Compensación de armónicos con un filtro activo de potencia

Los armónicos son una consecuencia de la electrónica moderna. Se deben al uso de cargas no lineales que demandan del consumo de energía introduciendo perturbaciones en el sistema eléctrico. Representan una de las causas que afecta la calidad de la energía porque distorsiona la forma de onda sinusoidal de las señales de voltaje y corriente. Además, producen efectos indeseados tanto al sistema como a los usuarios conectados. Los principales efectos en el sistema son: desequilibrios entre las fases y el conductor de neutro, calentamiento en conductores, anomalías en las protecciones, efectos secundarios en transformadores y condensadores. A nivel de usuario, el problema es el mal comportamiento y la disminución de la vida útil de las cargas conectadas. Debido al uso cada vez más frecuente de las cargas no lineales, la presencia de armónicos es un problema que ha tomado gran importancia en nuestro medio. El grupo de Investigación en Electrónica de Potencia de la Universidad Tecnológica de Pereira viene trabajando desde tiempo atrás en el estudio de Los problemas que afectan la calidad de la energía. La presencia de armónicos y sus efectos es el tema de interés planteado en este proyecto de investigación. El objetivo es diseñar y construir un prototipo que mejore lacalidad de la energía en los sistemas eléctricos, y que se convierta en una alternativa para las industrias y demás usuarios que requieran compensar los armónicos que inyectan a la red. Después de una introducción general a los filtros activos de potencia en el capitulo 1, se habla acerca del hardware diseñado en el capitulo 2: componentes, características, circuitos impresos, fotografías y aspectos generales del montaje. En el capitulo 3 se describen las simulaciones realizadas y en el capitulo 4, se muestran los resultados experimentales obtenidos para la teoría decompensación de armónicos y la técnica de control de corriente implementadas en el controlador

Compensación de armónicos con un filtro activo de potencia

Los armónicos son una consecuencia de la electrónica moderna. Se deben al uso de cargas no lineales que demandan del consumo de energía introduciendo perturbaciones en el sistema eléctrico. Representan una de las causas que afecta la calidad de la energía porque distorsiona la forma de onda sinusoidal de las señales de voltaje y corriente. Además, producen efectos indeseados tanto al sistema como a los usuarios conectados. Los principales efectos en el sistema son: desequilibrios entre las fases y el conductor de neutro, calentamiento en conductores, anomalías en las protecciones, efectos secundarios en transformadores y condensadores. A nivel de usuario, el problema es el mal comportamiento y la disminución de la vida útil de las cargas conectadas. Debido al uso cada vez más frecuente de las cargas no lineales, la presencia de armónicos es un problema que ha tomado gran importancia en nuestro medio. El grupo de Investigación en Electrónica de Potencia de la Universidad Tecnológica de Pereira viene trabajando desde tiempo atrás en el estudio de Los problemas que afectan la calidad de la energía. La presencia de armónicos y sus efectos es el tema de interés planteado en este proyecto de investigación. El objetivo es diseñar y construir un prototipo que mejore lacalidad de la energía en los sistemas eléctricos, y que se convierta en una alternativa para las industrias y demás usuarios que requieran compensar los armónicos que inyectan a la red. Después de una introducción general a los filtros activos de potencia en el capitulo 1, se habla acerca del hardware diseñado en el capitulo 2: componentes, características, circuitos impresos, fotografías y aspectos generales del montaje. En el capitulo 3 se describen las simulaciones realizadas y en el capitulo 4, se muestran los resultados experimentales obtenidos para la teoría decompensación de armónicos y la técnica de control de corriente implementadas en el controlador

Regulatori struje aktivnih filtara snage za poboljšanje kvalitete snage: Tehnička analiza

