Diseño y Construcción de Un Filtro Activo para Eliminar Armónicos de una Red Bifásica Residencial

Transcripción

1 Dseño y Construccón de Un Fltro Actvo para Elmnar Armóncos de una Red Bfásca Resdencal Héctor Bueno 1, Marco Fajardo 1, Flavo Quzhp 1* 1 Unversdad Poltécnca Salesana, Cuenca, Ecuador * Autor corresponsal: fquzhp@ups.edu.ec RESUMEN El aumento constante de las cargas no lneales conectadas a la red de almentacón, provocan problemas como altos índces de dstorsón armónca y pérdda de efcenca debdos al bajo factor de potenca. Una de las formas de mejorar esta stuacón, es la utlzacón de fltros actvos de potenca (PAF). Se desarrolla un fltro multnvel para una red bfásca, con la característca prncpal de nclusón del neutro en el fltrado logrando un equlbro entre fases y neutro. Obtenendo como resultado que la forma de onda de la corrente que crcula por la red eléctrca sea senodal (bajo factor armónco). Estructuralmente el fltro, en su sstema de potenca, consta de dos puentes nversores o dos etapas por fase, para la carga o descarga de los dspostvos almacenadores de energía, que para el presente caso es de tpo capactvo, obtenendo así cnco nveles de tensón por fase. En lo que corresponde al sstema de control del fltro está basado en un control predctvo y adaptatvo. Se hace la predccón del estado de conmutacón de los IGBT s de los nversores en base a los cálculos de la funcón costo de corrente y la comparacón con una corrente de referenca que depende de la carga de la red. Una vez mplementado el fltro se comprobó el cumplmento de los objetvos, se demostró que exste una reduccón en el THD de corrente, además se do la correccón deseada en la forma de onda de la corrente y del voltaje, mejorando así la efcenca de la red. PALABRAS CLAVE Adaptatvo, armóncos, efcenca, fltro, predctvo. INTRODUCCIÓN Las cargas no lneales sobre los sstemas eléctrcos de potenca producen fenómenos de dstorsón de corrente y voltaje, capacdades de manejo de correntes sobre los conductores, coordnacón de proteccones, rendmento de los trasformadores que almentan los sstemas de dstrbucón y transmsón, así como a los sstemas de generacón, entre otros aspectos (Bueno y Fajardo, 013). En el Ecuador se ha ncrementado la carga no lneal en el sector resdencal y es de prever que ésta se verá afectada de gran manera con la mplementacón de los sstemas de nduccón para la coccón a ser realzarlo en 0Vca. Está prevsto el año 015 para la ejecucón del programa de cocnas de nduccón. Con las característcas menconadas será necesaro realzar el fltrado de una red bfásca, consderando las dos fases y el termnal neutro de almentacón de los sstemas resdencales, que garantcen nveles de Factores de dstorsón armónca (THD) dentro de valores normalzados, según la norma Applcaton of IEEE Std Harmonc lmts, la cual ndca que para Voltaje se debe mantener un THD de máxmo 5% y para corrente el TDD debe ser máxmo de 15%. Page 1 of 8

2 MÉTODOS La metodología empleada para el dseño de Fltro Actvo de Potenca (PAF) consdera un sstema de dos fases con la nclusón del neutro. Del estado del arte de los sstemas PAF se dentfca que no se han desarrollado estructuras de PAF para sstemas de dos fases que ncluyan el neutro. Para la seleccón de las estructuras a ser aplcadas en los sstemas bfáscos se analzaron propuestas realzadas por algunos autores (Bueno y Fajardo, 013), se verfcó las técncas de control predctvas para ajustar a los sstemas resdencales. Fnalmente se ha valdado con la varacón de cargas sobre sstemas bfáscos y la respuesta del sstema, tanto en smulacón como expermentalmente sobre la plataforma de convertdor bfásco multnvel. Para el dseño del fltro, se consdera un sstema bfásco que se obtene al tomar dos fases y el neutro de un sstema trfásco, es decr el desfase será de 10 eléctrcos entre fases. El dseño del fltro consta de dos partes: Etapa de Potenca y Etapa de Control. Etapa de Potenca En este caso la etapa de potenca cuenta con dos puentes nversores para cada fase, es parte del modelo de plataforma presentado por Vola y Quzhp (013). El esquema se muestra en la Fgura 1. A cada puente nversor está conectado en paralelo un capactor, permtendo que se realce el control del fltro en 5 nveles de tensón dc. Cada uno de estos nveles es manejado en la Etapa de Control. Fgura 1. Etapa de Potenca del PAF. Etapa de Control La etapa de control, es la parte prncpal del fltro, se encarga de la conmutacón de los IGBT s, se mplementó un control predctvo y adaptatvo a las condcones de la carga. La prncpal característca de control predctvo es el uso de un modelo del sstema para predecr el comportamento futuro de las varables controladas en base a la funcón costo de corrente y a la comparacón de la corrente actual con una corrente de referenca. Esta Page of 8

