FILTRO ACTIVO HIBRIDO PARA ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS A TENSIONES MEDIAS

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1 Scenta et Technca Año XV, No 43, Dcembre e 29. Unversa Tecnológca e Perera. ISSN ILTRO ACTIVO HIBRIDO PARA ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS A TENSIONES MEDIAS Hybr power actve flter for harmonc cancelaton at meum voltages RESUMEN Se analza el proceso e seño y la smulacón e un esuema e fltro actvo híbro aplcable a tensones meas sn necestar e transformaores reuctores para tal fn. Se muestra el esarrollo el métoo e compensacón usao y los resultaos obtenos cuano se aplca en un sstema e conversón e alterna a contnua basao en trstores. El sstema se smula para ferentes nveles e tensón e almentacón. PALABRAS CLAVES: ltro actvo híbro, convertor C.A.-C.C., trstores ABSTRACT It s analyze e esgn process an e smulaton of one scheme base n an hybr actve flter to be use n meum voltages an transformerless. The compensaton meo use s showe an e results obtane when s system s apple n a converter form C.A. to C.C. base n yrstors. The systems s smulate to fferent levels of e voltage source. KEYWORDS: Hybr actve flter, C.A.-C.C. converter, yrstors ALONSO ALZATE GÓMEZ Ingenero Electrcsta, M. Sc. Profesor Ttular Unversa Tecnológca e Perera alalzate@utp.eu.co ANDRÉS ESCOBAR MEJÍA Ingenero Electrcsta, M. Sc. Profesor Auxlar Unversa Tecnológca e Perera anreses@utp.eu.co CARLOS ANDRÉS TORRES P. Ingenero Electrcsta, M. Sc. Estuante e Doctorao Unversa Rovra Vrgl Tarragona (España) Grupo e nvestgacón en Electrónca e Potenca. INTRODUCCIÓN La crecente mplementacón e elementos e electrónca moerna, tene como consecuenca recta un ncremento en el conteno armónco en el fluo eléctrco, lo cual trae fcultaes tanto para el usuaro como para el strbuor, ao ue estos fenómenos se reflejan en el sstema eléctrco e la sguente manera: aumento e la potenca reactva, operacón naecuaa e elementos e proteccón, varacones en la ampltu y frecuenca e las onas e tensón y corrente en general. Las solucones planteaas han ao como resultao una sere e topologías para fltros pasvos, fltros actvos y fltros híbros con el fn e llegar a solucones más efcentes y vables para elmnar esas perturbacones []. La solucón propuesta en este trabajo consste en un fltro hbro, formao por un fltro pasvo conectao en sere con un fltro actvo, seno el conjunto en paralelo con la fuente e almentacón sn necesa e un transformaor aaptaor. La funcón e esta topología es la e permtr la accón el fltro actvo a tensones menores a las e operacón e la carga y la re, por lo cual los elementos reueros para este son menos exgentes en cuanto a tensón y tamaño y costos. Se analzan las característcas el crcuto e control para el fltro actvo, el cual sensa las correntes e la fuente y e la carga para realzar compensacones ue permtan smnur el conteno armónco nyectao haca la re e almentacón. 2. Moelo el Sstema e Potenca. Se propone como topología para el análss la conexón el fltro hbro en paralelo con el sstema e potenca ue almenta el convertor AC/DC. El sstema e potenca está conformao por la fuente e almentacón trfásca, la línea e transmsón con sus respectvas mpeancas, el convertor trfásco e ses pulsos a base e oos rectfcaores, el cual actúa como carga generaora e armóncos y el fltro hbro conectao en paralelo. Aemás e realzar la smulacón el sstema a meana tensón (3.3 KV), se hace la extensón a nveles e tensón nustrales (22 V, 44 V). echa e Recepcón: e Septembre e 29. echa e Aceptacón: 8 e Octubre e 29

2 26 Scenta et Technca Año XV, No 43, Dcembre e 29. Unversa Tecnológca e Perera. Obtencón e las componentes contnuas e corrente según el eje o según el eje, según convenga, meante fltrao e la corrente total según ese eje. Conversón nversa el sstema -- al sstema trfásco en ejes a-b-c para la obtencón e las tres correntes e fase. 3.2 Control por Realmentacón gura. Topología el sstema estuao. 