Non-linear load deteriorates the quality of current waveforms at the point of common coupling of various consumers. Active power filter (APFs) is used to mitigate the most concern harmonic pollution in an electrical network. The controller part is the nucleus of an active power filter configuration. Active power filter performance is affected significantly by the selection of current control techniques. The active filter and its current control must have the capability to track sudden slope variations in the current reference to compensate the distorted current drawn by the voltage source inverter. Therefore, the choice and implementation of the current regulator is more important for the achievement of a satisfactory performance level. In this survey, technical reviews of various types of controllers covering a wide range have been presented. This work also reveals the advantages and disadvantages of the practiced control strategies. The effectiveness of the study will help the researchers to choose the proper control methods for various applicationsof active power filter.Nelinearni tereti pogoršavaju kvalitetu strujnih valova u točki u kojoj se spaja više potrošača. Aktivni filtar snage se koristi za ublažavanje najvažnijeg harmoničkog onečišćenja strujne mreže. Jezgra aktivnog filtra snage je regulator. Na performanse aktivnog filtra snage značajno utječe odabir upravljačke tehnike. Aktivni filtar i njegova tehnika upravljanja strujom moraju imati mogućnost pratiti nagle skokove u referentnoj vrijednosti struje kako bi mogli kompenzirati izobličenja struje koju vuče inverter naponskog izvora. Zato su izbor i implementacija regulatora struje iznimno važni za postizanje zadovoljavajuće razine performansi. U ovom pregledu su predstavljene tehničke recenzije koje pokrivaju širok raspon regulatora. Ovaj rad također otkriva prednosti i mane korištenih strategija upravljanja. Efektivnost ovog pregleda pomoći će istraživačima da izaberu ispravnu metodu upravljanja za različite aplikacije aktivnog filtra snage

Comparative analysis of predictive current control of VSI converters in the connection of renewable energy sources to the power grid

Este artículo analiza el desempeño del control de corriente predictivo en la operación de inversores fuente de voltaje o Voltage Source Inverter (VSI), que sirven de elemento de conexión de energías renovables a la red eléctrica. El VSI es comúnmente utilizado para convertir señales de corriente continua, obtenidas a partir de fuentes renovables o de sistemas de acumulación, en señales de corriente alterna de amplitud y frecuencia constantes. Con este propósito, se implementa una estrategia que define la secuencia de conmutación de los semiconductores de potencia del convertidor conocida como técnica PWM. Además, se requiere realizar el control de la corriente que se inyecta a la red requiriendo un algoritmo de control adicional, que actúa en conjunto con la técnica PWM. El principal aporte del artículo consiste en demostrar que el control de corriente predictivo presenta mejores características en comparación con el control orientado de corriente, que es la estrategia más conocida. Inicialmente, se analizan las técnicas PWM convencionales y luego, se realiza la formulación de las técnicas de control de corriente. El control predictivo minimiza el error futuro de la corriente definiendo el mejor estado de conmutación en cada período. Las dos técnicas de control de corriente presentan buenos resultados. Pero sobresale el control predictivo por su simplicidad, fácil implementación, bajo contenido armónico y menor tiempo de respuesta.This paper analyzes the performance of the predictive current control technique in the operation of Voltage Source Inverters (VSI) used to connect renewable resources to the power grid. VSIs are commonly used to convert DC power from renewable energy sources, such as energy storage units, solar power plants and fuel cells, to AC power with constant magnitude and frequency. For this purpose, a strategy known as PWM was implemented to determine the switching sequence of the converter’s power semiconductors. In addition, the current being injected into the grid must be controlled; thus, an additional control algorithm was required to operate in conjunction with the PWM technique. The main contribution of this paper is demonstrating that predictive current control presents better characteristics than current-oriented control, the most widely used strategy. The first section analyzes conventional PWM techniques and, in the second part, current control techniques are formulated. Predictive control minimizes the future error of the current by defining the best switching state in each period. The two current control techniques present good performance. However, predictive control is preferable due to its simplicity, easy implementation, low harmonic content, as well as reduced response time

A comparative study of hysteresis band PWM techniques for current control in shunt active power filters

