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Omar Pinzón Ardila

Ingeniero Electricista por la Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. Magíster en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de los Andes de Bogotá, Colombia. Doctor Ingeniero Industrial en el área de Automática e Informática Industrial por la Universidad Pontificia Comillas de Madrid, España. Actualmente es profesor titular de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Pontificia Bolivariana, Seccional Bucaramanga. Ha participado en proyectos conjuntos con la industria en el diseño y construcción de módulos inversores para automóviles híbridos, sistemas de aerogeneración y filtros activos de potencia. Es autor de diversas publicaciones nacionales e internacionales. Sus áreas de interés se centran en aplicaciones de la electrónica de potencia en sistemas de energía eléctrica, estudio de energías alternativas y diseño e implementación de plataformas experimentales para el control avanzado de sistemas en tiempo real.

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Pinzón Ardila, Omar, autor

1. Tensores – 2. Recuperador Dinámico de Tensión – Control – 3. Simuladores – I. Título

CO- MdUPB / spa / rda

SCDD 21 / Cutter-Sanborn

Modelado de un recuperador dinámico de tensión para el mejoramiento de la calidad de la onda de tensión

Arzobispo de Medellín y Gran Canciller UPB: Mons. Ricardo Tobón Restrepo

Dirección Editorial

Radicado: 1599-22-06-17

Prohibida la reproducción total o parcial, en cualquier medio o para cualquier propósito sin la autorización escrita de la Editorial Universidad Pontificia Bolivariana.

Diseño epub:

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Tabla de contenido

1 Introducción

1.1 Antecedentes

1.1.1 Calidad de onda y compatibilidad electromagnética

1.1.2 Perturbaciones de la onda de tensión

1.2 Normativa y recomendaciones que regula la CEM

1.3 Organismos en compatibilidad electromagnética

1.4 Objetivos del trabajo de investigación

1.4.1 Objetivos Específicos

1.5 Organización del documento

2 Generalidades

2.1 Recuperador Dinámico de Tensión

2.2 Control del Recuperador Dinámico de Tensión

2.3 Cálculo de referencia

2.3.1 Métodos para detectar huecos de tensión

2.4 Control de la corriente del filtro de salida del convertidor

2.4.1 Control lineal de corriente

2.4.2 Control no lineal de corriente

2.5 Trasformador de acople

2.6 Resonancia transitoria del Recuperador Dinámico de Tensión

I

Modelado

3 Control de la tensión de salida del inversor fuente de tensión

3.1 Introducción

3.2 Tensión en inversores con tres ramas de interruptores e hilo neutro

3.2.1 Generación de una tensión de referencia

3.2.2 Cálculo de los tiempos en modo activo e inactivo

3.2.3 Tensión homopolar máxima y mínima en régimen permanente

4 Control de tensión y corriente

4.1 Introducción

4.2 Control interno de corriente

4.2.1 La trasformada de Park como herramienta para el modelado

4.2.2 Potencia instantánea

4.2.3 Modelo en tiempo continuo

4.2.4 Modelo en tiempo discreto

4.3 Organización del sistema de control

4.3.1 Sistema de referencia

4.3.2 Diseño del regulador de corriente

4.3.3 Simulación del sistema de control en variables de estado

4.4 Control de externo de tensión

4.4.1 Implementación del control de tensión

II

Simulación y resultados experimentales

5 Resultados

5.1 Simulación de un Recuperador Dinámico de Tensión

5.2 Descripción de la plataforma experimental

5.3 Metodología para la generación del programa de control

5.4 Prueba experimental de un Recuperador Dinámico de Tensión

5.4.1 Ensayo experimental: hueco de tensión

6 Conclusiones

Bibliografía

A Normativa y recomendaciones

Notas al pie

Agradecimientos

Este trabajo se ha llevado a cabo gracias al proyecto intitulado «modelado de un Restaurador Dinámico de Tensión para el mejoramiento de la calidad de la onda de tensión», financiado por la Universidad Pontificia Bolivariana, Seccional Bucaramanga, Colombia. DGI: 085-0112-2100. También extiendo mis agradecimientos al señor Luis Wilberto Peña Guiza, auxiliar de Laboratorio de Máquinas, por su valioso aporte en la fabricación y cableado de equipos. Al igual que al ingeniero Alirio Ernesto Ariza Méndez por su aporte en la fabricación de las placas de acondicionamiento de señales.