3. Metoología e Control para el ltro Actvo Hbro 3. Sstema Síncrono e Referenca Se utlza la transformacón el sstema trfásco abc al sstema e ejes los cuales rotan a etermnaa veloca angular haceno uso e la transformacón e Park. Esta conlleva a una técnca e compensacón ue con respecto a las teorías cruz y PQ mofcaas ervaas e la teoría general e la potenca reactva nstantánea [2,3], necesta menos cálculos computaconales ya ue está rga a la compensacón expresa e corrente meante cálculos e correntes actvas y reactvas nstantáneas [4, ] como se efnó en el captulo anteror, pero sn pasar por calcular las potencas relaconaas proporconalmente a estas correntes. Se hace necesaro para realzar esta transformacón contar con un etector e frecuenca Phase Lock Loop PLL, cuya funcón es la e etectar la frecuenca funamental e los sstemas e correntes y/o tensones ue se tomen como entraa a las transformacones, los cuales pueen ser esbalanceaos y contener armóncos. A estos ejes se les aplca un proceso e sncronzacón, consstente en alnear el eje el sstema móvl e coorenaas con la tensón e re y grano a la msma veloca ue esta respecto a los ejes fjos abc. Toas las componentes e tensón o corrente ue gren a la msma veloca ue los ejes en movmento se percben como valores constantes, mentras ue los armóncos, y las componentes e secuenca negatva e esas tensones y correntes, aparecen como componentes alternas, permteno e este moo su scrmnacón. Esto se logra con el uso el sstema PLL escrto anterormente. Para la aplcacón el métoo es necesaro hacer: Conversón recta el sstema e correntes e re al sstema -- meante la transformacón e Park. Orentacón el sstema e ejes -- con la componente recta e la tensón e una fase e re. Este subsstema e control meante realmentacón recbe como señales e entraa el conjunto e correntes trfásco e la fuente e almentacón, e y parte e allí realzano la transformacón e este sstema trfásco al sstema rotaconal síncrono e referenca - meante la transformacón e Park la cual brna las correntes actvas y reactvas nstantáneos. La componente funamental en el sstema e correntes trfásco es euvalente a la componente contnua e las correntes e espués e la transformacón, y las componentes e frecuencas ferentes (Componentes armóncos) ncluas las e secuenca negatva euvalen a las componentes alternas e las msmas correntes e. Estas componentes alternas son extraías pasano las correntes e caa una a través e un fltro pasa alto e prmer oren con una frecuenca e corte e 6 ~ ~ Hz, luego el fltrao las correntes e las cuales contenen la nformacón e los componentes e armóncos presentes en el lao e la fuente e almentacón son transformaas a un sstema e correntes trfásco por meo e la transformacón nversa e Park; posterormente caa armónco e corrente es amplfcao por una gananca K teneno así el prmer voltaje a ser aplcao al nversor tpo PWM ue controla el nversor trfásco. V af = K. () fb sh El rango e varacón e esta constante K es un parámetro mportante para la correcta operacón e compensacón e correntes armóncas e la parte actva e este fltro hbro [6]; se obtuvo expermentalmente ue para valores e la constante K superores a se empeza a tener una correcta respuesta en la operacón el sstema e fltrao. Cabe anotar ue la cota máxma el ntervalo e varacón para esta constante puee estar lmtaa en la práctca. Sn embargo en la smulacón se encontró ue tanto para valores muy cercanos a como para valores mucho mayores tales como 3 o no hay ferencas conserables en las formas e ona obtenas. Eventemente, es necesaro consegur scrmnar la componente funamental e tensón y generar, a nvel e control, un sstema e tensones eulbraas e s u s v s w

3 Scenta et Technca Año XV, No 43, Dcembre e 29. Unversa Tecnológca e Perera. 27 secuenca postva. La obtencón e este sstema e tensones es funamental para poer scrmnar las componentes actva y reactva e potenca ya ue el fltro actvo ebe generar correntes en cuaratura con estas tensones para hacer la compensacón e la energía reactva. Esta sncronzacón se logra a través el bloue PLL como lo muestra el agrama e control. Meante este procemento se logra ue la re sea perfectamente snusoal, eulbraa y sn componente e secuenca cero e tensón para lo concernente a las transformacones e coorenaas. La componente alterna e potenca actva y la potenca reactva, nclurá la potenca actva funamental e secuenca negatva, la componente e potenca reactva funamental y la potenca e armóncos. La corrente e re será snusoal y estará consttua úncamente por la componente actva e la corrente funamental en fase con la componente funamental e tensón e re e secuenca postva. En too este proceso se ha omto la compensacón e la potenca e secuenca cero al ser almentao el control meante un sstema e tensones eulbraas calculao. Los errores ebos a la no perfecta compensacón e las componentes e secuenca negatva, puee subsanarse meante el regulaor e la tensón en el conensaor el fltro actvo, con el ue se controla el flujo e potenca actva entre este y la re. Este control se hace a través e un lazo e realmentacón aconal, ue