El presente artículo evalúa el desempeño de un filtro activo empleando tres diferentes técnicas de control de corriente de banda de histéresis: banda fija, banda adaptativa y con modulación por vector espacial. En la comparación se estudian las características de cada técnica y mediante simulación se evalúa su desempeño y operación. En todos los casos se emplea la teoría pq para el cálculo de las corrientes de referencia y se emplea un controlador proporcional para regular la tensión del bus de continua. De acuerdo con los resultados, las técnicas PWM evaluadas permiten una reducción del contenido armónico de la corriente de la red de alimentación de 31 % sin compensación, a un 6 %, considerando el filtro activo de potencia. La técnica de banda adaptativa de histéresis presenta el más bajo desempeño en la reducción de armónicos en las corrientes de la red. Además, se tiene que el método de banda fija de histéresis es el más recomendado para aplicaciones de filtros paralelo debido a que posee una estructura más simple que permite su implementación. Los resultados tambien muestran que la técnica de banda adaptativa de histéresis es la que presenta mayor reducción en las variaciones de la frecuencia de conmutación, requiriendo mayor número de operaciones, ya que requiere calcular el ancho de banda en cada iteración. Mientras que la técnica de modulación por vector espacial y banda de histéresis presenta frecuencias de conmutación altamente variables y mayor complejidad en su implementación.This paper evaluates the performance of an active power filter using three hysteresis band current control techniques: fixed-band, adaptive-band, and Space Vector Modulation. The characteristics of each method, along with their behaviour under different operating conditions, are studied by means of time domain simulations. The pq theory is used in all the cases to calculate the current reference, and a proportional controller is implemented to regulate the voltage in the dc bus. Based on the results, the PWM techniques evaluated in this work enable a reduction in the harmonic content of the supply grid currents that ranges from 31% without compensation to 6% after the active power filter is connected. The adaptive hysteresis band method exhibited the worst performance in the elimination of harmonics in grid currents; furthermore, it presented the largest reduction of variations in the switching frequency and requires more calculation time because the band width must be computed at each iteration. In turn, the fixed hysteresis band alternative is the most widely recommended for applications that involve parallel filters because it has a simpler structure that enables its implementation. Finally, the technique that combines space vector modulation and hysteresis band current control produced highly-variable switching frequencies and a more complex implementation

Prototipo para la compensación de armónicos en sistemas trifásicos

Context: The traditional methodology for the control of harmonics consists in the use of passive filters tuned to the harmonic components to be eliminated. Passive filters require a frequency-demanding design to avoid resonance phenomena with other elements and they not respond to changes in the dynamics of the electric power system.Method: A best-performing solution alternative is parallel power active filters. These filters, unlike passive filters, inject compensation currents into the network and have adaptation  to changes in operating conditions. The implementation of an active filter involves hardware development but also software development. Algorithms are required for calculation of compensation currents and dc bus voltage control.Results: In this work a prototype for the harmonic compensation of 5kVA is designed and built in three phase distribution systems of 220V. The hardware fundamental elements are: coupling coil, capacitor, semiconductor devices and controller. The control algorithms that are responsible for the operation of the active filter at each instant of time are PQ theory, Linear Control-PWM and PI Control.Conclusions: The active power filters are a solution to the presence of harmonics in power systems. They compensate the harmonics generated by nonlinear loads and they don‘t have resonance problems and good dynamic response.Contexto: La metodología tradicional para el control de armónicos consiste en el uso de filtros pasivos sintonizados a las componentes armónicas a eliminar. Los filtros pasivos requieren de un diseño exigente en frecuencia para evitar fenómenos de resonancia con otros elementos y no responden a cambios en la dinámica del sistema eléctrico de potencia.Método: Una alternativa de solución de mejores características son los filtros activos de potencia paralelos. Estos filtros a diferencia de los filtros pasivos, inyectan corrientes de compensación a la red y tienen la capacidad de adaptarse a los cambios en las condiciones de operación. La implementación de un filtro activo implica desarrollo de hardware pero también desarrollo de software. Se requieren algoritmos para el cálculo de las corrientes de compensación, control de corriente y de la tensión del bus de continua.Resultados: En este trabajo se diseña y construye un prototipo para la compensación de armónicos de 5kVA en sistemas de distribución trifásica de 220V. Los elementos fundamentales que constituyen el hardware son: bobina de acople, condensador, dispositivos semiconductores y controlador. Los algoritmos de control que se encargan de la operación del filtro activo en cada instante de tiempo son Teoría PQ, Control Lineal-PWM y control PI.Conclusiones: Los filtros activos de potencia son una solución a la presencia de armónicos en los  sistemas de potencia. Compensan los armónicos generados por las cargas, no presentan problemas de resonancia y tienen respuesta dinámica

