Tese
Contributions to power conditioning tecniques in two-phase three-wire eletric networks
Autor
Furtado, Pablo Carlos de Siqueira
Institución
Resumen
This doctoral thesis deals with power conditioning applications in two-phase three-wire electric
circuits derived from three-phase four-wire systems. This kind of application can be useful
in modern electricity networks, specially for residential and small commercial consumers. An
adaptation of the pq Theory is proposed to use the concepts of instantaneous powers in twophase
three-wire circuits. A linear transformation is proposed to map two-phase voltages and
currents into an orthogonal ab reference frame. Time-domain mathematical analyses are used
to present the behaviour and interpretation of two-phase instantaneous powers, comparing the
proposed definitions with single-phase and three-phase instantaneous powers theories found in
the literature. The concepts of two-phase instantaneous powers are used to design algorithms
to control a shunt grid-connected converter, specially to be used as active power filter. It is also
proposed an algorithm to detect fundamental-frequency positive-sequence voltages by measuring
only two phase-voltages of the grid. Two different strategies are presented to control the
shunt active power filter: double single-phase strategy and zero neutral current strategy. The
adapted two-phase positive-sequence detector is implemented in a laboratory prototype and
experimental results validate the effectiveness of the proposed positive-sequence detector. Simulation
studies are also performed to validate the proposed control algorithms for two-phase
power conditioning equipment. The obtained results confirm the effectiveness of the two proposed
control strategies to compensate load reactive power and currents’ harmonic components
and unbalances. Furthermore, the zero-neutral current strategy shows to be suitable to avoid or
reduce zero-sequence unbalances in distribution grids and microgrids. Proposals for future studies
include further experimental implementation, active power injection applications and field
measurements to evaluate the influence of zero-sequence voltage unbalances in the proposed
controllers. Esta tese de doutorado trata de aplicações de condicionamento de energia em circuitos elétricos
bifásicos a três fios oriundos de sistemas trifásicos a quatro fios. Esse tipo de aplicação pode
ser útil no futuro em redes modernas de energia, em especial para consumidores residenciais
e pequenas instalações comerciais. Uma adaptação da Teoria pq é proposta como forma de
utilizar os conceitos de potências instantâneas em circuitos bifásicos a três fios. Uma transformação
linear é proposta para mapear tensões e correntes bifásicas para o sistema de coordenadas
ortogonais ab. Análises matemáticas no domínio do tempo são utilizadas como forma de apresentar
o comportamento das potências instantâneas bifásicas, bem como sua interpretação,
sendo comparadas com conceitos encontrados na literatura de potências instantâneas monofásicas
e trifásicas. Os conceitos de potências bifásicas são utilizados para projetar algoritmos de
controle conversores conectados em paralelo à rede elétrica, especialmente para realizar funções
de filtro ativo de potência. É também proposto um algoritmo de detecção da tensão de sequência
positiva, na frequência fundamental através da medição de duas tensões de fase apenas. Duas
diferentes estratégias de controle são apresentadas para controle do filtro ativo paralelo: estratégia
de operação duplo monofásico e a estratégia de mitigação da corrente de neutro. O detector
de sequencia positiva adaptado para sistemas bifásicos foi implementado em um protótipo de
laboratório e os resultados experimentais obtidos são usados como validação da estrutura proposta.
Estudos de simulação foram também realizados para avaliar os algoritmos de controle
propostos como um todo. Os resultados obtidos confirmaram a eficácia das estratégias de controle
propostas para compensação de correntes harmônicas, potência reativa e desequilíbrios de
correntes causados pela carga bifásica. Além disso, é mostrado que a estratégia de compensação
para corrente de neutro zero é útil para evitar ou reduzir desequilíbrios de sequência zero em
redes de distribuição e microrredes. As propostas para a continuação desta pesquisa incluem
o aprofundamento da implementação experimental, aplicações de injeção de potência ativa na
rede elétrica e medições de campo para quantificar a influência de desequilíbrios de sequência
zero nos sistemas de controle propostos. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior