Aportaciones a los acondicionadores activos de corriente en derivación para redes trifásicas de cuatro hilos

Abstract

Este trabajo se dedica a la búsqueda de soluciones que permitan mejorar el comportamiento de los filtros activos de potencia en derivación que trabajan en redes trifásicas de cuatro hilos, incluso cuando se den condiciones adversas en las tensiones suministradas por la red, o en las corrientes solicitadas por la carga.<br/><br/>El cálculo de la potencia instantánea en condiciones no sinusoidales constituye la base fundamental del análisis de los acondicionadores de potencia. A día de hoy no existe una teoría universal que unifique el cálculo de las componentes de la potencia instantánea y de la corriente. En este trabajo se realiza un estudio detallado en este campo, evidenciando la relación entre las diferente teorías convencionales, y proponiendo una nueva formulación que ofrece un mayor significado físico a las componentes de potencia y de corriente resultantes.<br/><br/>El conocimiento de la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de la tensión de red es una cuestión de vital importancia en la sincronización de los sistemas electrónicos de potencia que trabajan conectados a ésta. Este trabajo presenta un nuevo sistema de detección que obtiene, de forma rápida y precisa, la componente fundamental de secuencia positiva de la tensión de red, incluso cuando dicha tensión se encuentre fuertemente distorsionada y desequilibrada.<br/> <br/>El convertidor estático conocido como inversor constituye el núcleo de un filtro activo de potencia. Las prestaciones finales del sistema de filtrado vienen condicionadas en gran medida por la tecnología empleada en este inversor, por su topología, por la técnica de modulación implementada, y por las características del sistema de control que regula las variables de salida del mismo. Este trabajo propone una topología de inversor alternativa, aplicable en acondicionadores activos que trabajan en sistemas trifásicos de cuatro hilos, que permite un control sencillo, y que elimina los problemas que presentan otras topologías cuando inyectan corrientes de secuencia homopolar en la red. Así mismo, se propone un nuevo enfoque en la modulación vectorial de los inversores en puente completo, de tres y cuatro ramas. La técnica propuesta aporta mayor significado físico en la síntesis de las tensiones de salida del inversor, y permite obtener un algoritmo de modulación sumamente eficiente que puede ser implementado en un procesador de bajo coste.<br/><br/>Finalmente, este trabajo ofrece un nuevo punto de vista en el cálculo de las corrientes de referencia del filtro activo de potencia. Un análisis de las solicitaciones de potencia que se realizan sobre el filtro activo cuando trabaja bajo condiciones genéricas de tensión de red y corriente de carga, permite diseñar un sistema de control que emplea un enfoque energético en el cálculo las referencias de corriente del mismo. Este control energético aumenta la robustez del filtro activo de potencia cuando se producen súbitas variaciones en las condiciones del entorno.

The aim of this work is to find some solutions in order to improve the behavior of the shunt active power filters in three-phase four-wire power systems, even if adverse conditions are present in the utility voltages or in the load currents.<br/><br/>The calculation of the instantaneous electrical power under non-sinusoidal conditions is the basis in the analysis of power conditioners. At present, there is not a universal theory that unifies the calculation of the instantaneous power and current components. In this work, a detailed study on this field is conducted, showing the relationship between the different conventional theories, and proposing a new formulation, which offers a higher physical meaning for the calculated power and current components than if previous theories are used.<br/><br/>The knowledge about the positive-sequence fundamental-frequency component of the utility voltage is a crucial matter in the synchronization of power electronics systems interfaced to the utility. This work presents a new detection system, which obtains, quickly and accurately, the positive-sequence fundamental-frequency utility voltage, even if utility voltage is severely distorted and unbalanced.<br/><br/>A static converter, known as inverter, is the core of an active power filter. The potentialities of the filtering system are greatly conditioned by the technology of this inverter, by its topology, by the modulation technique, and by the characteristics of the control system that regulates the output variables of the inverter. This work proposes an alternative inverter topology suitable for active conditioners working in three-phase four-wire systems, which allows a simple control and cancels the problems shown by other topologies when zero-sequence currents are injected in the utility. Also, a new approach on the space vector modulation of three- and four-leg full-bridge inverters is proposed. The proposed technique offers a higher physical meaning than previous techniques in the synthesis of the inverter output voltage, and gives rise to a very efficient algorithm, which can be implemented in a low-cost processor.<br/><br/>Finally, this work offers a new standpoint in the calculation of the reference currents of the active power filter. An analysis of the instantaneous power flow when the active power filter is working under generic utility voltage and load current, gives rise to a new control system, which employs an energy approach in the reference currents calculation. This energy control increases the robustness of the active power filter when sudden variations appear in the environment conditions.