ES2326715A1 - Compensador selectivo de corrientes armonicas, reactivas y de desequilibrio. - Google Patents
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Abstract
Compensador selectivo de corrientes armónicas, reactiva y de desequilibro. Compensador de corrientes eléctricas que comprende un convertidor de potencia, sensores de corrientes compensadoras y de carga, un filtro a la entrada del convertidor y medios de control digitales del convertidor que comprenden bancos de filtros selectivos para el análisis de las corrientes de carga, y cuyos sensores de las corrientes compensadoras están conectados a la salida del filtro por el lado de red y en el cual dichas corrientes compensadoras se controlan mediante una batería de resonadores digitales, eliminándose con gran efectividad los armónicos de conmutación de la PWM y haciendo innecesaria la utilización de otros filtros adicionales a este efecto, dotando al sistema de un funcionamiento correcto con cualquier nivel de cargas y de selección de compensación, y reduciendo así la posibilidad de tener resonancias indebidas entre la red, las cargas y el compensador.
Description
Compensador selectivo de corrientes armónicas,
reactiva y de desequilibrio.
La presente invención se refiere a un equipo
capaz de compensar, selectivamente y total o parcialmente, las
corrientes armónicas, reactiva y de desequilibrio de una red
trifásica de suministro eléctrico.
\vskip1.000000\baselineskip
Son conocidos los compensadores de corrientes
armónicas, de corrientes reactivas y de desequilibrio de fases, que
en forma de filtros activos en paralelo con la línea mejoran las
condiciones de suministro eléctrico de la red.
Ya en la década de los 1980 se desarrollaron las
tecnologías de filtro activo paralelo, para compensación de
corrientes armónicas, con estructura de convertidor de potencia en
forma de puente bidireccional de transistores y diodos. Ejemplos de
esta tecnología vienen descritos en la familia de patentes JP 63
240 327/EP 0254 073/US 4 812 669, de MITSUBISHI ELECTRIC
CORPORATION, "Harmonic Suppressing device".
Otra realización más reciente se encuentra en la
patente US 2003 169 109/US 6717 485 de UIS Abler Electronics Co.
Ltd., "Active harmonic suppression equipment and control
method therefore".
La patente española ES 2 184 649, de SALICRU,
S.A. "Filtro activo de potencia corrector de corrientes reactivas
y armónicas" reivindica también un equipo Filtro Activo; éste
corrector de corrientes armónicas y corrientes reactivas al mismo
tiempo.
Posteriormente aparecieron equipos trifásicos
que, además de la compensación de corrientes armónicas y reactivas,
son capaces de corregir los desequilibrios de carga entre las fases
de la red suministradora. A partir de este momento, tales aparatos
empezaron a llamarse "Compensadores de corrientes armónicas,
reactivas y de desequilibrio".
Dichos compensadores están compuestos
típicamente de los siguientes elementos:
- \bullet
- un convertidor de potencia bidireccional, que genera las corrientes de compensación;
- \bullet
- sensores para la medición de las corrientes compensadoras y de carga;
- \bullet
- medios de control, analógico o digital, para el análisis de las corrientes de carga a compensar y para el control del convertidor de potencia.
- \bullet
- en ocasiones, elementos reactivos adicionales a las inductancias del convertidor de potencia, conectados en forma de filtros pasivos, para atenuar las componentes de las corrientes de modulación;
En los sistemas conocidos, el control de las
corrientes compensadoras generadas por el convertidor de potencia
se realiza mediante la captación de estas corrientes a la salida de
este convertidor, antes del referido filtro pasivo, en el caso de
haberlo. Esta disposición se impone porque permite utilizar las
técnicas de control usuales como los PID's o los controladores de
avance-retardo.
Sin embargo, mediante estos sistemas, las
corrientes realmente inyectadas a la red por el convertidor de
potencia difieren de la leída por los captadores, porque éstas
quedan alteradas por su paso por el filtro de entrada, hecho que
limita la capacidad de compensación de los armónicos, típicamente a
partir del armónico 31 cuando se trabaja con frecuencias de
modulación de 20 kHz. Para los armónicos más elevados, la
compensación resulta muy afectada y notablemente disminuida.
Además, la parte de
servo-control de los equipos conocidos adolece de
una limitación de ganancia a valores reducidos en sus lazos de
realimentación, reducción impuesta para evitar inestabilidades del
sistema. Ello se traduce en que el resultado final de la
compensación de armónicas es relativamente moderada, a valores de
atenuación total THD_{carga}/THD_{\text{línea}} < 30.
