Pág. 1/8 Trabajo escrito para el curso: “Filtros Activos de Corrientes Armónicas”. Autor: Ruben Chaer ( rch@todo.com.uy ) Feb. 2003, Montevideo-Uruguay. Análisis de la publicación: Paolo Mattavelli, “Compensación Selectiva de Armónicos en bucle-cerrado para Filtros Activos”, IIE Trans. Ind. Applicat., vol. 37, Nº1, Jan./Feb. 2001. ========================= DATOS DEL CURSO, “Filtros Activos de Corrientes Armónicas”. El curso fue dictado en el Instituto de Ingeniería Eléctrica en ocho clases, por el Prof. Adjunto Gonzalo Casaravilla en Noviembre – Diciembre del 2002. Como trabajo final del curso los asistentes eligieron una publicación sobre el tema entre un grupo entregado por el profesor, debiendo analizar su contenido y escribir un trabajo al respecto. OBJETIVO: es 1) Leer y entender la publicación seleccionada, 2) Extender la lectura a alguna de las referencias de a publicación y 3) Realizar los comentarios y/o criticas que surjan durante el análisis de la publicación así como profundizar en aquellos temas que permitan una mejor comprensión del tema. METODO: Se procedió a realizar una lectura y traducción del artículo en los momentos en que para entender algo se necesitó ir a una referencia se hizo y los comentarios y profundizaciones se realizaron en otro tipo de letra en este mismo documento. Así, en la lectura de este documento, lo que está con este tipo de letra son los agregados y comentarios y lo que está con - este otro tipo - son los tramos – traducidos y resumidos del trabajo original. Se agrega un apéndice con los desarrollos de las representaciones del sistema trifásico que permiten visualizar la acción del filtro selectivo en el espectro complejo. I Introducción. Los Filtros Activos de Potencia (APF) son una herramienta poderosa para la compensación no solo de los armónicos de corriente producidos por cargas distorcionantes sino también para compensar potencia reactiva y desbalances introducidos por cargas no lineales o fluctuantes. En el método convencional de detección de corriente (ref 1 y 2 ) para la generación de la referencia de corriente del filtro activo es generalmente realizada utilizando la teoría de “Potencia Instantanea” (ref. 1 ), técnicas de correlación en el dominio del tiempo (ref. 5), etc. Estas soluciones tienen el inconveniente de (debido a ser técnicas en el dominio del tiempo) de introducir un retardo en el APF el cual causa una compensación incorrecta con la consecuencia de un remanente de armónicos no deseados en la corriente de línea. Este efecto es dramático, especialmente cuando se utiliza la implementación puramente digital del control, porque el desempeño alcanzable puede decrecer por debajo de los límites aceptables. (ref. 6 y 7) Por esta razón, el control de histéresis de alto desempeño (ref. 7 )se ha convertido en una selección casi obligatoria para lograr una compensación armónica satisfactoria. La referencia describe y compara tres tipos de control de corriente para un VSI: 1) Lineal (que es analógico y consiste en la comparación del error en corriente filtrado_PI con una triangula) El principal inconveniente es la falta de control sobre el contenido de los armónicos altos., 2) El control “deadbeat” (digital, o de tiempo muerto, es digital y calcula en el plano de estados del VSI los tiempos de conmutación para el siguiente período. El principal inconveniente es el retardo) y 3) El control con banda de histéresis que en su versión mejorada tiene la banda modulada para obtener una frecuencia de modulación constante. Si bien el autor dice que este tiene la ventaja de ser rápido no parece tener control sobre el contenido armónico en frecuencias altas. Si bien este método puede ser mejor que comparar con una triangular, en cuanto al manejo del contenido armónico, tampoco es exacto en la cancelación de los armónicos. Además del retardo en el control de corriente, las técnicas convencionales de detección de la corriente