Estudio y Simulación de Los Filtros Pasivos, Activos e Híbridos de Potencia Para El Mejoramiento...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA - PER

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Abstract- : This paper presents the results of a study and simulation of passive, active and hybrid power filters analyzing their influence over the electric systems. The parallel filter compensates the harmonic currents of the loads. This papers also shows the advantages of the actives filters over the passives ones (the first ones dont have resonance; they improve the power factor and have a better dynamic response). It is also presented the comparison of the action of the passive, active and hybrid filters over the system, considering a typical harmonic source load as the power rectifier, using the PSCAD/EMTDC software for the simulations.

Index Terms, Active Power Filters, Harmonics, Hybrids Filters, Passive filters.

I. INTRODUCCIN os efectos de las armnicas en el sistema de potencia son variados, podemos dividirlos como efectos instantneos

(sobre los instrumentos de medicin y los sistemas de comunicacin) y efectos a largo plazo (perdidas adicionales en maquinas y transformadores, bancos de condensadores, etc.). Las consecuencias son mltiples, por ejemplo: daos en los equipos (menor tiempo de vida o su total inoperatividad); actuacin inadecuada de los sistemas de proteccin (que puede llevar a la desconexin de cargas importantes, lo cual conlleva a penalidades), etc.

Varias soluciones fueron propuestas, la ms utilizada es la colocacin de filtros pasivos, pero presenta el inconveniente que pueden originar resonancias (dependiendo de la topologa de la red), son propensos a la desintonizacin, y funcionan solo para armnicas especficas.

Los filtros activos estn compuestos por dispositivos electrnicos de potencia, un inversor, un filtro pasivo pasa bajo para filtrar el rizado que se produce debido a la conmutacin de los interruptores del inversor y un sistema de control que controla el nivel de tensin en el lado dc y los disparos de los interruptores del inversor.

Los filtros activos no producen resonancias en el sistema, ocupan menos espacio, no son propensos a desintonizacin y actan en forma dinmica atenuando las armnicas que se presenten.

Tanto los filtros pasivos paralelos como los filtros activos paralelos atenan las armnicas de corriente que inyecta la carga al sistema, pero el filtro activo paralelo acta como una fuente de corriente que entrega al sistema una corriente igual al contenido armnico de la carga pero con polaridad contraria. En la simulacin se observa que no se requiere de una fuente adicional de tensin continua en el lado dc del inversor (en su lugar se coloca un capacitor).

Este artculo muestra la comparacin de la accin de los filtros pasivos, activos e hbridos sobre el sistema, considerando para ello una carga tpica generadora de armnicos como lo son los transformadores-rectificadores controlados de potencia, utilizando el programa PSCAD/EMTDC para las simulaciones.

II. OBJETIVO Presentar a los filtros activos de potencia como alternativa

de solucin a la contaminacin armnica del sistema. Presentar las ventajas que tiene el uso de filtros activos

con respecto al uso de filtros pasivos comparndolos a travs de las simulaciones.

Mostrar la combinacin de los filtros pasivos y activos (filtro hibrido) en dos de sus configuraciones, con la finalidad de analizar sus ventajas y desventajas con respecto a la utilizacin individual de estos.

III. ARMNICOS EN LOS SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA Los sistema elctricos as como las cargas conectadas a

estos, han sido diseados para funcionar a frecuencias de 50 o 60Hz con tensiones y corrientes sinusoidales, pero por diferentes razones en cualquier parte del sistema de potencia se pueden presentar flujos a frecuencias diferentes, as se define a la frecuencia 50 o 60 Hz como la fundamental y a las otras frecuencias que se presentan como armnicas. La frecuencia fundamental es la nica que produce potencia activa. Las armnicas deforman la seal sinusoidal como lo muestra la fig. 1. Aqu se puede observar como se deforma la onda, al adicionarle a la fundamental las diferentes seales armnicas, tambin podemos notar que mientras sea mayor la presencia de armnicos, la forma de onda tiende a ser cuadrada; estas graficas son obtenidas con la ayuda del programa gnuplot [1].