sensa la tensón en el barraje y la compara con una tensón e referenca, alreeor e un % e la tensón e línea en la fuente, y usa un controlaor tpo PI el cual se encarga e realzar la regulacón entregano una señal e control ~ ue se suma a la componente reactva e corrente la cual posterormente será transformaa en las señales e control para el nversor PWM utlzao. Los errores en la compensacón, así como la no conseracón e la potenca e secuenca cero, provocan la escarga el conensaor e c.c., lo cual es etectao por el regulaor e tensón y, como reaccón, ncrementa el valor e la potenca e péras con objeto e recuperar el valor e la tensón prevsta en el. 3.3 Control por Almentacón Drecta Este subsstema e control tene como propósto a partr e las componentes pasvas (nuctanca y capactanca) el fltro hbro hacer ue la totala e la componente el unto armónco pase por esta parte pasva y así no genere contamnacón en las tensones y correntes e la re. La tensón y la corrente en el marco e referenca síncrono utlzao en esta estratega e control para la frecuenca el unto armónco, puee ser calculao a partr e las señales en un marco e referenca estaconaro a-b así: jw t V V e jwt V V e = αβ (2) = αβ (3) Done w= - w, con w la frecuenca funamental (6 Hz). Es e notar ue el unto armónco e tensón o corrente correspone a una componente e secuenca negatva en un sstema trfásco balanceao. En un marco e referenca estaconaro a-b la mpeanca ue presenta la parte pasva el fltro hbro está aa por: Z ( s) = R + sl + (4) sc Realzano la transformacón al sstema síncrono e referenca - utlzao en el algortmo e control se tenrá cha mpeanca como funcón e la frecuenca angular w. Por consguente la mpeanca el fltro pasvo en el marco rotaconal - para la componente el unto armónco se puee calcular como sgue Z ( s) = R + ( s + jw ) L + () ( s + jw ) C Seno esta mpeanca en estao estaconaro (s=) obtena por Z () = R + jw L + jw C (6) Por lo tanto conoco el valor e esta mpeanca para la componente el unto armónco y la corrente el msmo provenente e la transformacón - se puee calcular el voltaje e referenca aportao por el subsstema e control e almentacón recta así: V = R + j( w L ) L w C El sstema trfásco e correntes en la carga, es ecr espués el punto e conexón común PCC, e l w (7) es transformao al sstema rotaconal síncrono en la frecuenca el unto armónco. La frecuenca e referenca se obtene el generaor e señales snusoales el PLL y es funamental realzar la sncronzacón para consegur así la transformacón selectva para esta componente e unto oren. La componente el unto armónco en el sstema e correntes menconao es euvalente a la componente DC en e. Esta componente es extraía por meo e un par e fltros e prmer oren pasa bajo con frecuenca e corte e 6 Hz. La obtencón el voltaje e referenca como aporte e este subsstema e control al nversor PWM se hace por meo e la mplementacón e la sguente ecuacón: l u l v

4 28 Scenta et Technca Año XV, No 43, Dcembre e 29. Unversa Tecnológca e Perera. R w L + V wc L = V w L L + R wc (8) Al aplcar la transformacón nversa el sstema síncrono rotaconal al sstema estaconaro a-b-c se obtenen las tensones e referenca ue aporta al crcuto e control el nversor esta parte el sstema e control. Las señales ue fnalmente son llevaas al PWM se obtenen sumano las contrbucones e las os partes e control realmentao y por realmentacón recta. Estas señales son comparaas en el sstema nversor con una señal trangular e referenca e frecuenca gual a KHZ. Proucénose así fnalmente las señales e control aplcaas a las compuertas e los spostvos actvos. 3.4 Esuema e Control La fgura 2 muestra en forma e agramas e bloues el esuema e control utlzao en la mplementacón el fltro actvo hbro propuesto. por meo e un fltro pasa alto e prmer oren con frecuenca e corte alreeor e los 6 Hz esto como se funamenta en la teoría el sstema síncrono e referenca con el fn e obtener las componentes AC e estas correntes, correntes e storsón aconaas con la corrente e péras ue crcula por el nversor trfásco. Las tensones e referenca resultao el nvel e control por realmentacón se obtenen al aplcar la transformacón nversa e Park a estas correntes - alternas y multplcarlas por la gananca K cuyo valor es un parámetro preestableco. A la componente e corrente en reccón al eje se acona la señal e control para controlar la tensón en el lao DC el nversor PWM. Dcha señal provene e un controlaor tpo PI el cual ha so señao con base en lo propuesto para mantener la establa el sstema en [6]. De acuero a la sguente ecuacón: ( K p )( V ) cosφ I (9) 2RK + K p Seno los valores para la corrente e fase, ángulo e la corrente e fase, tensón el nversor e mpeanca los sguentes: Asumeno para efectos práctcos ue la constante e proporconala K Sea e.2 se encuentra ue al p valor aproxmao para la constante ntegral aproxmaamente 2. K es 3. Dseño el fltro pasvo. gura 2. Esuema e control utlzao. La forma en la ue opera el sstema es la sguente: Una e las tensones e fase en este caso la fase u se utlza para ar referenca al sstema PLL tomano como base la frecuenca e su tensón e entraa para generar los parámetros (valores e frecuenca), ue se asgnan a un generaor e funcones el cual genera las señales snusoales e referenca con frecuenca gual a la funamental y con frecuenca gual a menos veces la funamental para las transformacones e coorenaas rectas e nversas ue reueren los controles por realmentacón y por almentacón recta respectvamente. Control por Realmentacón (Seguno nvel) Se aplca la transformacón e Park al sstema trfásco e correntes e la fuente Is, transformano este sstema al marco e referenca sncronzao con la frecuenca funamental, seguo las correntes I e I se hacen pasar El sstema e fltro actvo hbro propuesto contene en su parte pasva un fltro LC por fase. La característca prncpal e este fltro pasvo es ue esta sntonzao a la frecuenca e la componente armónca número 7 el sstema (42 Hz) El cual es seguno armónco más omnante. Algunas e las razones por las cuales se toma como frecuenca e referenca para la parte pasva el fltro hbro la frecuenca el séptmo armónco son las sguentes: El fltro LC sntonzao a la frecuenca el séptmo armónco es menos robusto y menos costoso ue una combnacón LC para fltrar la componente el unto armónco. El fltro sntonzao con la frecuenca el séptmo armónco presenta una mpeanca más baja para las componentes e oren y 3. [7]. El unto armónco es elmnao en cas su totala con la mplementacón el control por realmentacón, ejano así como componente e mayor peso a la componente e oren 7. nalmente teneno como referenca para el seño e la parte pasva el fltro hbro la frecuenca el harmónco

5 Scenta et Technca Año XV, No 43, Dcembre e 29. Unversa Tecnológca e Perera. 29 numero 7 se tenen los sguentes valores para la nuctanca el fltro L y para la capactanca el msmo f C f respectvamente mh Y 4 u 6 4 Vc 4. RESULTADOS tenson (V) 3 2 La smulacón realzaa en el software MatLab, verfca la vabla y efcaca el fltro hbro propuesto. La carga consste en un elemento resstvo e 6 Ω; la gananca e realmentacón el fltro actvo K es gual a Ω (= 4pu), y el bus DC e tensón en el fltro actvo posee un valor e 3V. Se realzaron tres smulacones manteneno fja la frecuenca el sstema en 6 Hz, varano la magntu e la tensón el generaor e corrente alterna, los valores empleaos fueron 33V, 44V y 22V. De las fguras 3 a la se muestran las formas e ona resultantes en la smulacón a 33V, cuano solo el control por realmentacón es aplcao al fltro actvo. 2 2 s gura. Tensón en la barra D.C. a 3 Voltos. amperos gura 6. Corrente e la fuente e almentacón a 33 Voltos con oble control s corrente (A) La corrente en la carga no camba pues esta sgue seno la msma el caso anteror gura 3. Corrente e la fuente e almentacón a 33 voltos. 2 2 L En la tabla se muestra la storsón total armónca (THD) para corrente e carga (IL) y la corrente e la fuente (Is) aemás la magntu e caa corrente armónca con respecto a la corrente funamental. Como consecuenca se obtuvo un factor e potenca alto e.99 y una forma e ona cercana a la snusoal. Vc 6 corrente (A) - tenson (V) gura 4. Corrente en la carga a 33 voltos Cuano el control por realmentacón es aplcao al fltro actvo, el fltro hbro puee reucr la storsón total armónca (THD) en la corrente e carga a 2. %. La corrente en la fuente tene un factor e potenca e.99. Por otro lao el fltro hbro con la realmentacón mas el control feeforwar, tene la capaca e compensar en un mayor porcentaje la magntu e los armóncos en la corrente e la fuente. En las fguras 6 y 7 se muestran las formas e ona obtenas en la smulacón a 33V gura 7. Tensón en el conensaor usano oble control. Estos resultaos tambén verfcan ue la tensón DC e 3V es sufcente para ue el fltro actvo posea un funconamento satsfactoro, por lo tanto para los sstemas e 44 y 22 se usan tensones e 44V y 22V respectvamente con resultaos smlares. Del comportamento observao se nfere ue la tensón DC reuera es aproxmaamente % e la tensón nomnal e la fuente. Esto se muestra en las tablas 2 y 3.

