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Escuela Superior Politécnica del Litoral Tesina de Seminario de Graduación DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL CONTROL DE UN FILTRO ACTIVO DE POTENCIA PARALELO TRIFÁSICO Presentado Por: Alexis Yanira Muñoz Jadán Patricia Isabel Pasmay Bohórquez Previo a la obtención del Título INGENIERO EN ELECTRICIDAD ESPECIALIZACIÓN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 2012 Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación La principal causa deterioro de la calidad suministro eléctrico, constituye el incremento instalación de cargas lineales, tales como: del de lo de no Éstas cargas no lineales producen armónicos que pueden causar la distorsión de la señal de corriente o de voltaje de la red de suministro eléctrico. Lo cual causa daños o un malfuncionamiento de equipos eléctricos sensibles que se conectan a la red. Actualmente, los Filtros Activos de Potencia (FAP) Paralelo Trifásico se presentan como una alternativa de solución ante el problema de los armónicos de corriente. Diseño y simulación del control de un filtro activo de potencia paralelo trifásico para la compensación de armónicos de corriente. Seleccionar la topología y los parámetros del filtro activo de potencia paralelo trifásico. Diseñar la estrategia de control existente bajo diferentes condiciones de operación. Simular el filtro activo utilizando Matlab-Simulink, para la validación del control del sistema. Dispositivo basado en electrónica de potencia que inyecta armónicos de corriente en un punto de conexión común (PCC) con un desfase de 180º. PCC Fuente Carga No Lineal is il if Acondicionamiento de señal VDC Inversor Controlador Modulador Diagrama de bloques de un FAP Modelo General del filtro activo de potencia paralelo trifásico Formado por dos etapas: La etapa de potencia y la etapa de control. [V_Conv ] Vconv S_M G G Etapa de Potencia I_L+h [I_Lh] Is_abc [Is_abc] Generador de Pulsos Etapa de Potencia [V_DC] Vdc_ref [I_Filtro] [Is_abc] [I_Lh] [V_grid] [V_Conv] [V_DC] I_Filtro(A) Etapa de Control I_red(A) IL_Carga(A) 3 V_Grid(V) V_DC(V) [I_Filtro] I_Filtro 1 V_Conv(V) I_Filtro V_DC [V_DC] V_DC 3 V_grid [V_grid] Realiza la correcta compensación a la red, inyectando corriente en el punto PCC, esto lo logra mediante un sistema de control que garantiza que las corrientes inyectadas sigan la señal de referencia. PCC Fuente Carga No Lineal is il if Acondicionamiento de señal VDC Inversor Controlador Modulador El circuito lo constituye: Red Trifásica Inversor Enlace DC Impedancia de Enlace con la Red Modelo de Simulink de la Etapa de Potencia El suministro eléctrico red trifásica de 120[Vrms]. fase1 cos A s - + s - + s - + 2 wt w fase2 cos B 3 wt Vgrid V * Cos( wt ) w fase3 cos wt w 1 N C 4 Para la selección del voltaje se ha considerado lo siguiente: VDC Vgrid _ pp Sabiendo que: Vgrid _ pp 340[V pp ] El voltaje DC del filtro se obtuvo a partir de la ecuación: Van Vconv m Donde, VDC 2 Van 170[V p ] , voltaje de salida del convertidor. m 0.85 , índice de modulación. Con estos valores obtenemos que : VDC 400[V ] Es un inversor alimentado por voltaje (Voltage Source Inverter, VSI), de cuatro ramales e interruptores controlados por un generador de pulsos. Modulación por Ancho de Pulso Sinusoidal, SPWM (Sinusoidal, Pulse Width Modulation) Portadora Ciclo de Trabajo Señal Portadora m 1 G Comparador de señal modulante con la señal portadora 1 Va >= NOT Vb >= NOT Vc >= NOT >= NOT S_M Esta técnica consiste en generar pulsos de frecuencia determinados y hacer variar el ciclo de trabajo. 