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

0 45 90 135 180 225 270 315 360

MA

GN

ITU

D

w t

sin(x)sin(x)+1/3.*sin(3.*x)-1/5.*sin(5.*x)

Fig. 1. Formas de Ondas (fundamental y armnica)

Para entender el origen de los armnicos es necesario hacer

una comparacin entre lo que es una carga lineal de la no

Estudio y Simulacin de los filtros Pasivos, Activos e Hbridos de Potencia para el Mejoramiento de la

Calidad de Energa Oscar J. Pea Huaringa

L

SIMPOSIO INTERNACIONAL SOBRE CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA, SICEL 2007


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lineal, una carga lineal es aquella a la que si le aplicamos una tensin de un forma de onda cualesquiera, la corriente conserva esta forma de onda con un amplitud que puede ser la misma o diferente; en una carga no lineal la forma de onda de la corriente es distinta al de la tensin aplicada. Normalmente una carga no lineal esta constituida por dispositivos electrnicos de potencia.

Los efectos de las armnicas en los sistemas elctricos son variados y sus consecuencias mltiples, construir equipos que no contaminen o prescindir de ellos es muy costoso e inapropiado, por esta razn es que se busca minimizar sus efectos sobre la red, basndonos en normas y recomendaciones.

Existen varias soluciones al problema de las armnicas, aqu nos centraremos mas en la utilizacin de los filtros pasivos, activos e hbridos.

IV. FILTROS PASIVOS Un filtro pasivo es un conjunto de dispositivos que tiene

dos objetivos principales, servir de sumidero a las corrientes y tensiones armnicas y proveer al sistema de toda o parte de la potencia reactiva que este requiera.

Los filtros pasivos se pueden agrupar en dos tipos la serie y el paralelo. Aqu trataremos al filtro paralelo por ser el ms utilizado debido a las ventajas que presenta sobre el filtro serie.

Los filtros pasivos estn compuestos por elementos lineales (resistencias, inductancias y capacitancias), la fig.2 muestra algunas de sus configuraciones. Son muy utilizados debido a que son econmicos, pero presentan las siguientes desventajas:

1.- Son propensos a la desintonia, esta es provocada por variaciones de la frecuencia de la red, o variaciones de h (relacin entre la frecuencia del armnico y la frecuencia de la red) (debidas a las variaciones de la capacidad de los condensadores en funcin de la temperatura), esto puede reducirse por un compromiso entre los valores del factor de calidad (Q) y las caractersticas del filtrado. [2]

2.- Pueden originar resonancias ya sea serie o paralelo con la impedancia de la fuente o el circuito equivalente de la red, es decir dependen de la topologa de la red.

3.- Solo responden frente al armnico para el cual han sido sintonizados, lo que puede llevar a la destruccin del mismo, como consecuencia de una sobrecarga originada por la inyeccin adicional de armnicos (por parte de otras cargas).

Fig. 2. Configuracin de los filtros pasivos paralelos

A. Filtro pasivo paralelo sintonizado simple La fig. 3 muestra el comportamiento del filtro sintonizado

simple [3]. Pasos para determinar los parmetros del filtro pasivo

simple: Determine el valor de la potencia reactiva del condensador

en MVA, El valor de la reactancia del condensador es:

QckVXC

2

(1)

El valor de la reactancia del reactor ser:

2hXCXL (2)

(Donde h es el orden armnico) La resistencia del reactor ser:

QXnR (3)

donde 30


3

Las ecuaciones (1-2-4) son nuevamente utilizadas, la resistencia es:

XnQR (8) La impedancia para cualquier armnica ser:

hXC

hXLRhXLRi

hXLRhXLRhZ 22

2

22

2

)()()()( (9)

La corriente a travs del reactor es:

IFhXLhR

RILh .22

(10)

La corriente en la resistencia es:

IFhXLhR

XLhIRh .22

(11)

Donde 0.5


4

El nivel de tensin donde esta conectado es 4.16kV. En su espectro de armnicas las predominantes son la 5ta y la 7ma y en menor valor la 11va. El THD de corriente es dependiente del ngulo de sintonizacin del transformador-rectificador.

