Compensación de corriente usando filtro activo de potencia en derivación para fuentes armónicas de tensión

Abstract

El presente documento muestra los resultados de investigación sobre la compensación de problemas de calidad de la potencia, específicamente los problemas de distorsión armónica en las redes de distribución de energía a nivel industrial. Se introduce al lector a los problemas de la calidad de la potencia, para posteriormente acotar el tema a los armónicos en la corriente y la tensión, sus fuentes de generación y la compensación o filtrado de los mismos. Los problemas de calidad de la potencia se han convertido en un tema de mayor interés en las últimas décadas, ya que impactan de forma negativa el desempeño de los equipos y redes de distribución de energía. Dicho tema ha motivado la investigación en diferentes disciplinas de la ingeniería eléctrica, como lo son el estudio de las teorías de potencia en régimen no sinusoidal, la potencia en el dominio de la frecuencia, el estudio de los conversores de potencia, los sistemas dinámicos y control, la estandarización y creación de recomendaciones y normas, y en general los estudios al rededor de las disciplinas que puedan aportar al objetivo de evaluar la calidad de la potencia y realizar aportes al mejoramiento del desempeño de los equipos y las redes que enfrentan estos problemas. Todo esto con el fin de lograr una reducción de costos de operación y mantenimiento, y un incremento de la confiabilidad del sistema. Las cargas que consumen una corriente no sinusoidal produce distintos tipos de problemas de calidad de la potencia. Este trabajo se enfoca en la compensación de armónicos mediante filtro activo de potencia en derivación, cuando la corriente está fuertemente distorsionada; distorsión que a su vez produce armónicos en la forma de onda de tensión debido a la baja impedancia del tipo de carga que se opera. A este tipo de carga se le conoce como carga en fuente armónica de tensión dado que es capaz de producir armónicos en la tensión que la alimenta. Corregir los efectos de la operación de este tipo de carga presenta un reto para los compensadores o filtros actuales, ya que como se verá, a pesar de que el filtro activo de potencia se ha presentado como una solución efectiva ante este tipo de distorsión, ocurre que cuando trata de compensar cambios abruptos en la corriente, es decir, valores elevados de diferenciales de corriente, el filtro o compensador no es capaz de generar la corriente de compensación a la velocidad que se requiere, por lo que se presenta un retardo en la respuesta que no permite alcanzar una compensación suficiente para que el sistema o carga opere dentro de los estándares de la calidad de la potencia; estándares que se estudiarán brevemente al inicio de este trabajo. Diversos autores han realizado diferentes aportes al filtrado activo, como por ejemplo técnicas de estimación o extracción de corriente armónica, como la teoría p-q que permite encontrar la solución de corrientes armónicas con la flexibilidad de controlar el flujo de potencia activa y reactiva hacia el bus de corriente continua con poco esfuerzo de cómputo. También se han realizado numerosos aportes con respecto a las técnicas de control del inversor de potencia, siendo este último parte fundamental del filtro activo y que es lo que en última genera la corriente de compensación. Habiendo sido determinado el problema de investigación y como parte de la metodología de esta investigación, los aportes más representativos encontrados en la revisión bibliográfica con respecto a la compensación de corriente son puestos a prueba mediante simulaciones, con el fin de acotar el tema específico del trabajo que se centra en el módulo de control del filtro activo. Gracias a la posibilidad de entender la influencia individual de cada uno de los módulos en la capacidad de compensación del filtro activo, esta metodología de investigación permitió concentrarse en la generación del PWM que controla el encendido y apagado de los interruptores estáticos; que en este caso son un puente inversor trifásico compuesto de IGBT. Se encontró que contrario a lo que otros autores han establecido con respecto a la relación física que existe entre el valor de inductancia de acople y la capacidad de seguimiento de corriente de referencia, no solo es importante la frecuencia de conmutación o los valores de diferenciales de corriente, sino que la técnica PWM usada tiene un impacto importante en este compromiso compensación versus valor de inductancia. Concluyendo que en lugar de usar el tradicional PWM monopolar, el uso del PWM bipolar con portadora triangular no solo permite reducir en un orden de 10 veces el valor de inductancia de acople, sino que también permite implementar con facilidad un controlador PI para el lazo de control del inversor. En adición y como trabajo futuro, gracias al estudio de las ecuaciones nodales del filtro activo de potencia en derivación, y los experimentos de simulación realizados, se encontró una relación o compromiso inverso entre la calidad de la corriente de fuente vs. la calidad de la corriente de la carga. Es decir, cuando el filtro activo compensa la corriente de fuente que es distorsionada por la operación de una carga en fuente armónica de tensión o carga no lineal de baja impedancia, se establece un compromiso en el cual a mayor calidad obtenida en la corriente de fuente, se presenta menor calidad en la corriente de carga; que se manifiesta con elevados picos que pueden afectar el sistema de protecciones de la carga, e incluso superar la corriente pico que puede manejar el puente IGBT. De esta forma, se propone desarrollar un método de sintonización de los parámetros del controlador PI que permita encontrar un punto optimo de operación maximizando la compensación de armónicos de corriente de fuente y minimizando el deterioro de la corriente de carga

