no activas y de corrección del factor de potencia se realizan adecuadamente, calculando las corrientes de referencia para la compensación y controlando la corriente de inyección. También deberá garantizar que el nivel de energía en el elemento almacenador de energía del filtro activo de potencia es el adecuado para su correcta operación [16].Además deberá generar las señales de conmutación de los dispositivos semiconductores del convertidor y, en general, controlar en todo momento el estado del sistema formado por la línea, la carga y el filtro activo de potencia.
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El subsistema de acondicionamiento de señales permite transformar los valores instantáneos de tensión y corriente del convertidor de potencia a niveles de tensión capaces de ser manejados por el hardware del controlador. También a través de este subsistema se pueden aplicar las señales de puerta del inversor determinadas por el controlador.
La aplicación de las señales de puerta a los dispositivos electrónicos de potencia del inversor también se realiza a través de este subsistema.
2.3 Circuito de potencia
El circuito de potencia consiste esencialmente en el convertidor electrónico trifásico puente con tres ramas, cuyos componentes son transistores IGBT operando a una frecuencia de conmutación de 30 kHz, tres inductancias de acoplamiento por la parte de alterna que lo conectan con la red y un capacitor en el lado de directa que constituye el sistema de almacenamiento de energía. No se requiere de una configuración de cuatro ramas puesto que la carga no presenta armónicos múltiplos de 3. Existen otras topologías para los circuitos de potencia, pero esta es aconsejable por su bajo costo dado que emplea un reducido número de elementos semiconductores.
Durante los últimos años se han desarrollado infinidad de topologías de los FAP, [17], estimuladas por el avance de los convertidores estáticos y por la incorporación de nuevos semiconductores de potencia, con mejores prestaciones en cuanto a valores de corriente y tensión soportados, facilidad en su modo de control y tiempos de conmutación reducidos. Todo ello acompañado por el impresionante desarrollo de las técnicas digitales y los dispositivos aptos para su implementación, como los procesadores digitales de señal (DSP), que han experimentado una enorme evolución, también debido a su uso en otros sectores que requieren gran capacidad y velocidad de cálculo, como son los ámbitos relacionados con la imagen.
Una posible clasificación de los FAP, según su topología y modo de inserción en la red eléctrica,es la siguiente, [18]:
Conexión serie.
Conexión serie paralelo.
Filtrado híbrido.
2.3.1 FAP en conexión paralelo
Es la estructura más conocida y permite, además de la cancelación de armónicos, hacer corrección del factor de potencia, equilibrar las corrientes de línea en el caso de conexión de cargas desequilibradas y cancelar la corriente de neutro de la red, en los casos de redes con neutro.
El FAP se sitúa en paralelo con la carga generadora de armónicos en el punto de conexión de la carga (PCC). El principio de funcionamiento consiste en inyectar a la red, en este punto y en contrafase, las corrientes armónicas generadas en la carga, de modo que queden absolutamente anuladas por suma de corrientes en el nodo formado.
Se precisa un sistema de almacenamiento de energía de corriente directa y un convertidor estático que transfiera esta energía bidireccionalmente entre corriente alterna y corriente directa.
El convertidor estático debe actuar como fuente de corriente y su estructura puede ser una de las citadas anteriormente. En la Figura 2.3 se muestra una estructura de convertidor del tipo de corriente, con almacenamiento inductivo de energía.
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Dado que la energía asociada a los armónicos es de carácter no activo, la potencia en Watt requerida por el convertidor es teóricamente nula y en la práctica, solo hay que aportar la debida a las pérdidas en los semiconductores y otros elementos no ideales. Este convertidor, que trabaja con PWM a alta frecuencia, va dotado de un sistema de control cuyo algoritmo de regulación hace un seguimiento de la corriente en la carga, determina el contenido de armónicos y genera las consignas de mando a los semiconductores para inyectar las corrientes armónicas en contrafase y conseguir su cancelación. Pero la estructura más utilizada es la basada en un convertidor de tensión, que trabaja en modo de control por corriente, en donde la energía se almacena en un condensador situado en el lado de c.c. del convertidor Figura 2.4.
Figura 2.4: Filtrado activo paralelo con fuente de tensión
La filosofía de la cancelación sigue siendo la de inyección de corriente en paralelo y en contrafase con los armónicos presentes en la carga, por lo tanto, el método es conceptualmente idéntico al anterior.
2.3.2 FAP en conexión serie
El filtro activo de la Figura 2.5 se sitúa en serie entre la red y la carga, aportando la tensión necesaria para que la corriente por la línea esté desprovista de armónicos. En realidad, el sistema actúa como una impedancia variable, cuyo valor es idealmente nulo para la componente fundamental de corriente e infinita para todas las demás componentes.