La tabla I muestra los valores de potencia activa, potencia reactiva y los valores de THD de corriente medidos en el sistema para cada ngulo de utilizacin del rectificador controlado.

En este articulo se considera (como referencia para la comparacin de THD) que el rectificador controlado se encuentra trabajando a 25.

TABLA I

POTENCIAS ACTIVA, REACTIVA Y % THDI SEGN ANGULO DE UTILIZACIN

Angulo P(MW) Q(MVAr) THDi (%)0 3.19 1.21 19.508 3.13 1.29 20.50

12 3.05 1.37 21.5015 2.97 1.44 22.2720 2.82 1.56 23.4525 2.62 1.68 24.4830 2.40 1.77 25.5035 2.15 1.83 26.90

B. Diseo del Filtro Pasivo y Resultados de la Simulacin a) Calculo de la potencia de compensacin del filtro pasivo

Debido a que el sistema necesita de compensacin reactiva (ver tabla 1), el filtro ser de compensacin. La fig.8 muestra el rango de valores de compensacin ptimo, en el cual se ha considerado como lmites la sobrecompensacion y el valor mnimo de potencia reactiva requerida por el sistema para tener un factor de potencia mayor que 0.961 para cualquier ngulo de trabajo. De acuerdo a estas consideraciones y a la normatividad, obtenemos una potencia de compensacin de 1.2 MVAr.

COMPENSACIN REACTIVA

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0.961 0.978 0.990 0.998 1.000Factor de potencia

MV

Ar

r

0

8

12

15

20

25

30

40

50

QreactivamaxQreactivamin.

Fig. 8 Compensacin Reactiva Para los Distintos ngulos de Trabajo.

b) Diseo del Filtro Pasivo

Teniendo en cuenta la potencia reactiva y las armnicas predominantes se disean tres filtros uno de 5ta, otro de 7ma y otro de 11va, en configuracin estrella, de acuerdo a las ecuaciones (1-7) y el estndar IEEE 18 2002. Considerando las potencias de 0.7 MVAr (5ta), 0.3MVAr (7ma) y 0.2MVAr (11va), sintonizados al 94% de su frecuencia de sintonizacin.

En la fig.9 se muestra la forma de onda obtenida de la utilizacin de los filtros pasivos ISa es la corriente de la fuente, Ia es la corriente que va hacia la carga. Con la accin

de los filtros pasivos se obtiene un THD de corriente de 11%.

TABLA II TABLA DE CLCULO DE LOS FILTROS PASIVOS

5ta CALCULO(%) LIMITE(%) EXCEDE LIMITE Potencia 0.70 MVAr

IRMS 109.3 135 NO L 3.09 mH VRMS 105.1 110 NO C 103.00 ufVPICO 113.7 120 NO R 0.07 ohmKVAR 114.9 135 NO Q (fact. Cal) 30.00

7ma CALCULO(%) LIMITE(%) EXCEDE LIMITE Potencia 0.30 MVArIRMS 105.7 135 NO L 3.61 mH VRMS 102.5 110 NO C 45.05 ufVPICO 107.2 120 NO R 0.11 ohmKVAR 108.3 135 NO Q (fact. Cal) 30.00

11va CALCULO(%) LIMITE(%) EXCEDE LIMITE Potencia 0.20 MVArIRMS 111.8 135 NO L 1.99 mH VRMS 101.0 110 NO C 30.40 ufVPICO 105.5 120 NO R 0.10 ohmKVAR 112.9 135 NO Q (fact. Cal) 30.00

T(seg) 4.930 4.940 4.950 4.960 4.970 4.980 4.990 5.000

-0.60 -0.30 0.00 0.30 0.60

C

orrie

nte

(kA)

