Filtros Activos de Potencia M. Lamich UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Departament d’Enginyeria Electrònica Campus Terrassa, C/.Colom ,1. 08222 Terrassa (España) Tel: +34 93 7398235; Fax: +34 93 7398016 e-mail: [email protected]

de la red); y que además de la reducción de armónicos los APF pueden también acometer otras tareas como son la corrección del coseno de φ (desfase entre las ondas de tensión y corriente) y el equilibrado entre las fases.

Resumen. En el siguiente artículo se presenta una introducción a los filtros activos de potencia (APF en ingles). Se mostraran sus aplicaciones, algunas de las topologías de los convertidores, como obtener las consignas de corriente y resultados de simulación y experimentales.

Ired

Icargas

1.- Introducción. También llamados “Acondicionadores activos de líneas de potencia” (APLC) tienen como principal cometido la reducción de los armónicos en las redes de distribución de energía eléctrica. Con el aumento constante de las cargas no lineales conectadas a la red de alimentación aparecen muchos problemas de distorsión y pérdida de eficiencia debidos al bajo factor de potencia. Una de las formas de mejorar esta situación, es la utilización de filtros activos de potencia (APF), por lo que en los últimos años se han desarrollado distintas estructuras para su implementación práctica [1]-[5]. Las cargas no lineales conectadas a la red consumen corrientes que no son senoidales, o sea, tienen un contenido importante de armónicos. Este efecto se muestra en la parte superior de la figura 1. Así mismo este consumo de corrientes no senoidales, aplicada a una red eléctrica de impedancia no nula, produce una distorsión en la forma de la tensión en los puntos de conexión de los equipos a la red. Este efecto se representa en la parte inferior de la figura 1. El propósito de un filtro activo es el de reducir los dos problemas anteriores; de forma que la corriente que circule por la red eléctrica sea senoidal y que la tensión aplicada a las cargas también lo sea. Para conseguir los dos objetivos anteriores, se pueden utilizar distintas topologías de filtros. Con lo que es necesario realizar una clasificación para su estudio. Cabe señalar que los filtros activos presentan como principales ventajas frente a los pasivos; que pueden adaptarse a las condiciones cambiantes de la carga y de la propia red eléctrica; que se reduce la posibilidad de aparición de resonancias entre la red y el filtro (posible causa de sobretensiones en puntos concretos

Red de Baja Tensión

FiltroActivo Activo Filtro de Potencia de Potencia

Cargano no Carga lineal [1] [1] lineal

Cargano no Carga lineal [2] [2] lineal

Cargano no Carga lineal [n] [n] lineal

Vred

Vcargas Fig.1 Filtro activo de potencia

Antes de presentar las clasificaciones de los APF es conveniente presentar los distintos tipos de perturbaciones que se pueden presentar en la red eléctrica; para conocer las distintas funciones que puede tener que realizar un APF. Estas funciones son las siguientes: a) Reducción de los armónicos de corriente que circulen por la red, entre el APF y los centros de generación de energía. b) Reducción de la corriente por el neutro. Si este existe la amplitud de los armónicos de corriente múltiplos de tres se suman a través del neutro. c) Reducción de los armónicos de tensión en los puntos de conexión de las cargas. d) Corrección del factor de potencia provocado por un cos φ distinto de la unidad. e) Equilibrado de la corriente que circula por las distintas fases. f) Equilibrado de la tensión entre fases y con el neutro. g) Regulación de la tensión y reducción del Flicker

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2.1- Fuentes básicas de perturbaciones y tipos de perturbaciones generadas

2.2- Tipos de filtros activos Los filtros utilizados para la reducción de perturbaciones en la red eléctrica se pueden clasificar de varias formas. Dependiendo de cómo se conecta el filtro respecto a la carga, podemos distinguir entre filtros serie, paralelo y serie-paralelo o mixtos (figura 4). Desde un punto de vista práctico, cada una de estas topologías, actúa de forma distinta. Red de baja Tensión

Red de baja Tensión

Filtro Filtro Paralelo Paralelo

Filtro Filtro Série Série I

Para poder reducir las perturbaciones con la máxima eficacia posible, es conveniente conocer sus características: como son y como se originan. Las fuentes de perturbaciones más abundantes en la red eléctrica, en la actualidad, son los diversos tipos de convertidores estáticos conectados a la red, y en particular los rectificadores, controlados o no, asociados con diversos tipos de cargas inductivas o capacitivas. En las figuras 2 y 3 se muestran, de forma esquemática, estos dos tipos de cargas básicas. En primer lugar nos encontramos con una estructura de puente rectificador que alimenta una carga principalmente inductiva. La forma de onda la señal de corriente será del tipo mostrado en la propia figura 2. Con tendencia a presentar una forma de señal cuadrada, en la que la anchura de los diversos semiperiodos dependerá del número de fases y del control del rectificador, si este es del tipo controlado o semicontrolado.