3 nformacón es utlzada por el controlador para obtener el acconamento óptmo, de acuerdo con un crtero de optmzacón predefndo (Rodríguez y Cortez, 01). El crtero de optmzacón en el control predctvo está basado en la dentfcacón en un tempo t, de los estados de conmutacón en un tempo t+1, esto en base a los resultados obtendos de la reduccón del error de la funcón costo de corrente. La etapa de control del convertdor de potenca consta de: - Modelado del sstema - Funcón de coste - Generacón Corrente de Referenca Modelado del sstema Identfca todos los posbles estados de conexón y su relacón con la entrada o salda de voltajes o correntes. El modelo se usa para predecr el comportamento futuro de las varables hasta un horzonte predefndo en el tempo (Rodríguez y Cortez, 01). Fgura. Sstema eléctrco para el modelamento Las ecuacones (1) y () representan el sstema modelado en tempo dscreto del crcuto de la Fgura, estas ecuacones permten calcular las varacones de corrente de un perodo de muestreo al sguente, en funcón de las tensones del sstema, nveles de tensón de capactores, sstema de carga y de los parámetros del nductor de acoplamento, en un tempo de muestreo Ts. L1 A[ k 1] T s 1 1 V V 1 [ k] DC1 AN L R T S A (1) [ k 1] B L T s V V 1 [ k] DC BN L R T S B () Funcón de Coste Las ecuacones (3) y (4), expresan el error cuadrátco medo global entre las correntes calculadas y sus referencas normalzadas al valor nomnal de la corrente efcaz del convertdor. Cada uno de los estados defndos son evaluados y aquellos que mnmzan el error a su mínma expresón, serán los más adecuados para segur la referenca de corrente Page 3 of 8

4 (Verne, 01). ( g [k 1] Aref [k 1] [k 1]) RMS A (3) ( g [k 1] Bref [k 1] [k 1]) RMS B (4) La mnmzacón de costo total, está en funcón de los nveles de tensón dc que se van a manejar por cada fase, para hallar dchos nveles se emplea la relacón: Nveles N 1 (5) Nveles () 1 5 Donde N es el número de etapas, obtenendo así un total de cnco nveles que serán dvddos de la manera: Vcd, Vcd, 0, -Vcd,-Vcd, estos nveles dependerán de los estados de conmutacón de los IGBT s de los nversores, como se ndca en la Tabla 1. Tabla 1. Estado de Conmutacón de los IGBT s de una fase (1=Actvo, 0=nactvo) Estados de los IGBT Nveles S1 S S3 S4 S5 S6 S7 S8 Vcd Vcd Vcd Vcd Generacón de la Corrente de Referenca El controlador necesta una referenca a la cual se debe adaptar. Mentras mejor sea la referenca mejor será la señal resultante. El sstema de referenca tene que ser adaptatvo a la carga. Para la generacón de la corrente de referenca ref de este sstema, se mde la I rms y V rms de la carga, establecendo un factor de proporconaldad k entre las dos magntudes. Se utlza la forma de onda del voltaje del sstema V ss para que la corrente generada se aproxme a una senodal. I k V rms rms (6) ref k(v ss )(1.41) (7) SIMULACIONES El sstema fue mplementado en la plataforma Smulnk de Matlab, se presenta el esquema en la Fgura 3. Para observar el comportamento de las correntes, y el tempo de establzacón del fltro. Una vez mejorado y establzado el sstema, durante las smulacones, se procedó a mplementarlo físcamente. Page 4 of 8

5 Fgura 3. Smulacón de Sstema Bfásco con control predctvo en Smulnk Los resultados de las smulacones del comportamento del sstema bfásco con carga no lneal, se observan en la Fgura 4, las correntes de la red se dstorsonan completamente debdo a la carga no lneal conectada, que es un sstema de rectfcacón de meda onda para la lustracón, por lo que las fases A y B presentan un porcentaje de THD de 43,85% y 43,94% respectvamente. a) b) Fgura 4. Smulacón del comportamento de las correntes del sstema sn fltrado. a) Fase A, b) Fase B Al momento de aplcar el fltro, como se puede ver en la Fgura 5, las formas de onda de corrente se corrgen tomando la forma de snusodal propa de la red. El THD de las fases A y B dsmnuyan consderablemente al 8,55% y 8.8% respectvamente. Page 5 of 8