Por otro lado, el análisis de las corrientes de
carga, necesario para la generación de las consignas del
servo-control del compensador, se realiza usualmente
mediante técnicas de procesado de señal basadas en la transformada
rápida de Fourier o mediante controles predictivos.
Sin embargo, con estas soluciones el tiempo
necesario para analizar un período de la componente fundamental
limita la velocidad de respuesta del lazo de control y por lo
tanto, el ancho de banda de los lazos de generación de consigna de
las corrientes compensadoras. El resultado es una respuesta
dinámica con retardos notables, del orden de 40 ms como mínimo.
\newpage
Con el compensador de la invención se consigue
resolver los inconvenientes citados, proporcionándose otras
ventajas que se describirán.
El compensador de corrientes armónicas, de
corrientes reactivas y de desequilibrio de fases objeto de la
invención se caracteriza por que:
- \bullet
- los medios de control digitales comprenden bancos de filtros selectivos digitales para el análisis de las corrientes de carga;
- \bullet
- los citados sensores de las corrientes compensadoras están conectados a la salida del filtro pasivo supresor de corrientes de modulación, por el lado de la red;
- \bullet
- dichas corrientes compensadoras se controlan mediante una batería de resonadores digitales.
Una arquitectura con filtro pasivo a la entrada
del convertidor de potencia elimina con gran efectividad los
armónicos de conmutación de la PWM y hace innecesaria la
utilización de otros filtros adicionales a este efecto, dotando al
sistema de un funcionamiento correcto con cualquier nivel de cargas
y de selección de compensación. Este último hecho presenta la
ventaja añadida de reducir la posibilidad de tener resonancias
indebidas entre la red, las cargas y el compensador.
Ventajosamente, dicho filtro pasivo situado a la
entrada del convertidor de potencia, es un filtro en T con dos
inductores y un condensador por fase y como se ha indicado, tiene
como finalidad filtrar los armónicos de conmuta-
ción.
ción.
Preferentemente, dichos medios de control
comprenden medios para la configuración personalizada de las
funciones del compensador, que permiten la activación independiente
de las funciones de equilibrado de fases, de compensación de
componentes reactivas y de compensación de corrientes armónicas,
permitiendo además seleccionar el nivel de atenuación de las
diferentes corrientes armónicas. Estos medios para la configuración
personalizada, comprenden además un dispositivo para la lectura de
parámetros y del histórico de incidencias del compensador, un
teclado, un visualizador, dispositivos indicadores de funciones y
diversos dispositivos avisadores.
Ventajosamente, el compensador objeto de la
invención comprende además un convertidor
inversor-ondulador, conectado al bus de corriente
continua de salida del convertidor de potencia del compensador, una
batería de acumuladores eléctricos, conectada al citado bus de
corriente continua, un cargador de baterías, un sistema de
by-pass y unos medios de control adicionales, que
permiten alimentar sin interrupción unas cargas críticas a la
salida del convertidor-ondulador o a la acometida
de red, gestionando el funcionamiento de estos elementos de tal
forma que el conjunto constituye un sistema de alimentación
ininterrumpida acondicionador de línea.
Preferentemente, el convertidor de potencia
compensador comprende moduladores de amplitud de pulsos (PWM),
controladores de desaturación de los transistores de potencia,
controladores de sobre-temperaturas y controladores
de disfunciones y gestión de alarmas.
Ventajosamente, los filtros digitales para el
análisis de los diferentes armónicos comprenden un filtro FIR de
tipo peine, de ganancia muy pequeña en las frecuencias
fundamentales, dispuesto en serie con una batería de ecualizadores
paramétricos para cada una de las componentes armónicas.
Con el empleo de estos filtros digitales el
análisis de corrientes es mucho más rápido que el que se obtiene
aplicando métodos de transformadas rápidas de Fourier o de
controles predictivos, obteniéndose respuestas dinámicas de menos
de 20 ms.
Preferentemente, los medios de control digitales
del convertidor de potencia comprenden además una unidad de
balance de potencia, que comprende a su vez un lazo de control de
tipo PI y un elemento saturador a la salida de dicha unidad, que
además comprende a la entrada otro filtro FIR de tipo peine.
Con este filtro se eliminan las posibles
componentes armónicas en la frecuencia fundamental y sus múltiplos
enteros, que podrían aparecer por la propia operación del equipo
compensador.
De manera ventajosa, la batería de resonadores
digitales comprende un lazo interno de estabilización por fase, un
lazo externo formado por una función constante y unas funciones de
transferencia resonantes de segundo orden y de ganancia muy elevada
en las frecuencias armónicas, estando dichas funciones dispuestas
en paralelo, y un lazo de prealimentación constante.