6 3 Scenta et Technca Año XV, No 43, Dcembre e 29. Unversa Tecnológca e Perera. Tabla. Tensón 33V THD % L I S Sn I S Tabla 2. Tensón 44V THD % L I S sn I S Tabla 3. Tensón 22V THD % L I S Sn I S CONCLUSIONES Las correntes e compensacón obtenas con la mplementacón el algortmo basao en el métoo e sstema síncrono e referenca, en toos los casos elmnan en un buen porcentaje la storsón armónca total en la corrente e la fuente e almentacón, lo cual confrma la funconala e cho métoo. El sstema estuao es muy versátl en cuanto a su funconamento para ferentes nveles e tensón para lo cual es necesaro solamente ajustar en caa caso el valor en por una e la tensón e almentacón y el valor e referenca para la tensón el nversor la cual es e alreeor el % e la tensón e la fuente. [2] PENG, ang an LAI, Jh. Generalze Instantaneous Reactve Power Theory for Three-Phase Power System. En: IEEE Transactons on Instrumentaton an Measurement. Vol. 4, No. (feb. 996); pp [3] WILLEMS, Jacues L. A new nterpretaton of Akag-Nabae power components for nonsnusoal reephase stuatons. En: IEEE Transactons on Instrumentaton an Measurement. Vol. 4, No ; pp [4] AKAGI, H.; KANAZAWA, Y. an NABAE, A. Generalze Theory of e Instantaneous reactve Power n Three-Phase Crcuts. IPEC 83-Int. Power Electroncs Conf., Tokyo, Japan, 983; p [] AKAGI, H.; KANAZAWA, Y. an NABAE, A. Instantaneous Reactve Power Compensators Comprsng Swtchng Devces wout Energy Storage Components. En: IEEE Transactons on Inustry Applcatons. Vol. A-2 (may-jun 984), pp 62. [6] SUNT, Sranumrong; AKAGI, Hrofum. A meum voltage transformerless AC/DC power converson system consstng of a oe rectfer an a shunt hybr flter. En: IEEE Transactons on Power Electroncs. Vol. 39, No. 3 (may. 23); pp [7] PENG, ang; OTT, George an ADAMS, Donal. Harmonc an Reactve Power Compensaton Base on e Generalze Instantaneous Reactve Power Theory for Three-Phase our-wre System. En: IEEE Transactons on Power Electroncs. Vol. 3, No. 6 (nov. 998); pp Con la nclusón el lazo e control por almentacón recta (eeforwar) se puee observar una reuccón sgnfcatva en la magntu e la componente armónca e oren, comparao con el valor e la msma para la smulacón cuano solo opera el control por realmentacón. Para toos los casos smulaos la magntu e la componente armónca e oren 7 es correctamente reuca por la operacón e la parte pasva el fltro hbro propuesto, lo cual era e esperarse ao ue cho fltro LC se sntonza a esta frecuenca. 6. REERENCIAS [] PENG, ang. Harmonc sources an flterng approaches. IEEE Inustry Applcatons Magazne. July/August 2, pp 8-2.