ISa Ia

Fig. 9. Forma de Onda Obtenida luego de la Colocacin de los Filtros Pasivos

C. Diseo del Filtro Activo y Resultados de la simulacin a) Diseo del filtro activo

Se utiliza la teora p-q para calcular las corrientes de referencia [18], las cuales son comparadas con las corrientes inyectadas por el filtro, dndonos la seal de error que entrara al generador de pulsos, la generacin de pulsos se hace con la utilizacin de la modulacin PWM. Para que el filtro tenga autonoma se utiliza un sistema de control del nivel de tensin en el lado DC del filtro activo, el cual esta compuesto de un sistema PI cuya seal de ingreso es la diferencia entre la tensin medida y la tensin de referencia. (Ver fig. 10)

A

B

C

AM

GM

KB

ComBus

1 3 5

4 6 2

AO

0.035

Idc

Ndc

8.5

A

B

C

A

B

C

A

B

C4.16

#2#1

4.16

5 [MVA]RL

RL

A

B

C

RL

IFc

IFb

IFa

1

2

3

2

5

2

4

2

6

2

2

2

G1 G3 G5

G4 G6 G2

0.003

0.003

0.003

0.2

0.2

0.2

Va

Vb

Vc

IFa IFa

IFb IFb

IFc IFc

VFdc

ISa ISa

ISb ISb

ISc ISc

Ia

Ib

Ic

VFdc

1200

.0

0.001

VS=4.16kV60Hz

FILTRO ACTIVO PARALELO

Fig. 10 Filtro activo paralelo colocado en el sistema

b) Resultados de la Simulacin

La fig. 11 muestra el resultado de la simulacin Ia es la corriente de fase que va hacia la carga, ISa es la corriente de



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fase de la fuente, y IFa es la corriente que inyecta el filtro activo, la tensin en el condensador es 8.2kV, la cual es mantenida en el tiempo, al ser esta tensin superior al de la fuente, el filtro activo acta adecuadamente en el tiempo, incluso ante la presencia de una perturbacin.

Con el filtro activo se obtiene un THD de corriente de 2.85%.

T(seg) 0.610 0.630 0.650 0.670 0.690

-0.60 -0.30 0.00 0.30 0.60

C

orrie

nte

(kA)

Ia

-0.60 -0.30 0.00 0.30 0.60

Cor

rient

e(KA

) ISa

-0.50

0.00

0.50

C

orrie

nte

(kA)

IFa

T(seg) 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.280 0.290 0.300

-0.60 -0.30 0.00 0.30 0.60

C

orrie

nte

(kA)

ISa Ia

Fig. 11. Resultados de la Simulacin (Accin del Filtro Activo)

D. Diseo de los l Filtros Hbridos y Resultados de las simulaciones

En este punto se analizaran las dos configuraciones mostradas en la fig. 6

a) Filtro Hibrido (Activo Paralelo Pasivo Paralelo) a.1) Diseo del Filtro Hibrido

Aqu se analiza la configuracin mostrada en la fig. 12, este anlisis esta basado en [16]. La tarea de la compensacin reactiva y de armnicos es compartida por el filtro pasivo y el filtro activo. Los filtros pasivos son usados para suministrar potencia reactiva al sistema eliminando algunos armnicos, el filtro activo se utiliza para cancelar los dems armnicos, esto se logra tomando una correcta corriente de referencia del filtro activo y el proceso de filtrado de la seal de control.

Fig. 12. Configuracin del Sistema con el Filtro Hibrido

Esta conexin tiene la ventaja de relativa independencia. Los filtro pasivos pueden operar aunque el filtro activo este actuando o no, y viceversa. Sin embrago, la conexin de los filtros pasivos modifica la impedancia caracterstica del sistema. Por lo tanto, la cooperacin entre el filtro activo y el filtro pasivo es muy importante para realizar compensaciones eficaces.