0 Vn Señales de Disparo 1 Vsin,-Vsin,Vtri (a) 0.5 0 El propósito de utilizar la técnica SPWM, es debido a que la señal de corriente generada por el filtro se ajusta de mejor manera a los armónicos que generan la cargas no lineales, permitiendo así su compensación. -0.5 -1 1 Pulsos Vsin>Vtri (b) 0.5 0 (c) Pulsos Vsin>Vtri 1 0.5 0 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 Time (sec) 0.06 0.062 0.064 0.066 (a) Gráfico de la señal modulante Vsin y la portadora Vtri. , (b) Diferencia entre Vsin y Vtri, (c) Diferencia entre -Vsin y Vtri ZC_C RLc 3 ZC_B Es el filtro inductivo que se coloca entre el inversor alimentado por voltaje (VSI) y la red de distribución de suministro. 4 RLb 2 ZC_A 1 ZR_C ZR_B 5 RLa ZR_A 6 La inductancia fue escogida bajo el criterio [1] L Van 0.5VDC 4f s Donde, es la amplitud de la señal portadora. fs=40[KHz], es la frecuencia de conmutación del inversor. Van Voltaje de Salida del Convertidor VDC Voltaje de referencia de almacenamiento del capacitor. Valor de a la inductancia: L 2.3125[mH ] Fija voltaje en el Enlace DC limitando sus variaciones y provee energía durante los transientes. Para encontrar el capacitor, partimos de la ecuación del voltaje del capacitor Vmax 1 C min t2 ic(t )dt t1 Donde al despejar el capacitor tenemos que: C min 1 Vmax t2 ic(t )dt t1 El capacitor fue hallado de manera gráfica, y sabiendo que la integral de una función, es igual al área bajo la curva, tenemos que: Cmin 1 b*h Vmax Donde, La base (b), es igual al tiempo de carga. La altura (h), es igual a la amplitud de la corriente del capacitor y V es igual al 1% del Vdc ISource 250 . 200 150 100 50 0 0.4782 0.4782 0.4782 0.4782 0.4782 0.4782 0.4783 Time (sec) 0.4783 0.4783 0.4783 0.4783 Gráfica de la corriente del capacitor. Aplicando la fórmula final y mediante el análisis de la gráfica tenemos que: C 520.78[uF ] La compensación de armónicos de corriente se logra, inyectando igual pero opuestos componentes armónicos de corriente de la carga en el PCC, cancelando así la distorsión original. De lo cual se obtiene que: i f i Lh PCC Fuente i L i L 60 i Lh Carga No Lineal is il if Acondicionamiento de señal is i f iL is i Lh i L 60 i Lh is iL 60 VDC Inversor Controlador Modulador Generador de corriente de referencia Lazo de control de corriente Lazo de control de tensión DC Continuous powergui I_Filtro [I_Filtro] [I_Lh] I_Lh IF_h_Ref Generador de Corriente de Referencia [Theta] PLL IF IL_h_ref m S_M G G Ic_ref Controlador de Corriente Generador de Pulsos Etapa de P V_dc [V_DC] Vdc_ref Vdc_ref Ic_ref [I_Filtro] [Is_abc] Controlador de Voltaje [I_Lh] [V_grid] I_Filtro(A) I_red(A) IL_Carga(A) V_Grid(V) C ontinuous powergui I_Filtro [I_Filtro] [I_Lh] I_Lh IF_h_Ref Generador de Corriente de Referencia [Theta] PLL IF IL_h_ref [V_Conv ] Vconv m Ic_ref Controlador de Corriente S_M G G [I_Lh] I_L+h La corriente de [Is_abc] referencia se Is_abc Generador de Pulsos obtiene mediante el filtro Notch. Etapa de Potencia V_dc [V_DC] Vdc_ref Vdc_ref Ic_ref Controlador de Voltaje I_L+h_a [I_Filtro] Referencia Real_ I_Filtro(A) [Is_abc] I_red(A) [I_Lh] IL_Carga(A) FPB [V_grid] [V_Conv] 1 I_Lh I_L+h_b I_L+h_c [V_DC] Filtro Notch 3 I_h_a 1 FPB V_DC [V_DC] Selector V_DC V_Conv(V) V_DC(V) [I_Filtro] I_Filtro V_Grid(V) FPB I_Filtro I_h_b I_h_abc 3 V_grid [V_grid] V_grid I_h_c If_h_ref_ideal I_h_abc_ideal Bloque de referencia Ideal 1 IF_h_Ref Permite el paso de todas las señales, excepto la designada. Permite seguir la señal de referencia de la corriente que va a compensar los armónicos de la carga. (a) (b) Bloque de medidas (c) Lazo de Corriente [T heta] Theta IF_d dq0 1 (a) IF IF abc IF_dq IF_q IF_0 [IF_d] [IF_q] 3 Ic_ref Ic_ref [IF_0] (b) abc/dq0 Bloque de medidas Gcif If _h_d_Ref [Theta] Theta IF_d dq0 1 IF IF [T heta] abc IF_dq Theta dq0 abc/dq0 abc 2 IL_h_ref IF_q IF_0 IL_h_dq IL_h_dq [Vconv_d_Ref] (c) [Vconv_q_Ref] Lazo de Corriente [IF_h_d_Ref] Bloque de Referencia [Vconv_d_Ref] [Vconv_0_Ref] [IF_d] [IF_q] 3 [IF_d] Ic_ref Ic_ref IF_d XL [IF_h_d_Ref] [IF_0] [IF_h_q_Ref] Gcif If _h_d_Ref [Vconv_d_Ref] [IF_h_0_Ref] IL_h [IF_h_q_Ref] [IF_h_d_Ref] abc/dq01 If _q_d_Ref [Vconv_q_Ref] Gcif [IF_d] Visu [Vco [Vco [Vco [IF_h_d_Ref] Bloque de Referencia [IF_q] [IF_d] [T heta] Theta] _h_ref IL_h abc XL [IF_h_q_Ref] IL_h_dq IL_h_dq [IF_h_q_Ref] [IF_h_0_Ref] If _h_d_Ref Gcif [IF_h_0_Ref] abc/dq01 [IF_q] XL [IF_h_d_Ref] Theta PLL dq0 2 IF_q IF_d [Vconv_0_Ref] [IF_0] [IF_h_0_Ref] [IF_h_q_Ref] [IF_0] [IF_q] [Theta] If _q_d_Ref IF_0 IF_q Gcif [Vconv_q_Ref] [I [IF_ [I XL [IF_ PLL [IF_h_0_Ref] If _h_d_Ref Gcif [Vconv_0_Ref] [I [IF_ [IF_0] IF_0 (c) Señal Moduladora [T heta] [Vconv_d_Ref] Theta [Vconv_d_Ref] [Vconv_q_Ref] [Vconv_0_Ref] abc dq0 1/Vdc m dq0/abc m_Sat Visualización entre señal de referencia y la planta [Vconv_q_Ref] [IF_d] [IF_h_d_Ref] IF_d(A), If _h_d_ref (A) [IF_q] [IF_h_q_Ref] [Vconv_0_Ref] IF_q(A), If _h_q_ref (A) [IF_0] [IF_h_0_Ref] IF_0(A), If _h_0_ref (A) m 1 Función de Transferencia de la Planta. Gp ( s) Id ( s) 1 Vd ( s) LS R Utilizando la técnica del factor K: El controlador de corriente tiene la siguiente función de transferencia. Gc ( s ) 58 .12 s 3.9275 e5 1.069 e - 5s 2 s Se debe suministrar al inversor potencia activa necesaria para mantener el voltaje DC constante y suplir las pérdidas de conmutación 2 u2 cap/2 -Gcvf Vdc_ref 1 1 Ic_ref u2 cap/2 V_dc Función de Transferencia de la Planta. E DC ( s ) 3 Vgrid Gpv I fd ( s ) 2 s Utilizando la técnica del factor K: El controlador de corriente tiene la siguiente función de transferencia. Gcvf 0.2464 s 4.148 0.004265s 2 s El análisis de los sags y swells, fue basado en casos extremos, donde sus parámetros fueron determinados en base a la información [15], la cual se presenta en la tabla II. Categoría Momentáneo Instantáneo Temporal Sag 0.1-0.9 pu, 0.5-30 ciclos 0.1-0.9 pu, 30 ciclos-3s 0.1-0.9 pu, 3s-1min Swell 1.1-1.8pu, 0.5-30 ciclos 1.1-1.4pu, 30 ciclos-3s 1.1-1.2pu, 3s-1min V_Grid(V) 200 100 0 -100 -200 V_Conv(V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 V_DC(V) 401 400 399 398 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 Time (sec) 0.22 0.225 0.23 0.235 Voltaje de la red, convertidor y del capacitor respectivamente ante la variación del sag al 10%. I_Filtro(A) 5 