de carga o de fuente (ref. 8) son métodos que pueden transformarse en inestables cuando la corriente de carga incluye elementos capacitivos y/o resonantes como reportan las referencias (8 – 13). Alternativamente, la compensación basada solamente en la detección de voltajes (ref. 10-12) no son afectadas por la inestabilidad antes mencionada, pero su aplicación implica una mayor interacción con los armónicos de tensión de la fuente. Pág. 2/8 Para manejar el retardo del loop de corriente del VSI se han propuesto diferentes compensaciones introduciendo filtros de avance de fase ya sean filtros reales o utilizando técnicas de transformación al dominio de la frecuencia (Discrete Fourier Transform). Todas estas compensaciones implican una feedforward por adelantado (o compensación de un estimado) que son siempre muy vulnerables a los cambios de parámetros y puede transformar el sistema rápidamente en inestable. En este trabajo se presenta una compensacion en loop-cerrado de armónicos seleccionados de la corriente de línea. Como en cualquiera de las técnicas selectivas, se asume que la distorsión causada por las cargas varían lentamente y por lo tanto el filtro activo se controla para realizar una compensación de armónicos, que aunque sea lenta es precisa. El control se logra mediante una regulación en bucle cerrado de los armónicos de la corriente de línea que incluye un controlador de “marco de referencia sincrónico” (Sincronous Frame Reference) para cada armónico, tanto para la secuencia positiva como negativa. Se miden las corrientes de línea en lugar de las de carga. marco estacionario” (stationary frame controllers) equivaletes. II Compensación Selectiva Propuesta Se supone sistema trifásico sin neutro por lo que las cantidades trifásicas son expresadas en el sistema de corrdenadas alfa-beta. Siguiendo el diagrama, las referencias de la corriente de línea iS* y iS* son obtenidas multiplicando las tensiones de línea (posiblemente filtradas) con la salida del regulador de voltaje del link de continua. A continuación se realiza un control selectivo en bucle cerrado de las corrientes de líneas. La solución propuesta pertenece a la categoría de las llamadas “detección de corriente de fuente”. Así, los errores de corriente de línea j son primero convertidos en las cantidades correspondientes en los diferentes marcos de referencias sincrónico con cada armónico seleccionado para cada una de las secuencias. La transformación para la secuencia positiva del armónic k es dkq+ y consiste en jk multipicar por e . Simétricamente la transformación al marco sincrónico con la secuencia negativa del armónico k la llamamos La solución propuesta, que es particularmente adecuada para su implementación digital tiene las siguientes ventajas: El control selectivo de armónicos permite reducir los requerimientos de los filtros tanto en los valores de tensión y corriente máximos como en el ancho de banda requerido. El control no es sensitivo al retardo del loop de corriente del VSI. Cada armónico de los seleccionados puede ser eliminado completamente por la acción del bucle cerrado de corriente del controlador. La misma realimentación hace que el controlador sea insensible a desajuste en los parámetros. Oscilaciones e iteraciones que puede ocurrir entre el filtro activo y la carga debido a la presencia de condensadores o elementos resonantes en la impedancia de carga son minimizadas. dkq- y consiste en multiplicar por e En la implementación práctica digital usando un DSP, la complejidad tradicional asociada a los controladores de “marco de referencia sincrónico” ha sido evitada usando “controladores de velocidad angular jk . Vale la pena hacer notar que si consideramos el desarrollo de Fourier de de una señal periodica, x(t) se puede expresar dicha señal como: x t k C x e k frecuencia períodica 1 Ck ( x ) T j 2kf0t k donde fundamental y las g T x (t ) e jk 2f 0t de f0 es la la señal constantes dt son tg números complejos (son los coeficientes de la serie de fourier). Si pensamos en cada termino de la sumatoria como el complejo Ck girando a velocidad angular k 2f 0 . Podemos pensar en x(t) como un complejo formado por la suma de todos esos vectores giratorios. Ahora si hacemos un cambio de coordenadas que consista en girar los ejes del plano complejo a una referencial, el nadas n2f 0 , en el nuevo complejo x tendrá coorde- x e jn2f0t , es decir se verá como Pág. 3/8 girado en sentido contrario al que avanzaron los ejes de coordenadas. Pues bien, si tomamos el desarrollo de x(t) y le aplicamos el cambio de coordenadas (multiplicando por e mos: x t e jn2f0t k C x e k C x e k j 2kf0t k k jn 2f 0t ) tene- e jn2f0t k jn 2f t 0 por e actúa como selector de la componente armónica n de la señal x(t). Observando la forma de la expresión: x t e k C x e k k k C x e k j 2kf0t e jn 2f 0t j 2 ( k n ) f 0t k hacemos notar que en lo que se refiere al espectro de barras de x(t) el cambio de referencial es un desplazamiento del espectro, que lleva a que el que antes era la barra del armónico n sea ahora la barra del armónico de contínua. En este sentido, la bondad de la selectividad depende de la capacidad de corte del filtro pasabajas que se aplique. Una vez multiplicado el error en corriente jk 2f t 0 por los correspondientes e para cada armónico n que se desea compensar, se obtienen jk 2f t 0 inversa a la antes realizada e (si es necesario se agrega un ángulo en esta transformación para compensar el retardo introducido en todo el bucle) luego son sumados los valores para formar las referencias de corrientes para el bucle de control de corriente del VSI. El bucle de control- directo de corriente sobre el VSI se dejó fuera del controlador selectivo para asegurar una protección contra sobrecorrientes del inversor. j 2 ( k n ) f 0t De esta expresión podemos visualizar x(t) en el nuevo referencial como un número complejo formado por vectores (los Ck) que giran a velocidades angulares menores que en el referencial original (el módulo de la velocidad angular es menor para los valores de k positivos y mayor para los valores de k negativos. La velocidad angular considerada con signo es menor para ambos signos de k ). En particular el término correspondiente a k=n se detiene y no está girando. Es en este sentido que la multiplicación jn 2f 0t multiplicando cada uno por la transformación k e jk 2ftestos Se hace notar que si bien el algoritmo propuesto es adecuado para cargas que no fluctúan rápidamente. Su aplicación puede ser extendida a cargas de fluctuación rápida utilizando una realimentación adicional del estilo convencional sobre la corriente de carga. Esta aproximación permite que la realimentación convencional actúe rápidamente y que la compensación selectiva se encargue de anular los remanentes en los armónicos en el estado estacionario. La realimentación convencional no es tan selectiva en los armónicos e introduce una mayor iteración del controlador con la dinámica de la carga. La compensación de ambas secuencias (positiva y negativa) de la componente armónica k con el mismo regulador Reg_k permite una simplificación de la cadena pasaje a marco sincronizado + filtro Reg_k + pasaje al referencial inicial cuando se consideran en conjunto las dos secuencias del mismo armónico. Esto tiene un ahorro en la cantidad de operaciones a ejecutar en el DSP. III CRITERIO DE DISEÑO. A. Criterio de diseño de los parámetros del regulador. Se pueden utilizar diferentes estructuras de controladores. Un tipo simple pero eficiente de controlador es un integrador simple con ganancia finita. Rgk s K Ik Tk 1 s Tk 0 los correspondientes valores k son entonces filtrados por los respectivos reguladores Reg_k que debieran asegu rar que en estado estacionario el k correspondiente debe ser nulo. La salida de estos reguladores es llevada al marco de referencia original Al sumar la salida