El filtro activo se comporta como una fuente que inyecta corriente armnica, sin embargo la conexin paralela de los filtros pasivos cambia la impedancia caracterstica y presenta el peligro de tomar la corriente inyectada por el filtro activo. Se debe de separar las bandas de frecuencia de compensacin del filtro pasivo y el filtro activo. a.2) Resultados de la Simulacin

Segn los clculos realizados el filtro activo solo compensa una potencia reactiva de 0.2MVAr mientras que el filtro pasivo es encargado de la compensacin de los 1MVAr restantes.

La fig. 13 muestra los resultados de la simulacin, el valor del THD de corriente en la fuente luego de la accin del filtro hibrido es 3.1%.

Las corrientes Iha, Ihb e Ihc, son las corrientes bases para la aplicacin de la teora p-q y de esta manera hallar las corrientes de referencia; por tanto el filtro activo no filtrara los armnicos que son filtrados por los filtros pasivos, evitando sobrecargas en los filtros pasivos.

T(seg) 0.920 0.930 0.940 0.950 0.960 0.970 0.980 0.990

-0.60

-0.30

0.00

0.30

0.60

Cor

rient

e (k

A)

Ia(Carga)

-0.60

-0.30

0.00

0.30

0.60

Cor

rient

e (k

A)

ISa(Fuente)

-0.60 -0.30 0.00 0.30 0.60

C

orrie

nte

(kA)

IFa

Fig. 13 Resultados de la simulacin (Accin del Filtro hibrido)

b) Filtro Hibrido (activo serie paralelo pasivo) b.1) Diseo del filtro Hibrido

Aqu se analiza la configuracin mostrada en la fig. 14, este anlisis esta basado en [17]. A diferencia de este artculo, donde se propona el uso de tres inversores monofsicos aqu se propone el uso de un inversor trifsico, reduciendo el modelo de 12 transistores a 6, lo que significara un ahorro considerable. El control es realizado tambin en base a la



6

teora p-q [18]. La funcin del filtro activo serie no es la de directamente

compensar los armnicos del rectificador, sino la de mejorar las caractersticas de filtrado del filtro pasivo paralelo, el filtro activo serie acta como un aislador de armnicos.

Las armnicas de corriente que fluyen en la fuente son producidas por la corriente armnica de la carga ILh y el voltaje armnico de la fuente Vsh es dada por:

KZfZsVshILh

KZfZsZfIsh

(12)

Donde Ish0 si K Zs, Zf como se puede observar de la ecuacin (12) K evita la resonancia en paralelo, en el segundo trmino de la derecha se puede observar que el filtro activo serie acta como una resistencia de bloqueo la cual evita que la corriente armnica producida por la fuente de voltaje armnico fluya hacia el filtro pasivo paralelo. Si K Zs, las variaciones en la impedancia de la fuente no tienen efecto sobre las caractersticas de filtrado del filtro pasivo paralelo, logrando as reducir los armnicos de corriente.

Fig. 14. Configuracin del Sistema con el Filtro Hibrido y su Circuito Equivalente para Frecuencias Armnicas b.2) Resultados de la Simulacin

La fig. 15 muestra los resultados de la simulacin.

t(seg) 2.570 2.580 2.590 2.600 2.610 2.620

-0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60

Cor

rient

e (k

A)

ISa (Fuente)

-0.60

-0.30

0.00

0.30

0.60

Cor

rient

e (k

A)

Ia (Carga)

Fig. 15. Resultados de la Simulacin

Esta configuracin evita la posible resonancia entre los

filtros pasivos y la impedancia de la fuente, la compensacin la realizan los filtros pasivos que entregan una potencia

reactiva de 1.2 MVAr (son los mismos filtros usados en 7.2). El THD de corriente luego de la accin de este filtro hibrido es 3.5 %. La tabla 3 muestra el resumen comparativo de la utilizacin de los filtros.

