Detección de fallas en filtros pasivos para mitigar la distorsión armónica

Abstract

This thesis addresses the problem of fault detection in passive filters for harmonic distortion mitigation in power systems. The presence of harmonics, mainly caused by nonlinear loads, deteriorates power quality, leads to equipment overheating and increases losses. Singletuned passive filters are widely used to reduce harmonic distortion, but their performance strongly depends on the health of their components; incipient faults in capacitors, inductors, or damping resistors may go unnoticed until the filter no longer fulfills its function. The main objective of this work is to develop and evaluate a fault diagnosis methodology for passive filters based on a sliding mode observer, capable of generating residuals that are sensitive to changes in the filter parameters and robust to disturbances and moderate modeling errors. To this end, a time-domain mathematical model of a single-tuned passive filter is first proposed and validated by comparing its responses with simulations carried out in PSCAD, both in steady state and under different load conditions. Subsequently, based on this model, the sliding mode observer is designed and residuals are defined to distinguish between normal operation and different types of parametric faults. Numerical results show that the model adequately reproduces the behavior of the filter and the levels of total harmonic distortion (THD) at the nodes of interest. Likewise, the residuals generated by the observer exhibit clear variations in the presence of faults such as partial loss of capacitance, increased loss resistance, or inductance mismatches, while maintaining low sensitivity to moderate variations in operating conditions. This enables early detection of filter degradation before its ability to meet the specified distortion limits is lost, making it possible to implement monitoring and predictive maintenance schemes in systems where power quality is critical.

En esta tesis se aborda el problema de la detección de fallas en filtros pasivos para la mitigación de la distorsión armónica en sistemas de potencia. La presencia de armónicos, originados principalmente por cargas no lineales, deteriora la calidad de la energía, provoca sobrecalentamiento de equipos e incrementa perdidas. Los filtros pasivos sintonizados se emplean de manera amplia para reducir la distorsión armónica, pero su desempeño depende fuertemente del estado de salud de sus componentes; fallas incipientes en capacitores, inductores o resistencias de amortiguamiento pueden pasar desapercibidas hasta que el filtro deja de cumplir su función. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar y evaluar una metodología de diagnóstico de fallas en filtros pasivos basada en un observador en modo deslizante, capaz de generar residuos sensibles a cambios en los parámetros del filtro y robustos frente a perturbaciones y a errores moderados de modelado. Para ello, se propone primero un modelo matemático en el dominio del tiempo de un filtro pasivo sintonizado, el cual se valida mediante la comparación de sus respuestas con simulaciones realizadas en PSCAD, tanto en régimen permanente como bajo distintas condiciones de carga. Los resultados numéricos muestran que el modelo reproduce adecuadamente el comportamiento del filtro y los niveles de distorsión armónica total (THD) en los nodos de interés. Asimismo, los residuos generados por el observador presentan variaciones claras ante fallas como pérdida parcial de capacitancia, incremento en la resistencia de pérdidas o desajustes en la inductancia, manteniendo simultáneamente una baja sensibilidad a variaciones moderadas en las condiciones de operación. Esto permite detectar de forma temprana el deterioro del filtro antes de que se pierda su capacidad de cumplir con los límites de distorsión especificados, abriendo la posibilidad de implementar esquemas de supervisión y mantenimiento predictivo en sistemas donde la calidad de la energía es crítica.