Modelado, análisis y simulación digital para la mitigación de distorsión armónica mediante filtrado híbrido activo-pasivo

Abstract

Quality of power has become an important topic in power system analysis. It can be affected by different loads, which produce harmonic distortion of current/voltage and reactive power, mainly due to the proliferation of nonlinear loads. In this thesis, methods for harmonic mitigation and compensation of reactive power are detailed; in particular, active-passive filtering is reviewed; being its advantages and drawbacks analyzed. An application that produces a considerable harmonic distortion is the induction heating used for semiconductor fabrication, metalworking, welding and industrial induction heating. For this particular application, current distortion compensation method of induction heating in an industrial system is proposed. A method for selective harmonic mitigation based on the Fast Fourier Transform (FFT) is proposed. It is shown that this technique is fast and efficient in digital system, compared to traditional methods in the time domain. The computational advantages and the precision of the method based on the FFT for the detection of harmonics in applications requiring the computation of reference current for power quality improvement are pointed out. The proposed method can detect harmonic components of low and high magnitude and process the signals to obtain the compensation currents. The combination of an active and a passive filter for the mitigation of harmonic currents is proposed. It consists on a cascade hybrid filter for selective mitigation of harmonic currents. Its advantages, when compared against traditional harmonic current filtering methods, are identified. The proposed method for the selective harmonic current mitigation has been developed and implemented in Matlab/Simulink, this has allowed to identify its effectiveness.

La calidad de la energía, se ha convertido en un tema importante en el análisis de los sistemas eléctricos de potencia. Puede verse afectada por diferentes cargas que provocan distorsión armónica en corriente/voltaje y potencia reactiva, debido principalmente a la proliferación de cargas no lineales. Para mejorar el suministro y el consumo del sistema eléctrico, se han utilizado compensadores y filtros. En esta tesis se describen métodos para la mitigación de distorsión armónica y compensación de potencia reactiva. En particular, se revisa el filtrado pasivo, analizando sus ventajas y desventajas. Una aplicación que produce una considerable distorsión armónica es el sistema de calentamiento por inducción utilizado en metalurgia, soldaduras, fabricación de semiconductores. En esta aplicación en particular de calentamiento por inducción, se propone un método para la compensación de la distorsión armónica de un sistema industrial de calentamiento por inducción. Se propone un método de mitigación selectiva de armónicos basado en la Transformada Rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés), se muestra que es una herramienta rápida y eficiente en sistemas digitales, comparada con los métodos tradicionales en el dominio del tiempo. Se indican las ventajas computacionales y la precisión del método basado en la FFT para la detección de aplicaciones que requieren cálculos de corrientes de referencia para el mejoramiento de la calidad de energía. El método propuesto tiene la característica de detectar las componentes armónicas de menor y mayor magnitud y procesar las señales para determinar las corrientes de compensación. Se propone la combinación de un filtro pasivo y activo para la mitigación de corrientes armónicas: la propuesta consiste en un filtro hibrido en cascada para la cancelación selectiva de corrientes armónicas. Se indican sus ventajas con respecto a los métodos tradicionales de filtrado de corrientes armónicas.