Abstract: The current document exposes the research results about the compensation of power quality problems, specifically the harmonic distortion problems in power distribution networks in an industrial level. The reader is introduced to the power quality problems. Then, those problems are restricted to the current and voltage harmonics, its generation sources and the compensation or filtering of them. Power quality problems have become into a main line topic in the recent decades, due those problems impact in a bad way the performance of equipment and power distribution networks. Such topic have motivated researching in several disciplines of the electric engineering, such as the study of the power in non-sinusoidal regime, the power in frequency domain, the study of power converters, control and dynamic systems, the standardization and creation of recommendations and regulations, and in general studies around the disciplines that could help to the aim of evaluate the power quality and make contributions to the improvement of the equipment and power networks performance that address this problems. All this in order to achieve a reduction of maintenance and operation costs, increasing the system reliability. Loads that consumes non-sinusoidal current produces several types of quality problems. This work is focused in the harmonic compensation using shunt active power filter, when the load current is strongly distorted. Distortion that in time produces harmonics in the voltage wave, due the low load impedance that is feeding. This type of load is known as harmonic voltage source load due it is capable to produce harmonics in the feeding voltage. To correct the effects of the operation of this kind of loads, supposes a quest for the current conditioners or filters, since as will be seen, regardless the active power filter has been presented as an effective solution to this kind of distortion, it happens that when it tries to compensate abrupt current changes or highly differentials of current, the filter or conditioner is not capable to generate the compensation current at the required speed; for that reason a delay occurs in the filter response that not allow to reach enough compensation to the make the system or load works in accordance with the standards of power quality; standards that will be studied shortly in the beginning of this work. Several authors have made different contributions to the active filtering, for example estimation or harmonic extraction techniques, like the p-q theory that allows us to find a harmonic currents solution with the flexibility of the active or reactive power flow control towards the continuous current bus, with a minimal computation effort. Also many contributions have been performed regarding the control techniques of the power inverter, that is fundamental part of the active power filter and in the end generates the compensation current. Having been determined the research problem and as part of this reseach mothodology, the most representative contributions found in the bibliographic revision regarding to the current compensation are tested by means of simulation, in order to narrow the specific work topic that is focused in the control module of the active filter. Through to the possibility of understand the individual influence of each one module in the active filters compensation capability, this research methodology allow us to focus in the PWM generation that controls the turn-off and turn-on commands of the static power switches; that in this case are a IGBT three-phase bridge inverter. We found that on the contrary of what other authors have established regarding to the existing physic relation between the coupling inductor and the reference current tracking capability, not only the switching frequency or the current differential values are important, but the used PWM technique has a major impact in the compensation vs. inductance value compromise. Concluding that instead of using the traditional single-pole PWM, the use of the bipolar triangular carrier PWM not only allows us to reduce in an order of 10 times the coupling inductance value, but allows to us to implement a PI controller easily to the inverter control loop. In addition and as a future work, thanks to the study of the nodal equations of the shunt active power filter, and the performed simulation experiments, a relation or inverse compromise between the source current power quality and the load current power quality has been discovered. That is, when the active filter compensate the source current that is distorted due the operation of a harmonic voltage source load or low impedance non-linear load, a compromise is established in which the higher source current quality the less load current quality; manifested with high peaks that could affect the load protection system, or even exceed the peak current that the IGBT bridge is capable to handle. In this way, a PI controller parameter tune method is proposed as future work, that allows to us to find an optimal point of operation maximizing the source current harmonic compensation and minimizing the deterioration of the load current