Con el lazo interno se consigue asegurar un
desempeño mínimo y estabilizar el sistema; con el lazo externo se
asegura el seguimiento asintótico de referencia, y con el lazo de
prealimentación constante se mejora el comportamiento dinámico
transitorio del sistema.
Preferentemente, los medios de control digitales
comprenden una unidad de extracción de portadoras, que comprende
además un filtro IIR ecualizador paramétrico dispuesto entre dicha
función de transferencia de ganancia constante y dicha función de
transferencia de control automático.
Con este filtro se extrae la componente
fundamental, atenuando los posibles armónicos que pudiera contener
y elimina la posible componente continua que pudiera haberse
generado en el proceso de muestreo en el dominio del tiempo pues
incorpora un factor derivador en su numerador.
Aún más ventajosamente, el compensador de la
invención comprende por cada fase una unidad de limitación del
valor eficaz y de la amplitud de las consignas de corriente, que
tiene la función de limitar el valor eficaz y la amplitud de las
consignas de corriente que se suministran a los lazos de control de
corriente del equipo compensador, evitándose con ello que las
corrientes que circulan por el equipo superen los valores máximos
de amplitud y eficaces de diseño de sus componentes.
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto
se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y a título
de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de
realización.
En dichos dibujos, la figura 1 es un esquema de
bloques simplificado del compensador; la figura 2 es un esquema del
convertidor de potencia en el cual se incluye el filtro de entrada
y condensadores de salida; la figura 3 es un diagrama de bloques
del compensador, en el que se representan más detalladamente los
medios de control; la figura 4 es un esquema de bloques simplificado
del compensador con los elementos adicionales para su
funcionamiento como SAI acondicionador de línea; la figura 5a es un
esquema de bloques de la sub-unidad de análisis de
corriente fundamental; la figura 5b es un esquema de bloques de la
sub-unidad de análisis de corrientes armónicas; la
figura 6 es un esquema de la unidad de balance de potencia; la
figura 7 es un esquema de los controladores de corriente; la figura
8 un esquema de la unidad de extracción de las señales portadoras;
la figura 9 un esquema de la unidad de generación de referencias de
corriente, y la figura 10 un esquema de la unidad de limitación de
valores RMS y de cresta.
Según una realización preferida, tal como
muestra la figura 1, los medios de control 1, mediante los sensores
de corrientes de carga 2 captan las corrientes de carga
correspondientes a las cargas 3 conectadas a la acometida de red 4.
Dichos medios de control actúan sobre el convertidor de potencia 5
en función de los parámetros y las funciones seleccionados en los
medios para la configuración personalizada 6 y de las corrientes
compensadoras captadas por los sensores de corrientes compensadoras
7, lo cual permite compensar selectivamente y total o parcialmente
las corrientes armónicas, las corrientes reactivas y los
desequilibrios de fase.
Tal como se muestra en la figura 2, el
convertidor de potencia 5 comprende a la entrada un filtro 8 en T
por fase, que tiene como finalidad eliminar los armónicos de
modulación originados en el puente bidireccional 9 y condensadores
15 de almacén de energía de conversión. Dicho filtro 8 comprende
por fase dos elementos inductivos 10 y 12, y uno capacitivo 11. El
inductor 10 tiene dos funciones: Inductor del convertidor de
potencia y entrada del filtro T. El puente bidireccional 9 está
compuesto en cada fase por dos elementos unidireccionales 13, por
ejemplo transistores IGBT y otros dos en antiparalelo 14, por
ejemplo diodos, de forma que la combinación de ambos elementos
semiconductores constituyen interruptores bidireccionales. Dicho
puente bidireccional 9 está conectado a dos baterías de
condensadores 15 que constituyen un doble bus de salida simétrico
16 que tiene como finalidad, por un lado suministrar la energía
correctora del convertidor de potencia y por otro proporcionar las
tensiones V_{b1} y V_{b2} necesarias para su adecuado
funcionamiento.
Tal como se muestra en la figura 3, los medios
de control 1 comprenden una unidad de análisis de corrientes de
carga 17 que, mediante los sensores de corrientes de carga 2 y la
unidad de extracción de portadoras 18, que tiene como finalidad
obtener las referencias de fase para la obtención de las potencias
activa y reactiva, determina las corrientes armónicas y las
corrientes reactivas. La unidad de análisis de corrientes de carga
17 comprende, por fase, un banco de filtros digitales, por ejemplo
para cada uno de los armónicos desde el 2 al 51, y un filtro en
cuadratura para la frecuencia fundamental que permiten suministrar
a la unidad de generación de referencias de corriente 19 las
componentes armónicas y reactivas de cada fase.
La unidad de extracción de portadoras 18 consta,
en cada fase, de un filtro ecualizador paramétrico con ganancia
unitaria a la frecuencia fundamental y ganancia nula a frecuencia
cero (CC) y en la mitad de la frecuencia de muestreo del algoritmo
de control; de un lazo de control automático de ganancia que
asegura que las portadoras tendrán amplitud unitaria a pesar de las
variaciones en la amplitud de las tensiones simples, y de un filtro
derivador sintonizado a la frecuencia fundamental, que permite
obtener, a partir de las originales, las portadoras en cuadratura
necesarias para la elaboración de la compensación de la componente
reactiva.
La unidad de generación de referencias de
corriente 19, mediante la unidad de extracción de portadoras 18, la
unidad de análisis de corrientes 17 y la unidad de balance de
potencia 20 y según los parámetros y las funciones seleccionados en
los medios para la configuración personalizada 6, genera las
consignas de corriente de entrada a los controladores de corriente
21.
Los valores eficaces de la parte activa de las
corrientes provenientes de la unidad de análisis de corrientes 17
se suman y el total se distribuye a partes iguales entre las tres
fases. A estos valores se les restan los valores actuales, y los
valores eficaces así obtenidos pasan por moduladores en fase con
las tensiones de red, las cuales se suman a las consignas de
corriente. De este modo, el compensador trasiega potencia activa de
una fase a otra a fin de que ésta se encuentre distribuida
equitativamente entre las tres fases aguas arriba del punto de
unión del compensador a la red.
La unidad de balance de potencia 20 suministra
la información sobre el balance instantáneo de potencia a la unidad
de generación de referencias de corriente 19 a partir de las
tensiones V_{b1} y V_{b2} obtenidas a la salida del convertidor
de potencia 5.
Los controladores de corriente 21, a partir de
las consignas provenientes de la unidad de generación de
referencias de corriente 19 y de los valores obtenidos mediante los
sensores de corrientes compensadoras 7, generan, mediante una
batería de resonadores digitales en las frecuencias
correspondientes a los armónicos, las corrientes compensadoras.
Los medios para la configuración personalizada 6
permiten al operador activar independientemente las tres funciones
de compensación y seleccionar el nivel de compensación para cada
armónico. Además, mediante un panel luminoso y diodos LED
indicadores, permite la lectura de parámetros e históricos de
incidencias de la instalación.
El compensador comprende además sistemas de
protección adicionales como el control de desaturación de los
transistores de potencia, el control de
sobre-temperaturas, el control de disfunciones y la
gestión de alarmas.
A continuación se describen con más detalle los
medios de control digitales de la primera realización preferida de
la invención.
El algoritmo de control digital del filtro
activo opera a una frecuencia de muestreo F_{s} que puede
variar ligeramente para compensar las variaciones de la frecuencia
de red F_{r}. El criterio de variación es que se cumpla
que F_{s}/F_{r} = M = Cte. De este
modo, todos los filtros que conforman el controlador operan de forma
adecuada manteniendo sus características espectrales.
La unidad de análisis de las corrientes de carga
17 tiene por función obtener una descripción espectral de las
corrientes consumidas por las cargas 3. Hay una unidad de análisis
por cada una de las corrientes de fase, i_{l}, donde el
subíndice l indica cualquiera de las fases {R, S, T}. Cada
una de estas unidades recibe como entrada el valor digital de la
corriente i_{l} proveniente de un conversor AD y entrega
en sus salidas la siguiente información sobre su contenido
espectral:
- \bullet
- los valores instantáneos de las amplitudes de la parte activa I_{l,1,a}, y reactiva I_{l,1,r}, de la componente fundamental (Armónico fundamental, F_{r});
- \bullet
- los valores instantáneos de la parte activa i_{l,1,a} y reactiva i_{l,1,r} de la componente fundamental.
- \bullet
- los valores instantáneos de las componentes armónicas, i_{l,k} (siendo k = 2, ..., N) ponderados por un parámetro entre 0 y 1. Esta ponderación está fijada por el usuario del sistema para decidir la cantidad de compensación armónica que efectuará el compensador selectivo de armónicos para cada una de las frecuencias, y se programa a través de los medios para la configuración personalizada 6.
En los siguientes apartados se describe el
detalle del funcionamiento de la unidad de análisis de corriente
17, fraccionando la descripción entre el cálculo de los resultados
para la componente fundamental (figura 5a) y para las componentes
armónicas (figura 5b).