Resumen

En este trabajo se muestra el control de un Recuperador Dinámico de Tensión, (DVR, de sus siglas en inglés). Para ello inicialmente se modela un sistema de potencia donde se presentan perturbaciones de tensión (huecos de tensión) y se determinan las limitaciones y el comportamiento transitorio del compensador. Con respecto al control del compensador se propone una estructura combinada de dos niveles en cascada a partir de las variables medidas del sistema para mejorar la respuesta transitoria del dispositivo. En este documento también se muestran los problemas de retardo inherentes en el sistema de control digital de un Recuperador Dinámico de Tensión. Los sistemas de control digital normalmente tienen un retardo asociado al periodo de muestreo, la frecuencia de conmutación del inversor, el tiempo de medida del sensor, el cálculo de la acción de control, entre otros aspectos. Este retardo incrementa la dimensión de las variables de estado del sistema y lo conduce a la zona de inestabilidad. Con base en este análisis se propone un diseño de los controladores y la estructura del sistema de control. Los resultados obtenidos se validan en simulación utilizando el software PSCADTM/EMTDCTM Versión 4.6 y se muestran en funcionamiento mediante un prototipo de laboratorio.

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1. Introducción

En este trabajo de investigación se aborda el problema del modelado y control de un Recuperador Dinámico de Tensión, (DVR, de sus siglas en inglés). En el desarrollo del documento son revisadas las topologías existentes, las diferentes técnicas y algoritmos de control. Se analiza en detalle la implantación de un algoritmo de control del Recuperador Dinámico de Tensión y se prueba su eficacia mediante el software de simulación PSCAD/EMTDC [19, 60]. El Power Systems Computer Aided Design (PSCAD) es un software para la simulación de sistemas de potencia, desarrollado por la división Manitoba Hydro International del Centro de Investigación Manitoba HVDC. El PSCAD se compone de una interfaz gráfica para simular los sistemas de potencia junto con dispositivos electrónicos de potencia, los cuales son necesarios para realizar una simulación más realista de un Recuperador Dinámico de Tensión.

1.1 Antecedentes

Por tradición, la calidad de servicio ha estado asociada con la continuidad en el suministro eléctrico, pero desde hace unos años se han integrado nuevos conceptos tales como la calidad de onda y la atención comercial [8, 21]. El mantenimiento de la calidad de onda depende de un conjunto muy amplio de factores, unos propios del sistema eléctrico y otros que dependen de la presencia de consumidores que introducen perturbaciones en la red.

El nivel de perturbación en algunos puntos de la red puede llegar a afectar negativamente a los usuarios conectados a la red de suministro eléctrico, en especial aquellos con cargas sensibles [2, 21]. Por ello, los niveles de perturbación de las redes no deben sobrepasar un cierto valor de compromiso. Esto exige limitar el efecto de emisión de las perturbaciones por parte de los equipos conectados a estas mismas redes o instalar dispositivos de compensación, con el fin de disminuir al máximo las emisiones que se detectan en una red eléctrica, así como reducir en lo posible las repercusiones que pueden tener dichas alteraciones sobre el funcionamiento del equipo conectado a la red.

Cuadro 1.1: Perturbaciones asociadas a las características de la onda de tensión.

Característica

Perturbaciones asociada

Frecuencia

Variaciones de frecuencia

Amplitud

Variaciones lentas

Variaciones rápidas

Parpadeo (Flicker)

Interrupciones breves

Hueco

Sobretensiones temporales

Sobretensiones transitorias

Simetría de fases

Desequilibrio

Formas de onda

Tensión armónica

Tensión interarmónica

Las autoridades competentes de cada país fijan unos criterios normativos para asegurar que los niveles de perturbación en la red eléctrica no sobrepasen el nivel de compromiso. Las autoridades deben fijar los niveles máximos permitidos de emisión, así como los niveles mínimos de inmunidad de los diferentes equipos que se conectan a red eléctrica [11, 21].

Por un lado, las empresas suministradoras deben vigilar el nivel de perturbación en sus redes y garantizar que la suma de las emisiones de las perturbaciones procedentes de los equipos conectados a la red no sobrepase el valor de referencia especificado, imponiendo para ello la corrección de las perturbaciones en aquellos equipos que superen el límite permitido. Por otro lado, los fabricantes de equipos eléctricos deben ajustar sus diseños para cumplir los requisitos regulados de emisión e inmunidad a las perturbaciones.

En este compromiso y coordinación entre las diferentes partes, la regulación normativa juega un papel esencial. Dicha regulación debe realizarse en el ámbito internacional, al amparo de los organismos de normalización y teniendo en cuenta el carácter global de los mercados actuales.

1.1.1 Calidad de onda y compatibilidad electromagnética

La calidad de onda hace referencia a la onda de tensión de suministro y las perturbaciones asociadas a la misma. Agrupa prácticamente todas las perturbaciones de origen técnico, salvo las interrupciones largas de suministro que se encuadran dentro de la continuidad del suministro o fiabilidad. La onda de tensión ideal es sinusoidal, con amplitud y frecuencia determinadas e invariables, con simetría de fases (en los sistemas trifásicos) [21]. Cuando estas características son alteradas variando sus condiciones ideales, se dice que la onda de tensión sufre perturbaciones. Un suministro con buena calidad de onda debería mantener estas perturbaciones dentro de unos límites aceptables. En la Tabla 1.1, se presenta una clasificación de las perturbaciones que pueden afectar las distintas características de la onda de tensión. El compromiso entre emisión e inmunidad a las perturbaciones es resuelto por medio de las normas de compatibilidad electromagnética (CEM) [38].