I

IF

Cargas Cargas no no lineales lineales

Cargas Cargas no no lineales lineales

VF

Fig. 4 Filtros paralelo y filtros serie.

ZX I

Los filtros paralelo actúan básicamente como una fuente de corriente, que tiene como misión contrarrestar los armónicos de corriente, generados por la carga, de forma que, la corriente en la red, suma de corrientes de la carga y el filtro sea senoidal. Por otro lado los filtros serie se comportan como una fuente de tensión en serie con la propia red, y su principal función es que la tensión en bornes de la carga sea senoidal. Finalmente los filtros mixtos son la unión de un filtro serie y otro paralelo, con lo que su función es conseguir un consumo de corriente senoidal y una tensión en la carga también senoidal. En las figuras 5 y 6 se presenta el efecto de cada una de las topologías de filtros activos: serie y paralelo. Para la reducción de la distorsión de la corriente en el punto donde se conecta el APF se acostumbra a utilizar un filtro de tipo paralelo; mientras que para la reducción de la distorsión de la tensión en la carga se utilizan filtros serie.

IC

VX Icarga

Fig. 2 Circuito rectificador con carga inductiva

ZX I VC VX Icarrega

vC

vR

Fig. 3 Circuito rectificador con carga capacitiva

Cargas

El otro tipo de carga, no lineal, muy frecuente en redes monofásicas domésticas y de oficinas, es el rectificador con carga capacitiva, esquematizado en la figura 3. En este caso la forma de onda de la corriente tiene picos estrechos y de gran amplitud, tal como aparece en la misma figura 3.

FILTRO ACTIVO

Fig.5 Aplicación de un filtro activo topología Serie.

38

ZX IR

IC

I

VX

Cargas

IF

Fig. 10 Filtro activo paralelo, combinado con un filtro pasivo serie. FILTRO ACTIVO

I

ZX

Fig. 6 Aplicación de un filtro activo topología Paralelo

VX

IF

Fig. 11 Combinación de filtros serie y paralelo; activos y pasivos

La combinación de filtros activos y pasivos permite reducir el tamaño, y por lo tanto el coste de los filtros activos, manteniendo las ventajas que presentan estos últimos frente a los filtros pasivos. En general las aplicaciones de las distintas estructuras son las siguientes: Filtros serie: a) Reducción de armónicos de tensión en la carga b) Regulación de la tensión c) Reducción del Flicker y los microcortes de tensión. Filtros Paralelo: a) Reducción de los armónicos de corriente b) Compensación del factor de potencia c) Reducción de la corriente por el neutro

I

ZX VF

VX

I

IF

Dependiendo de la aplicación específica, de los autores del trabajo, y de la combinación de perturbaciones a reducir los APF pueden recibir distintos nombres y utilizar distintas abreviaturas. Los nombres mas comúnmente utilizados son:

Fig. 7 Combinación de filtros activos serie y paralelo

I

ZX VF

VX

a) “Harmonic Power Filter” HPF b) “Active Power Line Conditioners” APLC c) “Unified Power Quality Conditioner” UPQC d) “Universal Power Flow Controller” UPFC e) “Universal Power Conditioner” UPC f) “Instantaneous Reactive Power Compensators” IRPC g) “Active Power Quality Conditioners” APQC

Fig. 8 Filtro serie formado por la combinación de dos filtros, uno activo y uno pasivo ZX VX

I

VF I

Los APF se pueden clasificar también en: monofásicos, trifásicos de tres hilos y trifásicos de cuatro hilos. Otra posible clasificación es la de filtros pasivos, activos o mixtos. Los filtros pasivos, como su nombre indica, están construidos mediante la asociación de inductancias y capacidades, calculadas para la eliminación de armónicos concretos. Los filtros activos, en cambio, están constituidos por uno o varios inversores, normalmente de tensión (VSI). Finalmente los filtros mixtos, están formados por la asociación de filtros pasivos y activos. En una combinación de filtro serie – paralelo cada bloque, a su vez, puede estar formado por la asociación de distintos filtros. Además, se pueden conectar filtros activos o pasivos en cada caso, dando lugar a múltiples combinaciones. En las figuras 7 a 11 se presentan algunas de las combinaciones posibles a título de ejemplo.

IF

Las denominaciones (b)-(g) se suelen utilizar para los sistemas basados en varios filtros: serie y paralelo; diseñados para actuar sobre todos los tipos de perturbaciones presentes en la red.