La componente fundamental se obtiene en la
sub-unidad representada en la figura 5a, mediante un
filtro en cuadratura que recibe como entrada el valor instantáneo
de la corriente de una fase de la carga i1 y entrega en su salida
los valores instantáneos de las amplitudes de la parte activa
I_{l,1,a} y reactiva I_{1,l,r} y los valores
instantáneos de la parte activa i_{l,1,a} y reactiva
I_{l,1,r} de la componente fundamental de la corriente en
su entrada.
El filtro en cuadratura emplea para el cálculo
dos señales portadoras generadas en la unidad de extracción de
portadoras descrita más abajo.
Estas dos portadoras son:
- \bullet
- una señal sinusoidal p_{l-sin} de frecuencia F_{r} en fase con la correspondiente tensión simple de red V_{lN}.
- \bullet
- la correspondiente señal cosinusoidal p_{l-cos} en cuadratura con la anterior.
Ambas señales presentan una amplitud exactamente
igual a la unidad. Además, el filtro en cuadratura incorpora dos
filtros FIR de tipo peine H_{1}(z), uno para cada
camino de señal.
Los filtros FIR presentan una respuesta al
impulso de duración finita, y son filtros todo ceros (sin
polos).
Para su implementación se han elegido filtros
con característica de ganancia unitaria en frecuencia cero y
ganancia nula en las frecuencias armónicas (incluyendo la
fundamental) de la tensión de red.
Las componentes armónicas se obtienen según se
describe a continuación en referencia a la figura 5b.
La sub-unidad de análisis de
corrientes armónicas recibe como entrada el valor instantáneo de la
corriente de una fase de la carga i_{l} y entrega en su
salida los valores instantáneos de sus componentes armónicas,
i_{l,k}, siendo k = 2, ..., N , ponderados
entre 0 y 1 a voluntad del operador (mediante la programación de
los medios para la configuración personalizada) a fin de modular la
capacidad compensadora del dispositivo para cada una de las
diferentes frecuencias armónicas.
La sub-unidad de análisis de las
componentes armónicas consta de una cascada (en conexión serie) de
otros filtros FIR de tipo peine H_{a}(z). Los
filtros elegidos aquí ofrecen ganancia muy pequeña en las
frecuencias armónicas (incluyendo frecuencia cero y la frecuencia
fundamental F_{r}), con una batería de ecualizadores
paramétricos H_{k}(z), uno para cada una de las
componentes armónicas a calcular.
Estos ecualizadores paramétricos presentan una
ganancia alta y de valor inverso a la del filtro H_{a}
(z) en la frecuencia kF_{r} y un valor bajo de
ganancia en el resto de la banda. La ganancia global de la conexión
serie H_{a}(z) H_{k}(z) en
frecuencia kF_{r} se ajusta a voluntad del usuario entre 0
y 1 para determinar el nivel de compensación deseado para ese
armónico.
Con la unidad descrita, el tiempo necesario para
el cálculo de la acción de los filtros es mucho menor que los 20 ó
16,7 ms de los ciclos de 50 ó 60 Hz que requieren otros métodos. En
efecto, los filtros operan a la frecuencia F_{S} (por
ejemplo, de 20 kHz) con lo cual la actualización de valores es a
esta frecuencia. No se alcanza el valor exacto hasta que ha pasado
un periodo completo, pero se tiende a este valor conforme el
periodo transcurre.
Por lo tanto las estimaciones en la salida de
los filtros no van a saltos por cada periodo de los 50 ó 60 Hz. O
sea, se aprovecha el tiempo de duración de un periodo para tender
poco a poco al valor exacto. Esto es equivalente a reducir el
retraso en la respuesta del sistema.
Ello contribuye a una mayor fidelidad de
compensación obtenida durante las variaciones transitorias de
tensión de línea o de cargas.
La unidad de balance de potencia 20, cuya
estructura interna se detalla en la figura 6, tiene la función de
calcular el valor de amplitud I_{d} de unas corrientes
sinusoidales en fase con las tensiones simples de red, esto es, con
factor de potencia unitario, para suplir las pérdidas (efecto Joule
y de conmutación) o cargas extraídas del bus CC del convertidor (en
el caso de equipos combinados compensador-UPS tales
como el descrito en la segunda realización preferida) del equipo
compensador. Para ello se usa un lazo de control de tipo PI
(proporcional-integral) que asegura que el valor
medio de la tensión del bus de CC (suma de las tensiones de los
semi-buses) sea igual al valor de consigna
V_{d}.
Para efectuar la extracción del valor medio de
la suma de tensiones de los semi-buses de CC se
emplea un filtro FIR de tipo peine H_{v}(z). Este
filtro elimina las posibles componentes armónicas en la frecuencia
fundamental y sus múltiplos enteros, que podrían aparecer por la
propia operación del equipo compensador. Tiene como característica
una ganancia unitaria en frecuencia cero.