6 a) b) Fgura 5. Smulacón del comportamento de las correntes del sstema con fltrado. a) Fase A, b) de la Fase B IMPLEMENTACION Y RESULTADOS Una vez verfcado el dseño del fltro en base a smulacones de las etapas de potenca y de control, se procede a su mplementacón para la posteror verfcacón de funconamento. Se construyeron cuatro puentes nversores con IGBT s de alta potenca, conectados cada uno al dspostvo almacenador de energía, que para este caso es de tpo capactvo y se acopla a la red a través de un nductor. Fgura 6. Etapa de Potenca del PAF En la Fgura 6 se muestra la etapa de potenca del fltro donde los capactores de 00uf / 400V están conectados a los módulos IGBT dspuestos sobre dspadores de calor. En lo que corresponde a la etapa de control del fltro, el algortmo esta mplementado en el FPGA de la tarjeta sbrio 964 de Natonal Instruments. El algortmo montado el FPGA comanda los ADC donde se nsertan las señales entregadas por los sensores de corrente y voltaje de efecto Hall. Por otro lado, controla las saldas dgtales que conmutan a los IGBT s. El algortmo fue mplementado en el FPGA, para ello su procedmento fue descrto en LabVIEW, donde se declaró las entradas y saldas del FPGA, así como el sstema prncpal del Page 6 of 8

7 algortmo de control. La confguracón del sbrio se lo hace drecto desde la plataforma de LabVIEW, para su complacón la tarjeta debe estar conectada a la PC, vía Ethernet. En la Fgura 7, se muestra el comportamento de las señales de corrente de una red bfásca, al momento de realzar las pruebas físcas de funconamento del fltro actvo de potenca. Estas pruebas fueron realzadas conectando cargas no lneales a la red bfásca. A la fase A se le conecto una carga no lneal como un foco ahorrador, que hoy en día son de gran uso en resdencas, esto no se pudo mplementar en la etapa de smulacón debdo a que Smulnk, no posee lbrerías que contengan estos dspostvos. A la Fase B, el sstema de carga no lneal es déntco a la smulacón, se mplemento un sstema de rectfcacón de meda onda. a) b) Fgura 7. Pruebas del comportamento de la corrente del sstema, a) sn mplementacón del fltro, b) con mplementacón del fltro. Como se observa en la Fgura 7a, al conectar cargas no lneales a la red las ondas de corrente de las dos fases se dstorsonan y el THD de corrente de la fase A y B es de 16.31% 48.8% mentras que al conectar el fltro las ondas de corrente de las dos fases se tornan mucho más snusodales (Fgura 7b). Se apreca que exste una aprecable correccón en la forma de onda y el THD de corrente en este caso para las fases A y B son de 3.9% y.8%, respectvamente. En la Tabla se observa una consderable dsmnucón de armóncos presentes en la red. Tabla. Resultados de medcones de THD, de pruebas con fltro y sn fltro. Correntes THD (sn fltro) THD (con fltro) Fase A 16.3% 3.9% Fase B 48.8%.8% Neutro 6.7% 5.4% Con respecto a la máxma potenca que puede soportar el sstema es de kw, además, la corrente que crcula por cada fase del fltro no debe exceder los 100A. CONCLUSIONES Es posble la mplementacón de sstemas PAF sobre sstemas bfáscos con la nclusón del conductor del neutro, además se puede garantzar que los sstemas vstos desde la almentacón posean factores de potenca cercanos a uno. Page 7 of 8

8 Se acopló el desarrollo tecnológco de los sstemas PAF, para soluconar el problema crecente de la contamnacón armónca del sector eléctrco resdencal. Medante un controlador predctvo se puede determnar el futuro en base a las muestras pasadas, logrando que la actvacón de los nversores del fltro se dé antes que las dstorsones afecten a los sstemas de potenca. Se demostró que el algortmo mplementado dsmnuye el nvel de armóncos, llevando al THD a valores dentro de la normatva de caldad. REFERENCIAS Bueno, H., Fajardo, M. (013). Dseño y construccón de fltro actvo para elmnar armóncos de una red bfásca resdencal. Ing. Thess, Unversdad Poltécnca Salesana (Ecuador). 110 págnas. Camacho, E., Bordons, C. (196). MODEL PREDICTIVE CONTROL. Second Edton. Lumbreras, M. (006). FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA PARA LA COMPENSACIÓN INSTANTÁNEA DE ARMÓNICOS Y ENERGÍA REACTIVA Ph.D. Thess, Unversdad Poltécnca de Catalunya (España), 50 págnas. Peréz, J. (00). MODELOS PREDICTIVOS BASADOS EN REDES NEURONALES EN TIEMPO DISCRETO. Ph.D. Thess. Unversdad de Alcante (España), 177 págnas. Rodrguez, J., Cortes, P. (01). PREDICTIVE CONTROL of Power Converters and Electrcal Drves, Frst Edton. Verne, S. (01). CONTROL PREDICTIVO DEL CONVERTIDOR MULTINIVEL CON ENCLAVAMIENTO POR DIODOS Y SUS APLICACIONES EN MEDIA TENSIÓN. Ph.D. Thess, Unversdad Naconal de La Plata (Argentna), 16 págnas. Vola, J., Quzhp, F. (013), Desarrollo de un Convertdor Electrónco Multnvel para Aplcacones de Compensacón de Potenca Reactva, Revsta Energía, Edcón 9, 013, Quto, pp Page 8 of 8