Compensación de corriente usando filtro activo de potencia en derivación para fuentes armónicas de tensión

摘要

El presente documento muestra los resultados de investigación sobre la compensación de problemas de calidad de la potencia, específicamente los problemas de distorsión armónica en las redes de distribución de energía a nivel industrial. Se introduce al lector a los problemas de la calidad de la potencia, para posteriormente acotar el tema a los armónicos en la corriente y la tensión, sus fuentes de generación y la compensación o filtrado de los mismos.udLos problemas de calidad de la potencia se han convertido en un tema de mayor interés en las últimas décadas, ya que impactan de forma negativa el desempeño de los equipos y redes de distribución de energía. Dicho tema ha motivado la investigación en diferentes disciplinas de la ingeniería eléctrica, como lo son el estudio de las teorías de potencia en régimen no sinusoidal, la potencia en el dominio de la frecuencia, el estudio de los conversores de potencia, los sistemas dinámicos y control, la estandarización y creación de recomendaciones y normas, y en general los estudios al rededor de las disciplinas que puedan aportar al objetivo de evaluar la calidad de la potencia y realizar aportes al mejoramiento del desempeño de los equipos y las redes que enfrentan estos problemas. Todo esto con el fin de lograr una reducción de costos de operación y mantenimiento, y un incremento de la confiabilidad del sistema.udLas cargas que consumen una corriente no sinusoidal produce distintos tipos de problemas de calidad de la potencia. Este trabajo se enfoca en la compensación de armónicos mediante filtro activo de potencia en derivación, cuando la corriente está fuertemente distorsionada; distorsión que a su vez produce armónicos en la forma de onda de tensión debido a la baja impedancia del tipo de carga que se opera. A este tipo de carga se le conoce como carga en fuente armónica de tensión dado que es capaz de producir armónicos en la tensión que la alimenta.udCorregir los efectos de la operación de este tipo de carga presenta un reto para los compensadores o filtros actuales, ya que como se verá, a pesar de que el filtro activo de potencia se ha presentado como una solución efectiva ante este tipo de distorsión, ocurre que cuando trata de compensar cambios abruptos en la corriente, es decir, valores elevados de diferenciales de corriente, el filtro o compensador no es capaz de generar la corriente de compensación a la velocidad que se requiere, por lo que se presenta un retardo en la respuesta que no permite alcanzar una compensación suficiente para que el sistema o carga opere dentro de los estándares de la calidad de la potencia; estándares que se estudiarán brevemente al inicio de este trabajo.udDiversos autores han realizado diferentes aportes al filtrado activo, como por ejemplo técnicas de estimación o extracción de corriente armónica, como la teoría p-q que permite encontrar la solución de corrientes armónicas con la flexibilidad de controlar el flujo de potencia activa y reactiva hacia el bus de corriente continua con poco esfuerzo de cómputo. También se han realizado numerosos aportes con respecto a las técnicas de control del inversor de potencia, siendo este último parte fundamental del filtro activo y que es lo que en última genera la corriente de compensación.udHabiendo sido determinado el problema de investigación y como parte de la metodología de esta investigación, los aportes más representativos encontrados en la revisión bibliográfica con respecto a la compensación de corriente son puestos a prueba mediante simulaciones, con el fin de acotar el tema específico del trabajo que se centra en el módulo de control del filtro activo.udGracias a la posibilidad de entender la influencia individual de cada uno de los módulos en la capacidad de compensación del filtro activo, esta metodología de investigación permitió concentrarse en la generación del PWM que controla el encendido y apagado de los interruptores estáticos; que en este caso son un puente inversor trifásico compuesto de IGBT. Se encontró que contrario a lo que otros autores han establecido con respecto a la relación física que existe entre el valor de inductancia de acople y la capacidad de seguimiento de corriente de referencia, no solo es importante la frecuencia de conmutación o los valores de diferenciales de corriente, sino que la técnica PWM usada tiene un impacto importante en este compromiso compensación versus valor de inductancia. Concluyendo que en lugar de usar el tradicional PWM monopolar, el uso del PWM bipolar con portadora triangular no solo permite reducir en un orden de 10 veces el valor de inductancia de acople, sino que también permite implementar con facilidad un controlador PI para el lazo de control del inversor.udEn adición y como trabajo futuro, gracias al estudio de las ecuaciones nodales del filtro activo de potencia en derivación, y los experimentos de simulación realizados, se encontró una relación o compromiso inverso entre la calidad de la corriente de fuente vs. la calidad de la corriente de la carga. Es decir, cuando el filtro activo compensa la corriente de fuente que es distorsionada por la operación de una carga en fuente armónica de tensión o carga no lineal de baja impedancia, se establece un compromiso en el cual a mayor calidad obtenida en la corriente de fuente, se presenta menor calidad en la corriente de carga; que se manifiesta con elevados picos que pueden afectar el sistema de protecciones de la carga, e incluso superar la corriente pico que puede manejar el puente IGBT. De esta forma, se propone desarrollar un método de sintonización de los parámetros del controlador PI que permita encontrar un punto optimo de operación maximizando la compensación de armónicos de corriente de fuente y minimizando el deterioro de la corriente de carga