El controlador PI se implementa por acciones, e
incluye a su salida un elemento saturador Sat(\cdot) para
no sobrepasar el rango de variación máxima de I_{d}.
Además, y para prevenir los efectos nocivos de una entrada de la
variable I_{d} en saturación, se incluye un mecanismo de
compensación de este fenómeno (sistema
anti-windup).
Los controladores de corriente 21, en referencia
a la figura 7, tienen como finalidad el control de las corrientes
compensadoras de salida i_{l} mediante las señales
S_{l}, donde el subíndice l indica cualquiera de las
fases {R,S,T} del equipo convertidor (en la inductancia de salida
del filtro en T) a fin de conseguir que se comporte como una fuente
de corriente controlada por las consignas o referencias de
corriente i_{l-des}, generadas por la
unidad de generación de referencias de corriente.
El sistema de control en lazo cerrado consta de
dos lazos concéntricos:
- \bullet
- uno interno, cuyo controlador es C_{0}(z), que tiene por función asegurar un desempeño mínimo y estabilizar el sistema.
- \bullet
- otro externo, formado por la constante K_{0} y las funciones de transferencia resonantes de segundo orden H_{k}(z), siendo k = 2, ..., N.
Los dos lazos actúan en cascada, y tienen por
función asegurar el seguimiento asintótico de la referencia
i_{l-des}.
Esto se consigue porque los resonadores
digitales H_{k}(z) aportan una ganancia muy grande
en las frecuencias armónicas kF_{r} a la función de
transferencia de lazo abierto del sistema. Además, en el resto de
banda la ganancia aportada es baja con lo cual se minimizan los
efectos del ruido presente en cualquier sistema de control.
El controlador de corriente incorpora también un
camino de prealimentación mediante la constante K_{ff} que
permite una mejora en el comportamiento dinámico transitorio del
sistema.
Cabe destacar además, que el controlador interno
C_{0}(z) incluye un término derivador a fin de
asegurar que las corrientes consumidas o suministradas por el equipo
compensador tengan una media nula (componente CC nula).
Con esta estructura se consiguen atenuaciones
totales - THD_{carga}/THD_{\text{línea}} > 75 en situaciones
de corrientes de carga con distorsiones totales superiores al
100%.
Finalmente, la correspondencia de la señal de
salida del controlador interno C_{0}(z) con las
señales lógicas de conmutación de la rama correspondiente del
convertidor de potencia 5, se efectúa mediante una modulación de
anchura de pulso (PWM) regular de pulso centrado, e incluye un
saturador de rango [-1, 1].
La frecuencia de conmutación del modulador de
anchura de pulso coincide con la frecuencia de muestreo
F_{s} del algoritmo de control.
La unidad de extracción de señales portadoras
18, en referencia a la figura 8 para una fase genérica l,
donde l indica cualquiera de las fases {R,S,T}, tiene
la función de generar una señal sinusoidal de frecuencia
fundamental en fase con la correspondiente tensión simple de red
v_{lN} y la correspondiente señal cosinusoidal en
cuadratura con la anterior.
Las dos señales portadoras generadas tienen una
amplitud igual a la unidad, puesto que así se necesitan en otras
unidades de los medios de control. Para cada una de las fases
l, hay una unidad de este tipo para generar las
correspondientes señales portadoras.
El cálculo efectuado en esta unidad es como
sigue: La lectura digital de la tensión simple de red
v_{lN} pasa a través de un bloque de ganancia constante
K_{v-red} que normaliza aproximadamente su
valor a amplitud 1. La señal pasa entonces por un filtro HR
ecualizador paramétrico H_{p}(z) que extrae su
componente fundamental atenuando los posibles armónicos que pudiera
contener.
De este modo, a la salida del filtro se obtiene
una señal prácticamente sinusoidal. Además, este filtro elimina la
posible componente continua que pudiera haberse generado en el
proceso de muestreo en el dominio del tiempo, pues incorpora un
factor derivador en su numerador. La ganancia del filtro
H_{p}(z) en la frecuencia fundamental es igual a la
unidad, con lo cual no se afecta la amplitud de la señal en esta
frecuencia.
A fin de asegurar que la amplitud de la señal
sinusoidal sea exactamente igual a 1, independientemente del valor
eficaz de las tensiones simples de red, se incluye un bloque que
efectúa un control automático de ganancia (CAG). En la salida de
este bloque se dispone de la portadora sinusoidal en fase con la
correspondiente componente fundamental de la tensión simple de
red.