de todos los reguladores (con las transformaciones de marco correspondiente) tenemos un filtro con picos de ganancia en las frecuencias correspondientes a los errores que queremos atenuar. Cuanto más angosto sean los filtros Rgk(s), más pronunciados serán los picos del filtro resultante y en consecuencia mayor será la selectividad del control. Pág. 4/8 Si el filtro Regk fuese una ventana que deja pasar solamente el valor de continua, el filtro resultante de la suma de todos los filtros es un peine que deja pasar solamente las componentes del error en corriente que se desea atenuar. Dando una ganancia suficientemente elevada a esos picos se logra que el error sea despreciable. La presencia de filtros angostos vuelve sensitivo el mecanismo a las fluctuaciones de la frecuencia de la fuente. Aquí vale la pregunta de porqué no diseñar directamente un filtro digital en lugar de digitalizar un diseño analógico. Por ejemplo si se utilizara como filtro la media móvil de las muestras correspondientes a un período se tendría un filtro con ganancia en continua y un cero en cada armónico lo que hace que al aplicar las tranformaciones y desplazar los filtros múltiplos entero de la fundamental y luego sumar, el único valor que no es nulo en la frecuencia de cada componente es el del filtro que se supone debe seleccionar dicha armónica. De esta forma se logra en estado estacionario imponer un CERO en las frecuencias sobre las que no se quiere actuar y darle la ganancia que se necesite a aquellas sobre las que sí se desea actuar. Quizás la razón de esa implementación que también importa que en las frecuencias interarmónicas la ganancia se nula, por tanto habría que comparar no solo lo que pasas en las frecuencias múltiplos de red sino. B. La estrategia propuesta no tiene el error introducido por el retardo del VSI porque se compensa el retardo del VSI en la etapa final del regulador selectivo. Me parece que hay que relativizar estos resultados dado que el retardo en el VSI está dado en la práctica por la frecuencia máxima de conmutación de las llaves de frecuencia. En el método propuesto esto queda oculto dado que se dice que se compensa el retardo en la etapa final del regulador selectivo. En la práctica me parece que esta compensación tendrá el efecto de exigir tiempos entre conmutaciones de las llaves del inversor que no son posibles y prevalecerá la protección de las llaves. D. Equivalencia en el marco estacionario de referencia. Si se hacen las cuentas suponiendo igual tratamiento de las secuencias positivas y negativos (igual regulador) y si el regulador elegido es: Rgk s K Ik Tk 1 s Tk Haciendo cuentas y discretizando (usando FirstOrder-Hold ) llega a: bok b1k z 1 b2k z 2 RgkAC z 1 a1k z 1 a2k z 2 Interacción con la red de alimentación La velocidad de respuesta de la estrategia de compensación propuesta está relacionada no solo con el comportamiento variante en el tiempo de las cargas distosionantes sino también con la presencia de capacitores y elementos resonantes en la carga compensada. Recordamos que (ref. 8 – 13) de hecho que los métodos convencionales de detección de la corriente de carga o de fuente son propensos a dar una operación inestable en presencia de elementos capacitivos o resonantes en la carga, incluso aunque estos elementos sean muy pequeños. En la estrategia de control propuesta en este trabajo, esas iteraciones con la carga pueden ser reducidas a expensas de disminuir la velocidad de respuesta del control. C. Aquí el autor muestra la respuesta en frecuencia de un loop de control de corriente que consiste en seguir una referencia pero con un retardo y la respuesta en frecuencia de la estrategia propuesta. Comparación con el método de detección de corriente de carga. IV RESULTADOS EXPERIMENTALES. El autor presenta los resultados de aplicar la estrategia de control propuesta con un inversor manejado con loop de corriente del tipo de “tiempo-muerto”. Los