Fig. 9 Filtro paralelo, formado por la combinación de dos filtros, uno activo y uno pasivo

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esta energía se almacena en condensadores que alimentan un bus de continua (DC). Si se debe conectar este filtro directamente a la red (sin utilizar transformador de acoplamiento), la tensión del bus de continua debe ser superior a la tensión de pico de la red; por lo tanto los interruptores del convertidor (usualmente IGBT) deben soportar tensiones más elevadas que en el caso de los inversores aplicados por ejemplo al control de motores. La utilización de inversores multinivel reduce la tensión máxima que deben soportar estos interruptores, y añade algunas ventajas como son la reducción del rizado y una respuesta temporal más rápida. La energía almacenada en el condensador, que es proporcional a su tensión al cuadrado, es un parámetro que habitualmente también se utiliza en el circuito de control.

Las topologías de filtro mas comúnmente aplicadas son los filtros del tipo paralelo y los mixtos, en solitario o combinados con filtros pasivos para reducir la potencia nominal y precio de los primeros.

2.3- Estructura de un APF. Básicamente un APF está formado por un convertidor (normalmente un inversor de tensión VSI), un elemento de almacenamiento de energía (habitualmente un condensador), unos circuitos de medida de las tensiones y corrientes, y un circuito de control que se encarga de la obtención de consignas, el control y la generación de las señales moduladas que actúan sobre el convertidor. Además el APF puede contar con transformadores y o bobinas para su conexión a la red. Entrando más en detalle en la estructura del APF, el bloque de control se puede descomponer, a su vez en dos bloques básicos, el control propiamente dicho y el circuito de modulación, tal como se muestra en la figura 12.

Control Control

CARGAS

RED

MEDIDA

Obtención Obtención Consignas Consignas

RED ELECTRICA

Modulación Modulación

INVERSOR MULTINIVEL DIODECLAMPED

Convertidor Convertidor

Almacenamiento Almacenamiento Energia Energia

INVERSOR MULTINIVEL DIODECLAMPED

Fig. 13.- Ejemplo de la estructura de potencia de un filtro activo combinado serie - paralelo

2.4- Obtención de las consignas

Fig. 12. Diagrama de bloques de un APF

Para poder eliminar/reducir los armónicos, en primer lugar es necesario separar la componente fundamental de la señal, de los armónicos. Este proceso se puede realizar por diversos procedimientos, y cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes. Entre los diversos métodos utilizados cabe mencionar: el filtrado selectivo (filtro “notch”) de la componente fundamental de 50/60Hz; la utilización de la teoría de la potencia instantánea (figura 18); la generación de la componente fundamental mediante un PLL; la descomposición armónica mediante FFT; y finalmente la mas sencilla de implementar, la técnica llamada de factor de potencia unitario (figura 19). También es posible encontrar soluciones basadas en combinaciones de las anteriores, como por ejemplo la utilización de un PLL para la sincronización en la teoría de la potencia instantánea (figura 14).

El bloque de obtención de Consignas, es el encargado de separar la componente fundamental y los armónicos de la corriente que absorbe la carga. Estos armónicos son los que forman la consigna aplicada al control del APF. El bloque de control debe actuar sobre el convertidor para que las corrientes que absorbe el filtro (armónicos) coincidan con las consignas anteriores. La función del bloque de modulación es la de transformar unas señales de tensión, variables en amplitud, procedentes del control, en los tiempos de encendido y apagado de cada uno de los interruptores del VSI. En ciertos casos, dependiendo del tipo de control utilizado los bloques de control y modulación no son separables Por ejemplo cuando se utiliza un control de corriente por banda de histéresis. A pesar que la potencia media consumida por un APF, en un periodo de red, debe ser nula (salvo pérdidas); es necesario un elemento que almacene energía, ya que la potencia instantánea no es nula. Habitualmente

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vu

embargo, si la carga es de tipo fuente de tensión (i.e. rectificador con condensador de elevado valor) o la potencia es elevada será, mas adecuado una combinación de APF serie mas filtro pasivo paralelo. Si se debe reducir la potencia reactiva (cos φ) será más económica la utilización de bancos de condensadores que conmuten en función de la carga. La reducción de la corriente por el neutro y el equilibrado de las fases requerirán la utilización de APF paralelo de cuatro ramas. Para la mayor parte de las combinaciones de perturbaciones anteriores la aplicación combinada de un APF serie y un filtro pasivo paralelo da los mejores resultados.

generación sen y cos

PLL

K iu iv iw

Transformada d-q

id iq

vdc

Filtro Paso bajo

+ vdc*

vINVu

id iq

+

Transformada inversa d-q

vINVv vINVw

∆i q PI

Control de la tensión del bus DC

Fig. 14.- Obtención de consignas y control empleando la teoría de la potencia instantánea.