Control predictivo de frecuencia cuasi-constante del convertidor versátil Buck-boost para aplicaciones fotovoltaicas

154 p.En este proyecto de investigación se estudia el problema de la obtención de la máxima potencia de un módulo fotovoltaico con dos diodos de bypass. En este contexto, existen dos posibles puntos de máxima potencia. Uno de ellos se presenta cuando un diodo bypass es activado por una condición de sombra, limitando la potencia aproximadamente a la mitad y ubicando el punto de potencia máxima aproximadamente a la mitad de la tensión nominal. El otro punto de operación indica ausencia de sombreado, y el panel opera a máxima potencia y voltaje nominal. La ley de control se caracteriza por un doble lazo, un lazo interno de corriente y un lazo externo de tensión. El controlador de corriente propuesto se basó en la estrategia de control predictivo de estados finitos basado en modelo. El segundo corresponde a un lazo externo de tensión de tipo proporcional-integral. El algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (Maximum Power Point Tracking (MPPT)) seleccionado fue una técnica clásica simple de perturbar y observar ya que la principal aportación de este trabajo de tesis se enfoca en el lazo interno de corriente. La característica principal del lazo interno es que en estado estacionario tiene la capacidad de establecer una frecuencia de conmutación cuasi-constante de 100 kHz. Para ello, el algoritmo posee tres estados de conmutación posibles (estado buck, estado boost y estado común para ambos modos) y dos modos de operación (modo buck y boost). El modo buck corresponde a un modo de operación en que el algoritmo alterna entre el estado buck y el estado común cuando el panel opera en ausencia de sombra. Por otro lado, el modo boost corresponde al modo de operación en que el algoritmo alterna entre el estado boost y el estado común cuando el panel se encuentra en presencia de sombra. Luego de decidir el modo de operación, el algoritmo establece el tipo de control de corriente (peak o valle) para definir el tiempo de permanencia en cada estado. Finalmente, el algoritmo calcula también el tiempo necesario que debe permanecer en el estado complementario para mantener la frecuencia cuasi-constante. El controlador se implementó en un convertidor conmutado DC-DC buck-boost no inversor con inductores acoplados y red de amortiguamiento debido a sus diferentes ventajas: alto nivel de eficiencia, ancho de banda amplio, posibilidad de controlar corriente de entrada, corriente de salida, voltaje de entrada o voltaje de salida, y operar en modo buck o boost de manera independiente, entre otras. En adelante, se hará mención a este convertidor como convertidor versátil buck-boost. Las ventajas y características previamente establecidas hacen al convertidor versátil buck-boost adecuado para una aplicación fotovoltaica particular que requiera una operación de elevación o reducción de voltaje. El sistema de estudio consiste en un panel solar, un convertidor DC-DC y una batería. El panel solar (del sistema panel fotovoltaico - convertidor DC-DC- batería) ha sido emulado a través de una fuente de tensión variable, mediante la cual se han programado tanto la curva característica I-V como condiciones de sombreado parcial. El desarrollo del proyecto comprende simulación y experimentación. El software utilizado es PSIM, el cual está diseñado específicamente para aplicaciones de electrónica de potencia. A continuación, se presenta una descripción de los capítulos de esta memoria. En el Capítulo 1 se desarrolla una descripción de la problemática abordada, se presenta un estado del arte de los convertidores DC-DC clásicos en conjunto con el convertidor versátil buck boost y se establecen los objetivos, alcances, limitaciones y metodología de trabajo. En el Capítulo 2 se desarrolla un estudio de algoritmos MPPT clásicos de la literatura tales como perturbar y observar, conductancia incremental, voltaje fraccionario de circuito abierto y corriente fraccionaria