Para obtener la componente en cuadratura,
componente cosinusoidal, se toma esta señal portadora y se la hace
pasar por un filtro FIR derivador H_{d}(z) que
presenta ganancia unitaria y fase 90º en la frecuencia fundamental
F_{r}.
La unidad de generación de referencias de
corriente 19 tiene como fin calcular las referencias de corrientes
de fase del equipo compensador que se consignan en los lazos de
control de corriente del mismo. El cálculo se ilustra en la figura
9.
Para ello se utiliza información proveniente de
la unidad de análisis de las corrientes de carga 17, de la unidad
de extracción de portadoras 18, de la unidad de balance de potencia
20 y de los medios de configuración personalizada 6 que permiten al
operador decidir que operativa de compensación desea. En este
sentido, esta unidad efectúa una labor integradora de la
información obtenida por las unidades citadas anteriormente.
En la unidad hay tres elementos de
selección:
- \bullet
- A_{SW} permite compensar o no los armónicos superiores (k = 2, ..., N) en una cuantía que ya ha sido fijada y calculada en la unidad de análisis de las corrientes de carga;
- \bullet
- R_{SW} permite compensar o no la parte reactiva de la componente fundamental de las corrientes de carga,
- \bullet
- y E_{SW} permite equilibrar o no la parte activa de las corrientes de carga.
Si se activan a la vez las tres modalidades de
selección, el conjunto (carga + equipo compensador) es visto, de
forma global, como un sistema trifásico equilibrado de corrientes
sinusoidales en fase con las tensiones simples de la red. Es decir,
con FP = 1.
Cuando se activan las funciones de compensación
de armónicos y de la parte reactiva de la componente fundamental,
la unidad efectúa su suma cambiando el signo para incluir estas
señales en las respectivas consignas de los lazos de corriente.
En el caso de la función de equilibrado se
utilizan las partes activas de la componente fundamental de las
corrientes de carga, para calcular el exceso o el defecto que hay
en las fases y generar así las consignas de corriente que trasvasen
estas magnitudes de una a otra fase.
Las consignas construidas a partir de las
funciones de compensación de armónicos, de compensación de reactiva
y de equilibrado de la parte activa, pasan a través de unos
elementos limitadores del valor eficaz y de la amplitud que se
describen más adelante. Después del limitador se añade a la
consigna de corriente de cada fase el valor I_{d}
resultante de la unidad de balance de potencia, multiplicado por la
portadora sinusoidal correspondiente a esa fase. Al estar esta suma
fuera del elemento de limitación no puede ocurrir que el equipo
compensador tenga una malfunción en una situación de plena carga
por no compensar sus propias pérdidas de operación.
En la figura 10 se representa la unidad de
limitación de las consignas de corriente. Está constituida por dos
partes conectadas en serie: la primera es un limitador de valor
eficaz y la segunda un limitador de amplitud o de cresta.
El limitador de valor eficaz es un sistema
realimentado no lineal que multiplica la señal a limitar por un
valor entre 0 y 1 según la siguiente operación: Si el valor eficaz
de la señal entrante x es inferior al valor eficaz máximo
X_{máxRMS} entonces la señal x se multiplica por 1 y
queda inalterada, mientras que si el valor eficaz de la señal
entrante x es superior a X_{máxRMS}, entonces la
señal x se multiplica por un valor inferior a 1 que hace que
la señal de salida tenga un valor eficaz igual al máximo posible
X_{máxRMS}.
El lazo de control del limitador de valor eficaz
consta de un extractor de valor eficaz, un comparador con el valor
máximo de valor eficaz X_{máxRMS}, un controlador de tipo
PI implementado por acciones con mecanismo de compensación de
saturación (sistema anti-windup) y un
elemento saturador Sat_{1}(\cdot) que mantiene a la señal
que multiplica a la señal a limitar en el rango entre 0 y 1.
El limitador en amplitud consta de un elemento
saturador Sat_{2}(\cdot) que limita los valores de las
corrientes entre un valor máximo y un valor mínimo.
Con la combinación de estos elementos operadores
se han logrado dos objetivos: Un control robusto y una protección
integral de los componentes del equipo frente a toda clase de
sobrecargas, tanto en régimen estacionario como en régimen
transitorio.
Según una segunda realización preferida, y tal
como se muestra en la figura 4, el compensador dispone, aparte de
los elementos propios de la realización anterior, de una batería de
acumuladores eléctricos 22 que se carga mediante un cargador de
baterías 23; un convertidor-5 ondulador 24, y un
sistema de by-pass 25 controlado por medios de
control adicionales 26, de manera que el compensador puede
funcionar además como un sistema de alimentación
ininterrumpida.