0 -5 I_red(A) 20 10 0 -10 -20 IL_Carga(A) 20 10 0 -10 -20 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 Time (sec) 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 Corriente del FAP, la red y la carga respectivamente ante la variación del sag al 10%. V_Grid(V) 200 100 0 -100 -200 V_Conv(V) 200 100 0 -100 -200 V_DC(V) 403 402 401 400 399 398 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 Time (sec) 0.22 0.225 0.23 0.235 Voltaje de la red, convertidor y del capacitor respectivamente ante la variación del sag al 90%. I_Filtro(A) 15 10 5 0 -5 -10 I_red(A) 30 20 10 0 -10 -20 -30 IL_Carga(A) 20 10 0 -10 -20 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 Time (sec) 0.215 0.22 0.225 0.23 Corriente del FAP, la red y la carga respectivamente ante la variación del sag al 90%. 0.235 V_Grid(V) 200 100 0 -100 -200 V_Conv(V) 200 100 0 -100 -200 V_DC(V) 401 400 399 398 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 Time (sec) 0.22 0.225 0.23 0.235 Voltaje de la red, convertidor y del capacitor respectivamente ante la variación del swell al 5% I_Filtro(A) 5 0 -5 I_red(A) 20 10 0 -10 -20 IL_Carga(A) 20 10 0 -10 -20 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 Time (sec) 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 Corriente del FAP, la red y la carga respectivamente ante la variación del swell al 5% V_Grid(V) 200 100 0 -100 -200 V_Conv(V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 V_DC(V) 406 404 402 400 398 396 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 Time (sec) 0.22 0.225 0.23 0.235 Voltaje de la red, convertidor y del capacitor respectivamente ante la variación del swell al1 5% I_Filtro(A) 20 10 0 -10 -20 I_red(A) 20 0 -20 IL_Carga(A) 20 10 0 -10 -20 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 Time (sec) 0.215 0.22 0.225 0.23 Corriente del FAP, la red y la carga respectivamente ante la variación del swell al 15% 0.235 Tabla III Análisis Comparativo Amplitud 3er Armónico 5to Armónico Filtro Notch Bloque Referencia Ideal Ired[A] 23% Ired 11% Ired THDi(%) THDi (%) 5 1.15 0.55 2.16 0.95 10 2.3 1.1 1.67 0.95 15 3.45 1.65 1.55 0.76 20 4.6 2.2 1.52 0.68 25 5.75 2.75 1.50 0.65 30 6.9 3.3 1.51 0.87 35 8.05 3.85 2.99 3.17 40 9.2 4.4 6.19 6.19 45 10.35 4.95 8.83 9.45 50 11.25 5.5 11.50 12.00 3.94% 3.567% PROMEDIO I_Filtro(A) 1 0.5 0 -0.5 -1 I_red(A) 40 20 0 -20 -40 IL_Carga(A) 40 20 0 -20 -40 0.2 0.202 0.204 0.206 0.208 0.21 Time (sec) 0.212 0.214 0.216 Corriente del FAP, la red y la carga respectivamente sin FAP 0.218 0.22 Ired (A) 20 0 -20 0.2 0.21 0.22 0.23 Time (s) 0.24 FFT Ired Ired (60Hz) = 35 , THD= 25.50% Mag (% of Fundamental) 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz) Análisis FFT 300 350 400 I_Filtro(A) 20 10 0 -10 -20 I_red(A) 40 20 0 -20 -40 IL_Carga(A) 40 20 0 -20 -40 0.2 0.202 0.204 0.206 0.208 0.21 Time (sec) 0.212 0.214 0.216 Corriente del FAP, la red y la carga respectivamente 0.218 0.22 Ired (A) 20 0 -20 0.2 0.21 0.22 0.23 Time (s) 0.24 Mag (% of Fundamental) FFT Ired Ired (60Hz) = 34.97 , THD= 3.29% 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz) Análisis FFT 300 350 400 V_Grid(V) 100 0 -100 200 100 0 -100 V_DC(V) 400.5 400 399.5 399 398.5 398 0.216 0.218 0.22 0.222 0.224 0.226 Time (sec) 0.228 0.23 0.232 Voltaje de la red, convertidor y voltaje DC respectivamente. 