de cortocircuito. En el Capítulo 3, se establece el diseño del controlador propuesto. Inicialmente, se lleva a cabo un análisis del principio de funcionamiento del control predictivo de estados finitos basado en modelo (Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC)). Luego, se implementan dos sistemas MPPT con una estrategia de control multilazo. El primero utiliza en el lazo externo de tensión un controlador PI, mientras que el controlador del lazo interno de corriente es un control FCS-MPC clásico. El segundo sistema utiliza un controlador PI para el lazo externo de tensión, mientras que en el lazo interno de corriente se implementa el controlador FCS-MPC desarrollado en este proyecto. En el Capítulo 4 se exponen los resultados de simulación y experimentales tanto para el controlador FCS-MPC clásico como para el controlador FCS-MPC a frecuencia cuasi-constante. Como primera etapa, se evalúa el funcionamiento del lazo interno de corriente fijando voltajes constantes de entrada y salida del convertidor, verificando así el seguimiento de diferentes referencias de corriente a una frecuencia cuasi-estacionaria de 100 kHz. Como segunda etapa, evalúa el funcionamiento del lazo externo de tensión, reemplazando la fuente de voltaje DC a la entrada del convertidor por un panel solar y verificando el seguimiento de referencias de tensión constantes. Como tercera etapa y final, se integra el algoritmo MPPT para verificar el seguimiento del máximo punto de potencia del panel solar con activación y desactivación del diodo de derivación al programar una condición de sombreado parcial. Los resultados experimentales obtenidos se han contrastado con simulaciones realizadas mediante el software de simulación de PSIM, obteniendo resultados satisfactorios tanto para estado estacionario como estado transitorio. Finalmente, se establecen conclusiones pertinentes al trabajo desarrollado en la presente memoria de título. Este proyecto se realizó en las instalaciones del Laboratorio de Aplicaciones en Redes Inteligentes (LARI) en el área de aplicaciones en corriente continua en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Talca. Este trabajo fue apoyado por el Gobierno de Chile en el marco del Proyecto CONICYT/FONDECYT 1191680 y SERC Chile (CONICYT/FONDAP/15110019). El proyecto contó con la colaboración del Dr. Carlos Restrepo (Director del proyecto), quien es profesor titular del departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Talca, Duberney Murillo Yarce, estudiante de doctorado de la Universidad de Talca y el Dr. Roberto Giral, profesor titular en el Departamento de Ingeniería Electrónica, Eléctrica y Automática de la Universidad Rovira i Virgili, quien en su estancia en Chile contribuyó enormemente con el desarrollo conceptual y teórico del algoritmo de control

A Review of Control Techniques in Photovoltaic Systems

Complex control structures are required for the operation of photovoltaic electrical energy systems. In this paper, a general review of the controllers used for photovoltaic systems is presented. This review is based on the most recent papers presented in the literature. The control architectures considered are complex hybrid systems that combine classical and modern techniques, such as artificial intelligence and statistical models. The main contribution of this paper is the synthesis of a generalized control structure and the identification of the latest trends. The main findings are summarized in the development of increasingly robust controllers for operation with improved efficiency, power quality, stability, safety, and economics

Control de velocidad mediante relación voltajefrecuencia

Se presenta la aplicación de un control digital utilizando un DSP, para controlar la velocidad de un motor de inducción trifásico en lazo cerrado mediante la técnica de control voltaje-frecuencia. También se presenta un panorama general de las técnicas1 de control escalar y vectorial, analizando en detalle la técnica escalar voltaje-frecuencia