Shunt filtering techniques for steady-state and dynamic harmonic mitigation and reactive power compensation in power systems

Abstract

The research work presented in this thesis is focused in the shunt filtering techniques to mitigate harmonic distortion and compensate reactive power in electric systems. Among the different alternatives and devices available, the attention is centered in the shunt Active Power Filter, Shunt Hybrid Filter and the Active Power Line Conditioner for compensation of reactive power and/or mitigation of harmonic currents in electric systems. The Active Power Filter has proved to be an efficient alternative due to its well known capabilities to perform harmonic distortion and reactive power compensation. Nevertheless, the research field is very active in the development of control algorithms for determining the reference signals of compensation. In this thesis, a control algorithm in phase coordinates, able to handle steady-state and dynamic compensation, has been developed and implemented in Matlab/Simulink®. In order to validate a future physical implementation of the compensation device, the control algorithm to determine the reference signals, as well as the complete model of the shunt APF, has been tested with Real-Time simulations to validate the feasibility of the control algorithm affordable computational demand. The real-time simulations include both steady-state and dynamic compensation of nonlinear loads. Following the aim of taking into account practical considerations of the compensation scheme, the Shunt Hybrid Filter is presented by adding a shunt capacitor to the compensation scheme. The shunt capacitor is placed to compensate reactive power, which reduces the necessary rating of the more expensive active power filter device, and can be used as a high-pass filter for draining-out the ripple current of commutation.

El trabajo de investigación en esta tesis está enfocado en técnicas de filtrado en paralelo para mitigar distorsión armónica y compensar potencia reactiva en sistemas eléctricos de potencia. De entre las diferentes alternativas y dispositivos disponibles, la atención es centrada en el Filtro Activo de Potencia en paralelo, el Filtro Hibrido en Paralelo y el Acondicionador de Línea de Potencia Activo para compensación de potencia reactive y la mitigación de corrientes armónicas en sistemas eléctricos. El Filtro de Potencia Activo ha probado ser una alternativa eficiente debido a sus capacidades bien conocidas para la compensación de distorsión armónica y potencia reactiva. No obstante, el campo de investigación es muy activo en el desarrollo de algoritmos de control para determinar las señales de referencia de compensación. En esta tesis, un algoritmo de control en coordenadas de fase, capaz de manejar compensación en estado estacionario y dinámica, ha sido desarrollada e implementada en Matlab/Simulink®. Con el fin de validar una futura implementación física del dispositivo, el algoritmo de control para determinar las señales de referencia, así como también el modelo completo del FAP, ha sido probado con simulaciones en tiempo real para validar la factibilidad de la demanda computacional asequible del algoritmo de control. Las simulaciones en tiempo real incluyen compensación en estado estacionario y dinámica de cargas no lineales. Siguiendo con el objetivo de tomar en cuenta consideraciones practicas del esquema de compensación, el Filtro Hibrido en Paralelo es presentado añadiendo un capacitor en derivación al esquema de compensación. El capacitor en derivación es colocado para compensar potencia reactiva, lo cual reduce la tasación necesaria del dispositivo Filtro Activo de Potencia más costoso, y puede ser usado como filtro pasa-altas para drenar la corriente de rizado de conmutación.