2.4- Estrategias de Control

3.2- Perturbaciones de tensión:

El control de los filtros paralelo básicamente consta de (figura 12) unos sensores de corriente que miden las corrientes entrantes al filtro; un circuito de control (habitualmente un PI o P) y un circuito modulador (normalmente un PWM). Las consignas de este lazo de control, son los armónicos de corriente separados en el bloque precedente. Para que el control del filtro activo sea viable, en todo momento la tensión del bus del VSI debe ser superior a la tensión de la red. Para garantizar esta condición, esta tensión, se utiliza para modificar algún parámetro del control como por ejemplo la amplitud de la consigna de corriente. El objetivo final es que a través del filtro circulen los armónicos no deseados, almacenando la energía necesaria para que a lo largo de un periodo, la tensión del condensador (almacén de energía) no sea inferior en ningún momento a la tensión máxima de red. En otros modelos de APF se utiliza un control de corriente basado en banda (o bandas) de histéresis; que presenta como ventajas básicas, la mayor sencillez de implementación y mayor velocidad de respuesta en algunos casos, pero cuenta como principal inconveniente que la frecuencia de conmutación del inversor no es constante.

En general para la reducción de perturbaciones de tensión es más adecuada la utilización de un APF serie, sin embargo dependiendo del tipo de carga y de la potencia de la instalación puede ser más adecuada la utilización de un APF paralelo combinado con un filtro pasivo en serie. Cuando se combinan perturbaciones importantes de tensión y corriente en un mismo punto es conveniente utilizar la combinación de APF serie y paralelo (normalmente conocido como UPQC Unified Power Quality Conditioner), pese a ser la solución más cara.

4.- Resultados de aplicaciones de APF A continuación se presentan varios ejemplos en los que la aplicación de un filtro activo paralelo ha permitido reducir de forma considerable la distorsión armónica de baja frecuencia en la corriente de línea. Se presentan los resultados de un filtro activo monofásico (figura 16) y otro trifásico (figuras 17 y 18) aplicados a las cargas mas habituales en cada caso.

3.- Aplicación de los Filtros Activos Tal como se ha visto en los apartados anteriores, existen distintos tipos APF, distintos tipos de cargas y finalmente también existen distintos tipos de perturbaciones. Por consiguiente la aplicación de los APF requiere en principio un estudio de cada caso en particular, ya que la utilización de estructuras no adecuadas puede provocar, que no solo no se resuelva el problema, sino que este empeore o aparezcan otros.

3.1- Perturbaciones de corriente:

Fig. 16.-Corriente de carga y corriente de línea con un filtro activo monofásico

Para la reducción de armónicos de corriente, es más adecuada la utilización de APF del tipo paralelo, sin 41

Finalmente se presenta el resultado de la aplicación de un filtro híbrido paralelo, en el que no se puede compensar la componente reactiva (cos φ), en la figura 19.

5.- Conclusiones Muchas de las cargas conectadas a la red no son lineales; y para reducir los harmónicos generados por estas es necesaria la instalación de filtros. El tipo de filtro a utilizar depende de cada tipo de carga. Los filtros activos permiten reducir distintos tipos de perturbaciones y adaptarse en cada momento al estado de la línea y a las cargas conectadas. Finalmente las prestaciones de un filtro activo dependen de diversos parámetros de diseño.

Fig. 17.-Corriente de carga (trifásica)

6.- Referencias [1] Fang Zheng Peng, “Application Issues of Active Power Filters”, IEEE Industry Applications Magazine, September/October 1998, pp 21-30. [2] Hirofumi Akagi, “Trends in active Power Line Conditioners”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 9 No. 3 May 1994, pp 263-268. [3] Bhim Singh, Kamal Al-Haddad, Ambrish Chandra, “A Review of Active Filters for Power Quality Improvement”, IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol. 46 No. 5, October 1999, pp. 960-971. [4] Fang Zheng Peng “Harmonic Sources and Filtering Approaches”, IEEE Industry Applications Magazine, July/August 2001, pp 18-25. Fig. 18.-Resultado de la aplicación de un filtro trifásico conectado en paralelo a la carga anterior 80

60

40

Current(A)

20

0

-20

-40

-60

-80 0.25

0.26

0.27

0.28

0.29

0.3 time(s)

0.31

0.32

0.33

0.34

0.35

Fig. 19.-Corriente de carga y corriente de línea como resultado de la conexión de un filtro hibrido trifásico paralelo en el instante t = 0.3s

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