TABLA III COMPARACIN DE L THDI OBTENIDO DE LA UTILIZACIN DE LOS FILTROS

THD DE LA CORRIENTE

DE AIMENTACION Carga Transf. -rectificador

controlado Angulo de 25

TIPO DE FILTRO

SIN FILTROS CON FILTROS FILTRO PASIVO 24. 5% 11. 0% FILTRO ACTIVO 24. 5% 2. 85% FILTRO HIBRIDO (ACTIVO PARALELO-PASIVO PARALELO)

24. 5% 3. 1%

FILTRO HIBRIDO (ACTIVO SERIE PASIVO PARALELO)

24. 5% 3. 5%

VIII. CONCLUSIONES

El uso de cargas no lineales aumenta da a da, tratar de disearlas de manera que no contaminen a la red, no resulta rentable, entonces lo que se hace es minimizar sus efectos sobre el sistema, por otro lado ahora el servicio de energa es considerado como un producto y como tal esta sujeto a responsabilidades por parte de la compaa que suministra el servicio.

Los filtros activos surgen como solucin a las limitaciones de los filtros pasivos y en este artculo se muestra el filtro activo paralelo, verificando su respuesta dinmica y funciones (como la correccin del factor de potencia y atenuacin de los armnicos existentes), a travs de las simulaciones.

Tambin en este articulo queda demostrado que la accin conjunta de filtros pasivos y activos (filtros hbridos) mejora las caractersticas de filtrado, evitando resonancias y haciendo mas verstil el control de la potencia reactiva y la contaminacin armnica del sistema.

IX. RECOMENDACIONES

Como se ha visto, los filtros activos son una alternativa para la solucin al problema de las armnicas, pero se debe tener en cuenta que su correcto funcionamiento depende en buena parte del diseo del pequeo filtro pasivo a la salida del inversor.

El uso de un condensador en el lado dc del filtro activo, evita la utilizacin de un rectificador. Pero es necesario un adecuado control del nivel de tensin de este condensador, a fin de obtener una mejor respuesta del filtro.

El filtro hibrido (activo paralelo pasivo paralelo) es una buena opcin para el filtrado de armnicos y manejo de la compensacin reactiva del sistema, el reparto de la potencia reactiva a compensar juega un papel primordial en su costo y versatilidad.



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X. REFERENCIAS [1] gnuplot www.gnuplot.com Programa graficador de ondas. [2] Christian Collombet, Jean Marc Lupin, Jacques Schonek Cuaderno

tcnico N 152 Los armnicos en las redes perturbadas y su tratamiento. Versin espaola: diciembre del 2000

[3] Dugan R.C; Mcgranaghan M.F; Beaty, H.W Electrical Power Systems quality. New York, McGraw-Hill. EEUU 1996.

[4] Kamal Al- Haddad, Ambrish Chandra, A review of active filters for power quality improvement Bhim Sing IEEE.

[5] Bhim Sing, Kamal Al- Haddad, Ambrish Chandra, A review of active filters for power quality improvement, IEEE.

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[15] Fang Zheng Peng, Hirofumi Akagi, and Akira Nabae, Compensation Characteristics of the Combined System of Shunt Passive and Series Active Filters IEEE

[16] Z. Chen, F. Blaabjerg and J. K. Pedersen A Study of Parallel Operations of Active and Passive Filters.

[17 ] Fang Zhan Peng , Hirofumi Akagi, Akira Nabae A New Approach to Harmonic Compensation in Power Systems-A Combined System of Shunt Passive and Series Active Filters IEEE.

[18] Hirofumi Akagi, Yoshihira Kanzawa and Arika Nabae Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components

XI. BIOGRAFA

Oscar Pea. Ingeniero electricista egresado de la Universidad Nacional de Ingeniera - PERU. Este trabajo forma parte de la tesis de pre-grado para optar por el Titulo de Ingeniero Electricista, en donde fue calificado con grado de Excelencia. Temas de inters: Calidad de Energa, Electrnica de Potencia, y Energa Renovables. [email protected] [email protected]


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