resultados mostrados no son claramente excelentes. V CONCLUSIONES. El autor resalta en las conclusiones la bondad del método en cuanto la posibilidad de la eliminación completa en estado estacionario de armónicos seleccionados, así como la robustez frente a las frecuencias de resonancias del sistema (dada la selectividad del filtro podemos cortar antes que las frecuencias en cuestión). También destaca que se puede evitar la complejidad de las tranformaciones a marcos sincrónicos de referencia mediante el cálculo del filtro Pág. 5/8 digital equivalente en el caso en que se traten por igual las secuencias positiva y negativa. Referencias consultadas: [7] S. Buso, L. Malesani, and P. Mattavelli, “Comparison of current control techniques for active filter applications,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 45, pp. 722–729, Oct. 1998. [8] H. Akagi, “New trends in active filters for power conditioning,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 32, pp. 1312–1332, Nov./Dec. 1996. Pág. 6/8 (APENDICE) REPRESENTACIONES DE UN SISTEMA TRIFASICO. PASAJE DE 3 A 2 COORDENADAS, DIRECTO+INVERSO+HOMOPOLAR y ESPECTRO COMPLEJO. Ruben Chaer. Feb. 2003. Aquí analizo la representación del sistema trifásico por un vector de dos coordenadas (o por un número complejo). Esta representación es de gran utilidad para entender el funcionamiento del filtro selectivo y por eso la agrego aquí. Posiblemente para muchos esto sea innecesario, pero a mi me fue muy útil para visualizar el funcionamiento del filtro y entender cómo es selectivo en los armónicos y en las secuencias (positiva o negativa) del sistema. Supondremos todas las señales periódicas con período T. Cuando hablemos de serie de Fourier nos estaremos refiriendo a la serie exponencial con las siguientes definiciones para los coeficientes de la serie: 1 Ck ( x ) T g T x (t ) e jk 2f 0t dt tg y la serie de Fourier correspondiente es: x t k C x e k j 2kf0t k Pasaje de 3 a 2 cordenadas. Vector Esapacial. Llamemos e 2 j 3 1 3 j 2 2 . Es sencillo demostrar que: 2 1 1 0 3 k3 n n * Dadas las tres funciones a(t), b(t) y c(t) correspondientes a las tres fases de un sistema trifásico, definimos la función compleja x(t) como la combinación lineal: x(t ) a(t ) b(t ) 1 c(t ) x(t ) (t ) j (t ) La función x(t) así definida tiene propiedades que permiten una visulización de conjunto del sistema trifásico y es comúnmente denominada “Vector Espacial”. Para que el pasaje de tres (a,b,c) a dos coordenadas (x) sea invertible hay que agregar información para eso definimos una función adicional z(t) definida como la suma de a, b y c. z(t ) a(t ) b(t ) c(t ) Es posible despejar a(t), b(t) y c(t) en función de x(t) y z(t) operando sobre las definiciones anteriores. [NOTA: Si se observa la parte real e imaginaria de x(t) y la función z(t) se verá que corresponden con la transformación de Clarke] Para pasar de 2 a 3 se observa que: ( x(t ))* a(t ) 1 b(t ) c(t ) lo que permite escribir la siguiente ecuación matricial: 1 x 1 a x * 1 1 b 1 c z 1 1 y su inversa: 1 1 x a 1 b 1 1 1 x * 3 c 1 1 z Secuencia Positiva, Negativa y Homopolar. Primero vamos a mostrar que es posible encontrar tres funciones reales d(t), i(t) y h(t) tal que se puede escribir: Cn a 1 C b sign ( n ) n Cn c sign ( n ) 1 Cn d 1 Cn i 1 Cn h 1 sign ( n ) sign ( n ) El sistema es invertible lo que nos da una forma de cálculo de (dih) en función de (abc): 1 sign ( n ) Cn d C i 1 1 sign ( n ) n 3 1 1 Cn h sign ( n ) Cn a sign ( n ) Cn b 1 Cn c Se observa que dado que (abc) son reales, se cumple: * C n a Cn a C b C b* n n * C n c Cn c esto junto a que: sign ( n ) sign ( n ) ( sign ( n ) )* sign ( n ) ( sign ( n )) ( sign ( n ) )* nos permite demostrar que: C n d C n d C i C i n n C n h C n h * Esto implica que las funciones (dih) son calculables como funciones reales en el dominio del tiempo. El significado de (dih) es que mirando cada componente armónica por separado en el