Figura 2.5: Filtro activo serie.
Hay que destacar que el convertidor actúa como fuente de tensión y aporta el valor necesario para conseguir la impedancia deseada según el contenido de armónicos de la carga.
El circuito constituido por el filtro activo serie y la carga es un sistema dual respecto al FAP paralelo, donde la dualidad se establece por el intercambio de las posiciones serie en lugar de paralelo y por actuar como fuente de tensión en vez de fuente de corriente.
Esta topología no es la más utilizada, y en todo caso se acompaña normalmente de un sistema de filtrado pasivo complementario.
2.3.3 FAP en conexión serie-paralelo
Esta topología Figura 2.6 es también conocida con el nombre de UPQC (UnifiedPowerQualityConditioner) o Filtro Activo de Potencia Universal, [19], y es una combinación de los dos filtros anteriores, donde el filtro paralelo cancela los armónicos de corriente y puede hacer compensación de energía reactiva, mientras que el serie hace la función de desacoplo respecto a la red y puede realizar otras funciones, como regulación de tensión, compensación de flicker y equilibrado de fases en el punto de conexión a la red.
Comentado [l11]: Se repite el numero de figura 2.4. eso te
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Figura 2.6: Filtro activo serie-paralelo
A esta estructura se le llama también UPFC (UnifiedPowerFlowController) en su versión de gran potencia, cuando es utilizada en los sistemas de transporte de energía eléctrica, denominados FACTS (Flexible AC TransmissionSystem), [20], para controlar el flujo de energía activa y reactiva y contribuir a la estabilidad de la red ante topologías impedancias de la misma cambiantes en el tiempo.
2.3.4 Filtrado Híbrido
El filtrado híbrido consta de un sistema de filtrado pasivo convencional apoyado por un filtro activo situado en diferentes posiciones en relación con el filtro pasivo. Esta combinación optimiza el sistema de cancelación pasiva, evita los problemas de resonancias entre los componentes del filtro pasivo y la impedancia de línea y permite potencias de filtrado elevadas a un coste inferior al del filtrado activo puro. De estas topologías se opta, en lo adelante, por desarrollar, modelar y llevar a cabo las simulaciones de un prototipo de la denominada configuración FAP en paralelo por modulación del vector espacial.
2.4 Modulación por vector espacial y banda fija de Histérisis.
La técnica de conmutación por vector espacial considera al inversor como una unidad a diferencia de otras técnicas PWM que se basan en el funcionamiento de cada rama del inversor de forma independiente. De acuerdo a la modulación por
vector espacial, se considera que el inversor puede operar en alguno de los ocho posibles estados de conmutación (que dependen de los estados de sus seis dispositivos) [21], que se asocian con ocho vectores espaciales como se muestran en la Figura 2.6 [22]. El voltaje V0 se denomina el vector de voltaje cero, y se genera con el estado (0,0,0) o el estado (1,1,1) del inversor, es decir todos los dispositivos superiores del inversor en estado apagado (0,0,0) o encendidos (1,1,1). Los vectores derivada de cada error de corriente dex/dt (x = 1,2,..., 6), determinan el vector espacial de conmutación adecuado Vk, para cada estado. A manera de ejemplo, en la Figura 2.7 se muestra que el vector espacial Vk se encuentra en la región 1 debido a que en esta los errores mínimos de corriente corresponden a los vectores de1/dt y de 2/dt.
De acuerdo con el enfoque de la SVPWM, para minimizar la frecuencia de conmutación se deben aplicar solo los vectores espaciales adecuados en cada estado. Al implementar la modulación por SVPWM junto con HCC se reduce las conmutaciones innecesarias de los dispositivos del inversor [22]. La modulación HCC se utiliza para denotar información futura de los vectores derivada de error de corriente. Dos bandas de histéresis una superior y otra inferior se utilizan para formar dos tolerancias permisibles en los errores de las corrientes por fase inyectadas por el inversor respecto a las señales de compensación. De esta manera se forman seis señales de salida para determinar la región del vector de conmutación del inversor Vk.
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Figura 2.7: Vectores espaciales y vectores de errores de corriente [22]. Las señales de salida de la banda de histéresis exterior Bao, Bbo y Bco y las señales de salida de la banda de histéresis interior Bai, Bbi y Bci, proporcionan la información para un circuito lógico que genera las señales de activación de los dispositivos del inversor apropiadas para obtener el voltaje de referencia Vk, de acuerdo a la Tabla 1. Las variables lógicas s1, s2 y s2 se relacionan con los ocho estados posibles del inversor para sintetizar el voltaje deseado de salida Vk.
