Estudio comparativo de cinco estrategias de compensación de armónicos en filtros activos de potencia

A comparative study of five methods of harmonics compensation in active power filters

  • Jesser James Marulanda Durango Universidad Tecnológica de Pereira
  • Andrés Escobar Mejía Universidad Tecnológica de Pereira
  • Luis Alfonso Alzate Gómez Universidad Tecnológica de Pereira
Palabras clave: active power filters, compensation, harmonics, power factor, power quality (en_US)
Palabras clave: armónicos, calidad de la energía, compensación, factor de potencia, filtro activo de potencia (es_ES)

Resumen (es_ES)

Contexto: Una de las funciones de un filtro activo de potencia es calcular las consignas de corriente (i.e.: reducción de armónicos, corrección del factor de potencia, balancear las corrientes y voltajes) que compensen la fuente de alimentación. Existen en la literatura varios algoritmos que realizan esta función. El objetivo de este artículo es presentar los resultados obtenidos sobre el funcionamiento de cinco algoritmos propuestos en la literatura, bajo condiciones de voltajes distorsionados.

Método: Consiste en la implementación de los siguientes algoritmos: potencia reactiva instantánea; factor de potencia unitario; compensación perfecta de armónicos; algoritmo pqr; y marco de referencia síncrono, en el programa de simulación Matlab – Simulink. Luego, usando un sistema eléctrico compuesto por cargas lineales y no lineales con características similares a un circuito real, se calcula la distorsión armónica total, el valor eficaz de la corriente de línea y de su componente fundamental, y el factor de potencia en la fuente trifásica. Se tomarán valores antes y después de la conexión a la red del filtro activo de potencia, considerando cada uno de los algoritmos por separado y manteniendo las mismas condiciones en el sistema para cada uno de ellos. También se calculan otras cantidades en el sistema de potencia para realizar la comparación. 

Resultados: Se muestran las corrientes de la red de alimentación antes y después de la conexión del filtro activo de potencia, además de la distorsión armónica de las corrientes y el factor de potencia. También se presenta la forma de onda del voltaje de continua del inversor con cada uno de los algoritmos utilizados, para evaluar el desempeño de un controlador de tensión que requiere el filtro.

Conclusiones: En condiciones de funcionamiento con voltajes distorsionados en la red de alimentación, el algoritmo con mejor desempeño es el de compensación perfecta de armónicos, ya que este utiliza un filtro pasa bajo para mitigar los efectos de los armónicos de los voltajes sobre el cálculo de las corrientes de compensación.

Resumen (en_US)

Context: One of the functions of an Active Power Filter (APF) is to calculate current set points (i.e. harmonic reduction, power factor correction and current and voltage balancing) that compensate the power source. There are several algorithms in the literature that perform this function, so the objective in this article is to present the results obtained from the implementation of five algorithms proposed in the literature, under conditions of distorted voltages.

Method: The methodology consists of the implementation of the following algorithms: Instantaneous reactive power; unit power factor; perfect harmonic compensation; PQR algorithm; and synchronous frame of reference in the MATLAB simulation program. Then, we calculate the total harmonic distortion (THD), the effective value of the line current and its fundamental component, and the power factor (PF) at the three-phase source, using an electrical system composed of linear and non-linear loads with similar characteristics to a real circuit. We will take values before and after the connection to the network of the active power filter, considering each of the algorithms separately and maintaining the same conditions in the system for each of them. Other quantities are also calculated in the power system to make the comparison.

Results: The main currents before and after the active power filter connection are displayed, in addition to the harmonic distortion of the currents and the power factor. We also present the waveform of the inverter continuous voltage with each of the algorithms used, in order to evaluate the performance of a voltage controller that requires filter.

Conclusions: In operating conditions with distorted voltages in the power supply network, the algorithm with the best performance is the perfect harmonic compensation algorithm, since it uses a low-pass filter to mitigate the effects of the harmonics of the voltages on the calculation of the currents of compensation.

Descargas

La descarga de datos todavía no está disponible.

Biografía del autor/a

Jesser James Marulanda Durango, Universidad Tecnológica de Pereira
Ingeniero electricista, magíster en Ingeniería Eléctrica. Docente de la Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira
Andrés Escobar Mejía, Universidad Tecnológica de Pereira

Ingeniero electricista, magíster en Ingeniería Eléctrica, doctor en Ingenierías. Docente de la Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira

Luis Alfonso Alzate Gómez, Universidad Tecnológica de Pereira
Ingeniero electricista, magíster en Sistemas de Generación de Energía Eléctrica. Docente de la Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira

Referencias

Akagi, H.; Kanazawa, Y. y Nabae, A. (1984). Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components. IEEE Transactions on Industry Applications, IA-20(3), 625-630. http://doi.org/10.1109/TIA.1984.4504460

Alzate, A.; Murillo, Y. y Silva, C. (2017). Prototipo para la compensación de armónicos en sistemas trifásicos. Revista Tecnura, 20(50), 96-105. DOI: 10.14483/udistrital.jour.tecnura.2016.4.a07

Asiminoael, L.; Blaabjerg, F. y Hansen, S. (2007). Detection is key - Harmonic detection methods for active power filter applications. IEEE Industry Applications Magazine, 13(4), 22-33. http://doi.org/10.1109/MIA.2007.4283506

Buso, S.; Malesani, L. y Mattavelli, P. (1998). Comparison of current control techniques for active filter applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 45(5), 722-729. http://doi.org/10.1109/41.720328

Cavallini, A. y Montanari, G.C. (1994). Compensation strategies for shunt active-filter control. IEEE Transactions on Power Electronics, 9(6), 587-593. http://doi.org/10.1109/63.334773

Grino, R.; Cardoner, R.; Costa-Castello, R. y Fossas, E. (2007). Digital Repetitive Control of a Three-Phase Four-Wire Shunt Active Filter. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 54(3), 1495-1503. http://doi.org/10.1109/TIE.2007.894790

Hsu, C.Y. y Wu, H.Y. (1996). A new single-phase active power filter with reduced energy-storage capacity. IEE Proceedings - Electric Power Applications, 143(1), 25-30. http://doi.org/10.1049/ip-epa:19960205

Kale, M. y Ozdemir, E. (2005). An adaptive hysteresis band current controller for shunt active power filter. Electric Power Systems Research, 73(2), 113-119. http://doi.org/10.1016/j.epsr.2004.06.006

Kanjiya, P.; Khadkikar, V. y Zeineldin, H.H. (2015). Optimal Control of Shunt Active Power Filter to Meet IEEE Std. 519 Current Harmonic Constraints Under Nonideal Supply Condition. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62(2), 724-734. http://doi.org/10.1109/TIE.2014.2341559

Kim, H. y Akagi, H. (1999). The instantaneous power theory on the rotating p-q-r reference frames. En Proceedings of the IEEE 1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 1999. PEDS ’99 (Vol. 1, pp. 422-427). http://doi.org/10.1109/PEDS.1999.794600

Kim, H.; Blaabjerg, F.; Bak-Jensen, B. y Choi, J. (2002). Instantaneous power compensation in three-phase systems by using p-q-r theory. IEEE Transactions on Power Electronics, 17(5), 701-710. http://doi.org/10.1109/TPEL.2002.802185

Luna, A.; Rocabert, J.; Candela, J.I.; Hermoso, J.R.; Teodorescu, R.; Blaabjerg, F. y Rodríguez, P. (2015). Grid Voltage Synchronization for Distributed Generation Systems Under Grid Fault Conditions. IEEE Transactions on Industry Applications, 51(4), 3414-3425. http://doi.org/10.1109/TIA.2015.2391436

Rafiei, S.M.R.; Toliyat, H.A.; Ghazi, R. y Gopalarathnam, T. (2001). An optimal and flexible control strategy for active filtering and power factor correction under non-sinusoidal line voltages. IEEE Transactions on Power Delivery, 16(2), 297-305. http://doi.org/10.1109/61.915499

Ranjbar, M.; Masoum, M.A.S. y Jalilian, A. (2009). Comparison of compensation strategies for shunt active power filter control in unbalanced tree-phase four-wire systems. En: Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2009. CCECE ’09 (pp. 1061-1066). http://doi.org/10.1109/CCECE.2009.5090291

Rashid, M. (2011). Power electronics handbook. Third Edition. ISBN: 978-0-12-382036-5 Elsevier. Printed in the USA.

Rodríguez, C.L.T.; Fuente, D.V.D.L.; Amorós, E.F.; Sanfeliú, G.G. y Moreno, J.G. (2012). Diseño, modelado e implementación de inversor conectado a la red eléctrica a partir de fuentes renovables. Revista Tecnura, 16(32), 12-28.

Ucar, M. y Ozdemir, E. (2008). Control of a 3-phase 4-leg active power filter under non-ideal mains voltage condition. Electric Power Systems Research, 78(1), 58-73. http://doi.org/10.1016/j.epsr.2006.12.008

Cómo citar
Marulanda Durango, J. J., Escobar Mejía, A., & Alzate Gómez, L. A. (2017). Estudio comparativo de cinco estrategias de compensación de armónicos en filtros activos de potencia. Tecnura, 21(52), 15-31. https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2017.2.a01
Publicado: 2017-04-01
Sección
Investigación

Artículos más leídos del mismo autor/a