Diseño de un acondicionador activo de potencia basado en la combinación de filtro activo serie y filtro activo paralelo para la compensación de cargas trifásicas no lineales

Resumen

Este trabajo de Tesis presenta el diseño de un filtro activo de potencia combinado serie – paralelo para el acondicionamiento completo de la carga, tanto en las tensiones con las que trabaja como en las intensidades que requiere de la red de suministro, según una estrategia de compensación diseñada al efecto. El acondicionador, denominado Acondicionador Activo para la Compensación de la Carga (Load Compensation Active Conditioner, LCAC), está constituido por dos filtros activos de potencia, uno en serie con la red de suministro y otro en paralelo con el lado de carga, mediante la utilización de un bus de continua común. El filtro activo serie equilibra y regula las tensiones aplicadas, aislando a la carga de las distorsiones de la tensión de red. Por otro lado, el filtro activo paralelo se encarga de eliminar los armónicos de la intensidad de carga, así como las intensidades reactivas y de desequilibrio. La estrategia de compensación seleccionada permite a los convertidores actuar de forma coordinada, según un comportamiento dinámico rápido y robusto, con mínima dependencia de los valores precisos de los componentes utilizados. Esto ha permitido dotar al LCAC de una respuesta de alta estabilidad frente a las distintas condiciones de operación. La configuración establecida ha resultado adecuada para su aplicación a un amplio rango de tipos de carga y la implementación del control, expresada en variables en el dominio del tiempo, ha conducido a un diseño intuitivo y flexible de rápida respuesta dinámica. En concreto, en el capítulo II, se revisan los criterios utilizados para la evaluación de la mejora de la calidad de la potencia conseguida con equipos de compensación activa. Se profundiza en la aplicación de los índices de calidad basados en los planteamientos del IEEE Std. 1459, analizando en detalle la interpretación de los distintos indicadores. El estudio de la contribución de las componentes armónicas al desequilibrio ha llevado a la definición de un método mejorado, tanto en el esfuerzo de cálculo como en la interpretación de los índices correspondientes. Este nuevo procedimiento se ha aplicado sistemáticamente a todos los casos analizados para la valoración de sus resultados. En el capítulo III se describe el diseño del acondicionador activo. Sobre la base de las propuestas existentes, se establece la estrategia de compensación más adecuada para el LCAC según los objetivos propuestos. Posteriormente, se determina el procedimiento para la obtención de las señales de referencia de tensión e intensidad. Se analiza después el comportamiento de los elementos pasivos auxiliares con su modelo en el espacio de estados para determinar su respuesta dinámica y su capacidad de filtrado en altas frecuencias, así como para la sintonización de los parámetros de control. El dimensionamiento de los componentes del equipo se calcula en función de las tensiones e intensidades que tenga que suministrar según los objetivos generales planteados. Este análisis teórico se particulariza en la selección de los elementos para un prototipo de referencia, con vistas a su comprobación en una plataforma de simulación y su posterior validación con un prototipo experimental de laboratorio. En el capítulo IV se desarrollan las plataformas de simulación y de laboratorio utilizadas, así como los distintos casos prácticos seleccionados. La plataforma de simulación se ha desarrollado en el entorno MATLAB-Simulink e incorpora un nivel considerable de detalle en su modelado, con objeto de que sus resultados sean representativos de los obtenidos con el prototipo de laboratorio. A continuación, se presentan y analizan los casos prácticos de simulación que permiten validar en un primer nivel el comportamiento del diseño propuesto, así como el método de caracterización e interpretación de los resultados. Finalmente, se describen la plataforma de laboratorio y los correspondientes casos prácticos, para la validación experimental del diseño realizado y el análisis de los resultados obtenidos.