Tabla 1: Tabla de funciones de conmutación en la modulación SVPWM [22].
2.5 Conclusiones del Capítulo
En este capítulo ha tratado sobre las diferentes topologías del filtro activo de potencia así como su inserción a la red .Se ha adentrado en el tema que es objeto de estudio del siguiente trabajo y se ha explicado su importancia para mantener compensadas las cargas en un sistema eléctrico sin que haya grandes perturbaciones de armónicos. A la hora de evaluar su desempeño debe tenerse en cuenta también que los filtros activos de potencia al tener la capacidad de compensar solo los armónicos de su carga asociada ignoran los provenientes de otras cargas que se incorporen al sistema, evitando así las sobrecargas que estas pudieran generar en los mismos llevándolos a su destrucción, lo que sí puede ocurrir en los filtros pasivos, todo ello unido al hecho de que entre sus funciones están asociadas también la corrección del factor de potencia y el balance de cargas, esto los convierte en una opción que ha ganado gran espacio en las redes eléctrica
38 Análisis de los resultados.
Introducción
En este capítulo se hace una caracterización de los dos tipos de cargas que van a ser simuladas así como sus componentes. De ellas se obtienen varios resultados que son analizados y comparados posteriormente.
3.1 Caracterización y conexión de las cargas a simular
Las simulaciones se llevarán a cabo para dos configuraciones básicas de las cargas y los resultados de las mismas serán comparados con las obtenidas de un FAP cuyo métodos de control es la MAP y la MVE2D. Primeramente, se conformara una carga balanceada no lineal compuesta de un rectificador con conexión al neutro (carga tipo 1) por lo que aparecerá componentes homopolares en el espectro de frecuencia de las corrientes demandadas por la misma. La cargar se compone de dos rectificadores trifásicos nulos alimentando bancos de resistencia como se muestra en la Figura 3.1. Este tipo de carga se corresponde en su comportamiento con grupos de rectificadores trifásicos alimentando bancos de baterías, lo cual puede encontrarse en instalaciones de Etecsa u instalaciones hospitalarias. Para alcanzar mayor complejidad en el comportamiento de la misma se practica una derivación para conexión al conductor neutro. Esto con el objetivo de evaluar el comportamiento del filtro ante situaciones complejas.
resultados.
Figura 3.1: Representación correspondiente a la carga tipo 1.
En el segundo de los casos (Figura 3.2) la carga consiste en un motor eléctrico de corriente directa alimentado por un rectificador trifásico controlado tipo puente (carga tipo 2).
Figura 3.2: Representación correspondiente a la carga tipo 2. 3.1.1 Simulaciones para la carga tipo 1
El esquema correspondiente al sistema para su simulación en MatLab/Simulink es presentado en la figura 3.3:
resultados.
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1-El bloque correspondiente a la carga no lineal (CNL) esta descrito en el acápite 3.1 en él se ha empleado resistores cuyos valores de resistencia son de 100 ohm.
3-El circuito de potencia del filtro activo (FAP) incluye todos los elementos dela topología seleccionada que ya ha sido mostrada en anteriores figuras en el acápite correspondiente del capítulo 1: un inversor fuente de voltaje (IFV) con dispositivos IGBT, capacitor en el circuito de CD: 𝐶 = 0.1 𝐹 e inductancias en el circuito trifásico de CA 𝐿𝑎= 𝐿𝑏= 𝐿𝑏= 5 𝑚𝐻
4-El generador de la señal de referencia (GSR) cuyo algoritmo matemático se ha analizado con anterioridad y sus componentes se muestran en la figura 2
5- El bloque de control de voltaje de corriente directa (Subsistema 11 en la Figura 3.3), se puede ver más detalladamente en su funcionamiento en la Figura 3.4, está compuesto por un controlador PI que toma como entrada el voltaje en los capacitores del circuito de directa del filtro y lo compara con un valor de referencia. La diferencia entre estas dos magnitudes constituye el error presente en el sistema de control y es corregido por el mismo. La función de este bloque consiste en estabilizar el valor de este voltaje del circuito de directa del filtro para el correcto funcionamiento del filtro.
6-El control por Modulación del Vector Espacial en 3D (MVE3D) cuya estructura ya fue mostrada anteriormente.
7-El resto de los elementos son fuentes de corriente alterna de 220 V y transformadores de corriente para mediciones de los instrumentos.
resultados.
Figura 3.3: Esquema en MatLab/Simulink a la Figura 2.1.
