CONTROL DE FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA SERIE EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

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1 CONTROL DE FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA SERIE EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Autor: Báñez Chicharro, Fernando. Directores: García Cerrada, Aurelio. Zamora Macho, Juan Luís. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Tradicionalmente, la calidad del servicio eléctrico se ha identificado con la continuidad en el suministro, pero desde hace unos años se han venido incorporando nuevos conceptos como la calidad de la onda y la atención comercial. El mantenimiento de la calidad de la onda depende de múltiples factores, desde los propios del sistema eléctrico hasta la actuación de los consumidores en la red. El concepto que nos atañe en esta memoria es el de la calidad de la onda, debido al incremento en la cantidad de equipos sensibles a perturbaciones en la red. Más del 50% de estas perturbaciones en la red eléctrica están relacionadas con la tensión, donde interesará estudiar la diferencia de la forma de onda con respecto a la ideal. Los tipos de perturbaciones más conocidos son las caídas y los aumentos de tensión, la aparición de armónicos y, para sistemas trifásicos, los desequilibrios en la red. El uso de filtro pasivos LC, junto con los bancos de condensadores para compensar la potencia reactiva, es un recurso que se ha venido utilizando para mejorar la calidad de la onda. La reducción del coste y el aumento de la fiabilidad de la electrónica de potencia y los procesadores de señal digital (DSP) durante la última década han hecho que se centre la atención en el estudio de los filtros activos de potencia (FAP). Estos filtros nacen como una solución a los problemas detectados en los filtros pasivos. Los filtros activos de potencia serie (FAPS) se utilizan para cancelar los

2 armónicos que aparecen en la red y, también, para proteger la carga ante caídas o subidas de tensión. En este último caso se conocen con el nombre de Dynamic Voltage Restorer (DVR). En la Figura R.Error! No text of specified style in document.1 se puede observar el esquema de un filtro activo de potencia serie. Los algoritmos de control de los filtros activos son complicados, y no existe, actualmente, un estándar en la industria. Este proyecto persigue investigar sobre un algoritmo de control para el filtro activo de potencia serie: el control repetitivo. Se analizará el funcionamiento de este control para mejorar la calidad de la tensión de red en puntos de conexión de cargas delicadas: eliminación de armónicos y compensación de variaciones de las tensión, incluidos huecos. Los algoritmos se han diseñado usando Matlab, y la mayor parte de las pruebas de los algoritmos se han realizado bajo simulación con el entorno Simulink. También se ha desarrollado un prototipo monofásico para la prueba de los algoritmos en un entorno real. En este prototipo, se ha sustituido el inversor por un amplificador de audio por su fácil implementación. Para los ensayos se ha usado Real-Time XPC Target también en el entorno de Simulink. Figura R.Error! No text of specified style in document.1: Esquema general de un filtro activo de potencia serie. Los resultados obtenidos han corroborado la posibilidad de utilización de un modelo simplificado del transformador en el modelado del sistema. Así mismo, se

3 ha conseguido diseñar un control repetitivo que se muestra estable y eficiente en todas las situaciones simuladas. En la Figura R.3 se muestra un ejemplo de lo que se ha conseguido con el control diseñado ante un sistema que presenta una tensión en la red con múltiples armónicos y con una tensión de 50 Hz inferior a la especificada. El control es, además, adaptable por el usuario para conseguir error nulo en régimen permanente al armónico que se desee (siendo su uso conveniente si el fallo es de caídas/sobretensiones a 50 Hz). Figura R.3: Tensiones en PCC (1), sobre la carga sensible (2) y con la que actúa el DVR (3). Carga sensible con factor de potencia 0,92. Finalmente, cabe resaltar que se han dejado abiertos varios caminos para futuras investigaciones que mejoren el diseño del control, haciéndolo más preciso.

4 PROJECT ABSTRACT Traditionally, quality in the electrical service has been identified with the continuity in the supply, but from some years on new concepts has been incorporated, such as quality on the wave and costumer service. The quality of the wave depends on a lot of factors, from the own electrical system to the consumers of the electric-power system. The concept that is going to be developed throughout this project is the quality of the wave, due to the increase of sensitive equipments to the net s disturbances. Over of 50% of this net s disturbances are related with voltage, where will be interesting the study of the differences between the waveform of the net and the ideal one. The best-known net s disturbances are voltages falls and surges, harmonic s apparition and in three-phase systems, net s imbalances. The use of passive LC filters, together with capacitor banks that compensate the reactive power, is a resource that has been used to improve the quality of the voltage wave. The cost reduction and the improvement on the reliability of power electronic and digital signal processors (DSP) during the last decade focused the attention on the research of active power filters (APF). These filters were born as a solution to the problems that appears in passive filters. The series active power filters (SAPF) are used to remove net s harmonics and, also, to protect the load to falls or surges. In this last situation, these filters are known as Dynamic Voltage Restorer (DVR). In Figure R.1 a scheme of a series active power filter can be viewed. The control algorithms for active power filters are complicated and, nowadays, there is no standard solution on the sector. This project aims to research a control algorithm for series active power filters: the repetitive control. The operation of this control will be analyzed to improve the quality of the main voltage over the sensitive s loads: harmonics cancellation and compensation of voltage variations, including gaps. The algorithms are designed using Matlab software, and most of the tests were realized under simulation with Simulink.

5 In addition, a single-phase prototype was developed to carry out the test of the different algorithms in a real environment. In this prototype, an audio amplifier, for its simplicity of implementation, has replaced the inverter. For the test has been used Real-Time XPC Target, also with Simulink. Figure R.1: General scheme of a series active power filter. The results have confirmed the possibility of using a simplified model of the transformer in the system modeling. A design of a repetitive control for the device has been achieved, being stable and efficient in all simulated situations. Figura R.3 is an example of what has been achieved with the designed control at a system that presents a strain on the network with multiple harmonics and a 50 Hz voltage fall. The control is also adjustable by the user to achieve zero error at steady state to the desired harmonic (where appropriate use if the failure is falls/surges at 50 Hz).

6 Figure R.2: Voltages at PCC (1), at the sensitive load (2) and de DVR s (3). Sensitive load with power factor of 0,92. Finally, it has to be noted that many paths for future research have been left open to improve the design of control, being it more accurate.