Claims (11)
1. Compensador de corrientes eléctricas que
comprende un convertidor de potencia, una pluralidad de sensores de
las corrientes compensadoras y de carga, un filtro a la entrada del
convertidor y medios de control digitales del convertidor
caracterizado por el hecho de que los medios de control
digitales comprenden bancos de filtros selectivos digitales para el
análisis de las corrientes de carga, por el hecho de que dichos
sensores de las corrientes compensadoras están conectados a la
salida del filtro por el lado de la red y por el hecho de que
dichas corrientes compensadoras se controlan mediante una batería
de resonadores digitales.
2. Compensador como el de la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho filtro situado a la
entrada del compensador es un filtro en T con dos inductores y un
condensador por fase, siendo el inductor lado convertidor al mismo
tiempo el inductor del convertidor de potencia.
3. Compensador como el de la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el banco de filtros
selectivos digitales comprende filtros digitales para los
diferentes armónicos y un filtro digital en cuadratura para la
frecuencia fundamental.
4. Compensador como el de la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dichos medios de control
comprenden medios para la configuración personalizada de las
funciones del compensador.
5. Compensador según la reivindicación 1 en el
cual dichos medios de control digitales del convertidor comprenden
además una unidad de balance de potencia, que comprende a su vez un
lazo de control de tipo PI y un elemento saturador a la salida de
dicha unidad, caracterizado además por el hecho de que
comprende a la entrada un filtro FIR de tipo peine con ganancia
unitaria en frecuencia cero.
6. Compensador según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicha batería de
resonadores digitales comprende un lazo interno de estabilización,
por fase, un lazo externo en cascada con el anterior formado por
una función constante y unas funciones de transferencia resonantes
de segundo orden y de ganancia muy elevada en las frecuencias
armónicas, estando dichas funciones armónicas dispuestas en
paralelo, y un lazo de prealimentación constante.
7. Compensador según la reivindicación 1,
comprendiendo dichos medios de control digitales una unidad de
extracción de portadoras, la cual comprende a su vez una función de
transferencia de ganancia constante, una función de transferencia
de control automático de ganancia y un filtro FIR derivador,
caracterizado por el hecho de que dicha unidad de extracción
de portadoras comprende además un filtro IIR ecualizador
paramétrico dispuesto entre la citada función de transferencia de
ganancia constante y dicha función de transferencia de control
automático.
8. Compensador según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que además comprende por fase
una unidad de limitación del valor eficaz y de la amplitud de las
consignas de corriente.
9. Compensador según la reivindicación 3,
caracterizado por el hecho de que dichos filtros digitales
para el análisis de los diferentes armónicos comprenden un filtro
FIR de tipo peine, de ganancia muy pequeña en las frecuencias
fundamentales, dispuesto en serie con una batería de ecualizadores
paramétricos para cada una de las componentes armónicas, de alta
ganancia de valor inverso a la ganancia de los filtros FIR.
10. Compensador según la reivindicación 4,
caracterizado por el hecho de que los medios para la
configuración personalizada permiten la activación independiente de
las funciones de equilibrado de fases, de compensación de
componentes reactivas y de compensación de corrientes armónicas,
permitiendo además seleccionar el nivel de atenuación de las
diferentes corrientes armónicas.
11. Compensador según las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende
además un convertidor inversor-ondulador, conectado
al bus de salida del convertidor de potencia; una batería de
acumuladores eléctricos, conectada al bus de salida del convertidor
de potencia; un cargador de baterías conectado entre la acometida
de red y las baterías; un sistema de by-pass, y unos
medios de control adicionales que permiten gestionar dichos
elementos de tal manera que el conjunto constituye un sistema de
alimentación ininterrumpida acondicionador de línea, que además de
la función compensadora permite alimentar sin interrupción cargas
críticas a la salida.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200700109A ES2326715B1 (es) | 2007-01-11 | 2007-01-11 | Compensador selectivo de corrientes armonicas, reactivas y de desequilibrio. |
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ES2326715B1 ES2326715B1 (es) | 2010-07-14 |
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ID=41136511
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
WO2003026094A1 (en) * | 2001-09-18 | 2003-03-27 | Comsys Ab | Apparatus and method for active filters |
-
2007
- 2007-01-11 ES ES200700109A patent/ES2326715B1/es active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2003026094A1 (en) * | 2001-09-18 | 2003-03-27 | Comsys Ab | Apparatus and method for active filters |
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ES2326715B1 (es) | 2010-07-14 |
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