La compatibilidad electromagnética se define como la aptitud de los dispositivos, aparatos o sistemas para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria y sin producir ellos mismos perturbaciones electromagnéticas intolerables para todo lo que se encuentra en su entorno [38]. Las características que deben cumplir los dispositivos, aparatos o sistemas para ser compatibles son descritas en normas internacionales donde también se muestran las perturbaciones existentes en un sistema de distribución de energía eléctrica y los límites máximos de las mismas (CEI 61000-2-1, CEI 61000-2-2)[39]. Basándose en esas normas, la CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique ) desarrolló la norma europea EN 50160 que busca uniformizar en todo el territorio de la Unión Europea la electricidad definida como producto. Cada perturbación tiene un índice asociado sobre el cual existe un importante consenso internacional. La norma europea CEI 61000-4-30 [40] describe exactamente cómo debe medirse cada una de las perturbaciones. En Colombia, a finales del 2012, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) presento la norma NTC-IEC 61000-4-30, la cual es una adopción idéntica de la norma europea y complementa las normas previas NTC 5000 y NTC 5001. La NTC 5000 define los términos fundamentales utilizados en el tema de calidad de la potencia eléctrica y la norma NTC 5001 establece las metodologías de evaluación y los valores de referencia de los parámetros asociados a la calidad de la potencia eléctrica en el punto común de conexión entre el operador de red y el usuario para todos los niveles de tensión, bajo condiciones normales de operación.

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Figura 1.1: Compatibilidad Electromagnética.

Por otro lado, en Colombia existe la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) entidad responsable de regular los servicios de electricidad y gas según lo establece la Ley 142 y 143 de 1994. Esta entidad fue creada por el Gobierno Nacional con el fin de regular las actividades de los servicios públicos y en particular el servicio de energía eléctrica. Entre las resoluciones más relevantes se encuentra la Resolución CREG 0024 de 2005, por la cual se modifican las normas de calidad de la potencia eléctrica aplicables a los servicios de distribución de energía eléctrica y crea, de este modo un punto de partida para la implantación de la Calidad de Energía en el territorio colombiano. Esta resolución fue modificada posteriormente por la Resolución 16 de 2007, la cual establece las normas de calidad de la potencia eléctrica aplicables a los sistemas de Distribución de Energía Eléctrica en el Sistema Interconectado Nacional.

En las distintas normativas son establecidos los límites en términos de probabilidad debido al carácter aleatorio de la mayoría de la perturbaciones existentes en el sistema. En la Figura 1.1 se muestra una representación de este escenario tanto para las compañías distribuidoras como para los fabricantes de equipo. En este caso se revela que las perturbaciones exhiben un comportamiento aleatorio ya sea de emisión o la capacidad que tienen los equipos de soportarla. Es por ello que los organismos internacionales juegan un papel de arbitraje donde establecen los límites y definen con ello los niveles de compatibilidad electromagnética de un fenómeno perturbador. Por ejemplo, un equipo debe ser inmune, con un 95% de probabilidad, al nivel de perturbación fijado en los niveles de CEM [38]. De esto deben encargarse los fabricantes de equipos, en la elaboración de diseños aptos para funcionar normalmente y con esos niveles de perturbación. También, se considera que debe haber un 95% de probabilidad de que las perturbaciones emitidas sean inferiores al límite de emisión fijado por los niveles CEM. Con este límite deben controlarse todos los emisores de perturbaciones.

En el caso del suministro de electricidad, es considerado imposible o con probabilidad cero suministrar un producto electricidad perfecto. Además, los niveles de compatibilidad electromagnética consideran que los límites fijados deben cumplirse durante el 95% del tiempo, y en el 95% de los puntos de la red. Incluyen, por lo tanto, una componente aleatoria ligada no solo con el tiempo, sino también al espacio.

1.1.2 Perturbaciones de la onda de tensión

En la normativa europea 85/374/EEC, al igual que la CREG, la electricidad es definida como un producto, y como tal su suministro debe regirse por los mismos derechos y obligaciones que la distribución de cualquier otro producto comercial. Ello implica una descripción exacta del producto electricidad, con las propiedades que debe tener. Las normas definen y uniformizan el producto electricidad. Las normas no fijan niveles de compatibilidad electromagnética, sino que describe cómo debe ser la electricidad que se suministra a cada cliente, o los niveles máximos de perturbaciones que pueden existir en cada punto de la red de suministro.

A continuación se presenta un resumen de algunas perturbaciones de la onda de tensión y los límites propuestos en la norma NTC-IEC 61000-4-30, los cuales se derivan de la norma española UNE-EN 50160 [7, 8].

Tensión armónica: son las tensiones sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación (60 Hz). Los armónicos se miden como la amplitud relativa de su valor eficaz.

Tabla167vhTHDv