0.234 I_Filtro(A) 15 10 5 0 -5 -10 -15 I_red(A) 15 10 5 0 -5 -10 -15 IL_Carga(A) 10 5 0 -5 -10 0.216 0.218 0.22 0.222 0.224 0.226 Time (sec) 0.228 0.23 0.232 Corriente del filtro, de la red y de la carga, respectivamente 0.234 IF_d(A), If_h_d_ref(A) 2 0 -2 -4 IF_q(A), If_h_q_ref(A) 5 0 -5 -10 -15 IF_0(A), If_h_0_ref(A) 3 2 1 0 -1 -2 -3 0.216 0.218 0.22 0.222 0.224 0.226 Time (sec) 0.228 0.23 0.232 Corrientes de referencia y reales, en el eje d.q.0, respectivamente 0.234 1. Los armónicos de corriente provenientes de las cargas no lineales fueron compensadas y es el resultado del uso del FAP paralelo trifásico. Esto lo verificamos al medir el THDi, donde su valor utilizando el filtro Notch, THDi=3.94% y con el bloque de referencia ideal, THDi=3.567%; se encuentran dentro del rango que permite la norma IEEE-519. 2. Ante un sag del 10% y 90%, con el uso del FAP paralelo trifásico, se comprobó mediante la simulación, que la corriente de la red en ambos casos, no presenta distorsión alguna. 3. Ante un swell del 5%, con el uso del FAP paralelo trifásico, se comprobó mediante la simulación que la corriente de la red no presenta distorsión alguna. 4. El FAP paralelo trifásico puede compensar corriente de hasta 50[A], como se verifica en la tabla de resultados, de la tabla III, mayor a eso, la corriente de la red, presentará distorsión. 5. El dimensionamiento de los componentes, tanto el capacitor como el inductor en el enlace DC y enlace de la red respectivamente, cumple con las especificaciones para los cuales se seleccionaron. 1. Para poder atenuar los armónicos de baja frecuencia como el tercer y quinto armónico, el ancho de banda del controlador de voltaje debe ser menor a la frecuencia del armónico más bajo y a partir de ese valor se realizan pruebas que determinarán si es el adecuado, en caso de no serlo, se debe bajar dicha frecuencia una década. En nuestro proyecto el ancho de banda final del controlador de voltaje escogido fue de 10[Hz]. 2. Para un mejor seguimiento de las señales de referencias a ser inyectadas, se recomienda utilizar otros métodos más avanzados, de los cuales se obtendrá de manera más precisa dichas señales de referencia para el buen filtrado de armónicos en la red. 3. Para atenuar los armónicos de orden alto se requiere un mayor ancho de banda en el controlador de corriente, como en nuestro caso el ancho de banda utilizado es de 4000[HZ], se pudo filtrar armónicos de tercer y quinto orden. 4. En caso de una implementación del trabajo presentado, es importante tener en cuenta otros factores, como el dimensionamiento de las redes snubber para protección de los tiristores, los disipadores de calor para evitar sobrecalentamiento del equipo, el tipo de tiristor ya que deben ser capaces de trabajar en las condiciones establecidas por el proyecto, las impedancias de la red y del convertidor entre otros factores. [1] Joharm Farith Petit Suárez, “Topologías y algoritmos de control para filtros activados aplicados a la mejora de la calidad del suministro eléctrico”, Phd. Disertation, Dept Ing. Eléc, Univ. Carlos III de Madrid, 2005. [2] Juan José Mora Flores UDG: Calidad del servicio eléctrico-Power Quality-. 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