tiempo, la componente directa (d(t) ) es una función que aporta a todas las fases de forma tal Pág. 7/8 que en b(t) aparece con un retraso respecto de a(t) de 1/3 del período de esa armónica (T/n) y c(t) aparece con un retraso de 2/3 (T/n) (o en adelanto 1/3 (T/n) ) respecto de a(t). Los aportes de i(t) son similares pero con el orden de los retrasos invertidos. Es como la componente (mirada en un diagrama fasorial) gira en sentido inverso. La componente de h(t) como vemos aporta a todas las fases por igual. [NOTA: Lo anterior no es ni más ni menos que la aplicación de la descomposición de Fortescue de un sistema trifásico de fasores en sus componentes directa, inversa y homopolar. El signo(n) aparece por estar aplicada la descomposición a los coeficientes de la serie exponencial de Fourier en lugar de a los fasores]. Para apreciar esto presentamos los siguientes ejemplos: Ejemplo1 (directa) 2 d t cos n t ; i (t ) 0; h(t ) 0 T 2 a (t ) cos n T t 2 b(t ) cos n (t 3Tn ) T c(t ) cos n 2 (t T ) 3n T Ejemplo2 (inversa) A su vez, los coeficientes de a, b y c en función de las funciones de secuencia se pueden escribir como: C n a 1 C b sign ( n ) n sign ( n ) C n c 1 sign ( n ) sign ( n ) Sustituyendo para calcular Cn(x) tenemos: 1 C i 1 C h Dado que 1 0 , los coeficientes Cn x 1 sign ( n ) 1 sign ( n ) Cn d 1 sign ( n ) n n 1 de la homopolar no aparecen en el espectro complejo. Ya podemos apreciar una propiedad del espectro complejo y es que NO TIENE INFORMACION sobre la homopolar. Si n > 0 tenemos: 1 1 1 2 a (t ) cos n T t 2 b(t ) cos n (t 3Tn ) T 2 c(t ) cos n (t 3Tn ) T En forma similar, si n < 0 Ejemplo3 (homopolar) Cn x 3 Cn d ; si n 0 Cn x 3 Cn i ; si n 0 Espectro Complejo. Dada la definición de x(t) podemos escribir los coeficientes de su serie de Fourier como: Cn x Cn a Cn b 1 Cn c C i Cn x 1 1 1 Cn d 2 d t 0; i (t ) cos n t ; h(t ) 0 T 2 a (t ) cos n T t 2 b(t ) cos n t T c(t ) cos n 2 t T sign ( n ) 1 y operando: 2 d t 0; i (t ) 0; h(t ) cos n t T 1 C n d 1 C n i 1 C n h n Cn x 3 Cn d 1 C i Cn x 1 1 1 Cn d 1 1 n y operando: Cn x 3 Cn i Resumiendo: Como demostramos que las funciones d(t) e i(t) son reales, basta con tener medio espectro para saber calcularlas así que el espectro de x(t) las determina completamente. La parte correspondiente a frecuencias positivas del espectro es la parte correspondientes a frecuencias positivas del espectro de d(t) multiplicado por 3 mientras que la parte de frecuencias negativas del espectro de x(t) es la parte de frecuencias negativas de i(t) multiplicada por 3. Esta conclusión nos permitirá operar independientemente sobre las barras del espectro de x(t) sabiendo que estamos operando sobre las correspondientes armónicas de d(t) e i(t). Pág. 8/8 Para completar la información necesaria para pasar de 3 a 2 coordenadas nos falta z(t). Aplicando la definición tenemos: Cn z Cn a Cn b Cn c que sustituyendo por las expresiones en (dih) tenemos: 1 C i 1 C h C n z 1 sign ( n ) sign ( n ) C n d sign ( n ) sign ( n ) n 1 n Sin importar el signo, los paréntesis que multiplican los coeficientes de d e i son nulos, quedando: Cn z 3 Cn h Retardo en el tiempo. x(t ) Ck x x(t ) Ck x e j k 2 T Si se nos ocurre hacer un retado dependiente de la componente, se debe cumplir: ( k ) 2 j k 2 k * j k k k e T e T para asegurar la antisimetría del espectro y por consiguiente que la nueva señal del tiempo es real. Ejemplo, retardo de 1/3 del período de cada armónica. El período de la componente armónica (k) es (kT). Para retrasar solamente la componente de la armónica (k) en 1/3 de su período habrá que modificar solamente sus coeficientes de acuerdo con la fórmula anterior con el siguiente retardo: 1 T 3 k , dónde hemos tomado el módulo de k para que la definición sea válida para (-k y k). Sustituyendo en la fórmula del retardo, tenemos: x k (t ) C k x e C k x e Siendo j e 2 k 3 k el j k 2 1 T T 3 k 2 k j 3 k coeficiente sign k C k x sign k de retardo: