[EN] The present PhD work falls in the field the power quality and stability improvement applied in single phase electrical grids as microgrids and small smart grids. Distributed integration of different energy sources, including renewable sources based on small wind electric systems, is commonly present in these electrical grids. The power electronics converters used in these small wind electric systems can also be used as active power filters so, in cases that the wind energy resource is low, the available power of the power converter could be used to improve the grid quality and stability by reducing harmonics and compensating fundamental reactive power. By using the appropriate control techniques, the power converter can help to mitigate the nonefficient phenomena present in the grid at the same time that it is delivering active power to the power network that is, working as a hybrid compensation-generation system. This PhD work presents a study and analysis of such hybrid systems and their contribution to the improvement of low voltage single phase microgrid and smart grid networks. Based on the nonefficient effects produced by non-linear loads and electronic power systems in both microgrids and Smart Grid networks, a new adaptive method is proposed for the measurement, analysis and correction (elimination or attenuation) of the harmonic, interharmonic and subharmonic components present in the electrical system. It will be suitable for its application to hybrid generation-compensation systems based on small wind electric systems connected in single phase low voltage networks. The proposed method is based on the Kalman filter. It aims to exactly detect the frequency components present in an electrical signal. The number of components is determined, and for each one of them, their magnitude and phase, and their projections on the quadrature axes (¿, ß). In order to provide greater flexibility and modularity to the proposed method, the frequency spectrum of the signal is separated into frequency bands. This helps to mitigate, in part, some of the disadvantages of the Kalman filter. Detection of the number of frequency components of the signal, its separation into frequency bands and the Kalman filter estimation of each one, are the main parts or subsystems of the proposed method. Also, after determining the nonefficient phenomena present in the common connection point with the grid, a current control strategy is proposed to generate the reference current for the power electronic converter control system. This reference current allows the grid injection of active power as well as the compensation or reduction of the no efficient phenomena (harmonics, inter-harmonics, sub-harmonics and / or reactive power). Simulation results of the proposed method for different loads and supply conditions are presented. In addition, a comparison between different cases is also included. Finally, conclusions, contributions, future works and derived publications are presented. / [ES] La presente tesis doctoral se enmarca en el campo de la mejora de la calidad de la energía eléctrica y la estabilidad en redes de suministro de baja potencia como las micro redes y pequeñas Smart Grid monofásicas. En dichas redes es común la integración distribuida de diferentes fuentes de energía incluyendo, entre otras, aquellas basadas en fuentes renovables y, entre estas últimas, las basadas en la generación de energía a partir de mini generadores eólicos (comúnmente conocido como generación mini eólica). Por su topología, los sistemas electrónicos de potencia empleados para la conexión a la red eléctrica de estos generadores, también pueden ser empleados para la implementación de equipos de mejora de la calidad del suministro eléctrico, denominados filtros activos de potencia. Este hecho ha dado lugar a la aparición de sistemas híbridos (mixtos) que son capaces de generar e inyectar energía a la red eléctrica a la vez que, en determinadas condiciones, pueden mejorar la calidad del suministro eléctrico. La justificación viene determinada por el hecho de que el recurso eólico (viento) no es continuo ni estable, lo cual provoca que el convertidor electrónico de potencia de la instalación no se encuentre siempre ocupado al 100% en la generación de energía. Mediante las adecuadas técnicas de control es posible aprovechar la potencia sobrante del convertidor para mitigar las ineficiencias presentes en el punto de conexión del convertidor a la red eléctrica. En esta tesis doctoral se plantea el estudio y análisis de dichos sistemas híbridos de generación y optimización de la calidad del suministro a partir de generadores mini eólicos con el fin de contribuir a la mejora de los mismos cuando se conectan a redes de baja potencia monofásicas. Basándose en los efectos ineficientes que tanto en micro redes como en Smart Grids produce el uso cargas no lineales y sistemas electrónicos de potencia, se propone en esta tesis un método adaptativo para la medida, análisis y compensación (eliminación o atenuación) de las componentes armónicas, interarmónicas y subarmónicas presentes en el sistema eléctrico. Este método es aplicable a los sistemas híbridos de generación y mejora de la calidad eléctrica a partir de sistemas mini eólicos conectados en redes de baja tensión monofásicas. El método propuesto está basado en el Filtro de Kalman, el cual se utiliza para estimar las componentes armónicas, interarmónicas y subarmónicas de la tensión de red y las corrientes de carga. Para cada una de dichas componentes se determina, su módulo y su argumento, así como sus proyecciones sobre los ejes en cuadratura ¿ y ß. Para dotar de mayor flexibilidad y modularidad al método propuesto, se realiza una división del espectro de la señal en bandas de frecuencia. Este hecho contribuye a mitigar, en parte, algunas de las desventajas que presenta la utilización del Filtro de Kalman en la identificación de armónicos. En la tesis, se presenta el análisis de cada uno de los subsistemas que integran el método propuesto los cuales son utilizados para la detección del número de componentes, la separación del espectro en bandas de frecuencia, así como la utilización del Filtro de Kalman para la estimación de las componentes armónicas. A partir del método propuesto se presentan los resultados de simulación del sistema obtenidos para diferentes tipos de carga y condiciones de alimentación. Así mismo, se incluye una comparativa para validar el sistema propuesto. Finalmente, se incluyen las conclusiones, aportaciones, líneas de trabajo futuro y las publicaciones derivadas de los resultados de investigación de la tesis doctoral. / [CA] La present tesi doctoral s'emmarca en el camp la millora de la qualitat de l'energia elèctrica i l'estabilitat en xarxes de subministrament de baixa potència com les micro xarxes i xicotetes Smart Grid monofàsiques. En les dites xarxes és comú la integració distribuïda de diferents fonts d'energia incloent, entre altres, aquelles basades en fonts renovables i, entre estes últimes, les basades en la generació d'energia a partir de mini generadors eòlics (comunament conegut com a generació mini eòlica). Per la seua topologia, els sistemes electrònics de potència empleats per a la connexió a la xarxa elèctrica d'estos generadors, també poden ser empleats per a la implementació d'equips de millora de la qualitat del subministrament elèctric, denominats filtres actius de potència. Este fet ha donat lloc a l'aparició de sistemes híbrids (mixtos) que són capaços de generar i injectar energia a la xarxa elèctrica al mateix temps que, en determinades condicions, poden millorar la qualitat del subministrament elèctric. La justificació ve determinada pel fet de que el recurs eòlic (vent) no és continu ni estable, la qual cosa provoca que el convertidor electrònic de potència de la instal·lació no es trobe sempre ocupat al 100% en la generació d'energia. Per mitjà de les adequades tècniques de control és possible aprofitar la potència sobrant del convertidor per a mitigar les ineficiències presents en el punt de connexió del convertidor a la xarxa elèctrica. En esta tesi doctoral es planteja l'estudi i anàlisi dels dits sistemes híbrids de generació i optimització de la qualitat del subministrament a partir de generadors mini eòlics a fi de contribuir a la millora dels mateixos quan es connecten a xarxes de baixa potència monofàsiques. Basant-se en els efectes ineficients que tant en micro xarxes com en Smart Grid produïx l'ús càrregues no lineals i sistemes electrònics de potència, es proposa en esta tesi un nou procediment adaptatiu per a la mesura, anàlisi i correcció (eliminació o atenuació) de les components harmòniques, interharmòniques i subharmòniques presents en el sistema elèctric, i aplicable als sistemes híbrids de generació i millora de la qualitat elèctrica a partir de sistemes mini eòlics connectats en xarxes de baixa tensió monofàsiques. El mètode proposat es basa en el Filtre de Kalman per a estimar el valor de les components freqüencials presents en el senyal elèctric. Es determina el nombre de components, i per a cada una d'elles, el seu mòdul i argument, i les seues projeccions sobre els eixos en quadratura (¿, ß). Per a dotar de més flexibilitat i modularidad al mètode proposat, es realitza una divisió de l'espectre del senyal en bandes de freqüència. Este fet contribuïx a mitigar, en part, alguns dels desavantatges que presenta el Filtre de Kalman. Es presenta l'anàlisi de cada un dels subsistemes que integren el mètode proposat a fi de demostrar el seu funcionament correcte. Detecció del nombre de components, separació de l'espectre en bandes de freqüència i el Filtre de Kalman per a l'estimació de les components harmòniques. Així mateix, es proposa una estratègia de control per a, a partir de la determinació de les ineficiències presents en el punt de connexió amb la xarxa elèctrica, generar el senyal de referència per al sistema de control del convertidor electrònic de potència. Referència que permeta la injecció d'energia a la xarxa i la correcció de les dites ineficiències. Es presenten també els resultats de simulació del sistema proposat per a diferents tipus de càrrega i condicions d'alimentació. A més, s'inclou una comparativa a fi de determinar la validesa del mètode proposat. Finalment, s'inclouen les conclusions, aportacions, línies de treball futur i les publicacions derivades dels resultats d'investigació de la tesi doctoral. / Martínez Navarro, G. (2016). Aportaciones a la mejora de los sistemas híbridos de generación y optimización de la calidad del suministro a partir de generadores mini eólicos. Aplicación a sistemas monofásicos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61454

[ES] La presente tesis se enmarca en el campo de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables, la mejora de la calidad del suministro eléctrico y de la estabilidad de redes de baja potencia como las micro redes y las redes inteligentes. Estas redes se basan en la integración de generadores distribuidos, entre ellos los basados en sistemas de generación de energía eólica. Dichos sistemas de generación se conectan a la red por medio de convertidores electrónicos con una potencia limitada, esta característica provoca que las redes con alta integración de generadores distribuidos se vean afectadas en mayor medida por problemas de calidad del suministro, debido a su baja corriente de cortocircuito. Con la finalidad de mantener la calidad del suministro eléctrico debe cumplirse que el sistema conste de tensiones senoidales, de frecuencia fundamental y simétricas; y de cargas que consuman corrientes senoidales de frecuencia fundamental, equilibradas y en fase con las tensiones. Cuando alguna de estas condiciones no se cumple, se producen fenómenos que disminuyen la eficiencia del sistema y degradan la calidad del suministro, estos fenómenos pueden ser mitigados mediante el uso de compensadores activos conectados en serie o en paralelo al sistema eléctrico. Los compensadores activos conectados en paralelo generan las corrientes ineficientes demandadas por las cargas, permitiendo que por la red transiten únicamente las corrientes eficientes, mejorando el rendimiento del sistema. Las corrientes que deben ser inyectadas por el convertidor son calculadas a partir de una teoría de la potencia eléctrica que permita una correcta identificación de las componentes ineficientes consumidas por la carga. Una compensación global puede llevarse a cabo siempre que el límite de potencia de los convertidores lo permita, si las ineficiencias son mayores que la capacidad de un convertidor se puede considerar la compensación parcial o bien la compensación selectiva de los fenómenos ineficientes. Los convertidores electrónicos utilizados para la conexión de los generadores distribuidos a la red tienen la misma topología que los compensadores activos, dando paso al desarrollo de sistemas híbridos de generación y compensación. Dada la naturaleza intermitente de las fuentes de energía renovables, los sistemas de generación basados en éstas no hacen uso de la potencia nominal del convertidor en todo momento, por lo que la diferencia entre la potencia activa inyectada y la potencia nominal del convertidor puede ser utilizada para la compensación de ineficiencias. En la presente tesis se plantea el estudio de los sistemas híbridos de generación y compensación basados en sistemas de minieólica, con la finalidad de optimizar el uso de la potencia disponible en el convertidor de conexión a red para ayudar a mejorar la calidad del suministro y la estabilidad del sistema. El sistema propuesto abarca el control del sistema de generación de minieólica, la transferencia de energía a la red y la compensación de ineficiencias, optimizando el aprovechamiento del convertidor de conexión a red. Se propone la utilización de técnicas de control borroso para la búsqueda del punto de máxima potencia del aerogenerador y el control de la tensión del bus DC; así como la aplicación de técnicas de control no lineal para la estimación de la velocidad de giro de la turbina eólica. En la conexión a red se presenta un algoritmo de optimización del aprovechamiento de la potencia disponible en el inversor para la compensación de potencias ineficientes en forma selectiva, resultando un sistema de generación y compensación. Se presentan los resultados de simulación que ayudan a validar el sistema; así como los resultados experimentales de los subsistemas que han sido implementados. Se finaliza con las conclusiones, aportaciones, líneas de trabajo futuro y las publicaciones derivadas de la presente tesis doctoral / [CA] La present tesi s'emmarca en el camp de la generació d'energia elèctrica a partir de fonts renovables, la millora de la qualitat del subministrament elèctric i de l'estabilitat de xarxes de baixa potència com les micro xarxes i les xarxes intel·ligents. Aquestes xarxes es basen en la integració de generadors distribuïts, entre ells els basats en sistemes de generació d'energia eòlica. Aquests sistemes de generació es connecten a la xarxa per mitjà de convertidors electrònics amb una potència limitada, aquesta característica provoca que les xarxes amb alta integració de generadors distribuïts es vegen afectades en major mesura per problemes de qualitat del subministrament, a causa de la seua baixa corrent de curtcircuit. Amb la finalitat de mantindre la qualitat del subministrament elèctric ha de complir-se que el sistema conste de tensions sinusoïdals, de freqüència fonamental i simètriques; i de càrregues que consumisquen corrents sinusoïdals de freqüència fonamental, equilibrades i en fase amb les tensions. Quan alguna d'aquestes condicions no es compleix, es produeixen fenòmens que disminueixen l'eficiència del sistema i degraden la qualitat del subministrament, aquests fenòmens poden ser apaivagats mitjançant l'ús de compensadors actius connectats en sèrie o en paral·lel al sistema elèctric. Els compensadors actius connectats en paral·lel generen els corrents ineficients demandades per les càrregues, permetent que per la xarxa transiten únicament els corrents eficients, millorant el rendiment del sistema. Els corrents que han de ser injectades pel convertidor són calculades a partir d'una teoria de la potència elèctrica que permeta una correcta identificació de les components ineficients consumides per la càrrega. Una compensació global pot dur-se a terme sempre que el límit de potència dels convertidors ho permeta, si les ineficiències són majors que la capacitat d'un convertidor es pot considerar la compensació parcial o bé la compensació selectiva dels fenòmens ineficients. Els convertidors electrònics utilitzats per a la connexió dels generadors distribuïts a la xarxa tenen la mateixa topologia que els compensadors actius, donant pas al desenvolupament de sistemes híbrids de generació i compensació. Donada la naturalesa intermitent de les fonts d'energia renovables, els sistemes de generació basats en aquestes no fan ús de la potència nominal del convertidor en tot moment, per la qual cosa la diferència entre la potència activa injectada i la potència nominal del convertidor pot ser utilitzada per a la compensació d'ineficiències. En la present tesi es planteja l'estudi dels sistemes híbrids de generació i compensació basats en sistemes de minieòlica, amb la finalitat d'optimitzar l'ús de la potència disponible en el convertidor de connexió a xarxa per a ajudar a millorar la qualitat del subministrament i l'estabilitat del sistema. El sistema proposat abasta el control del sistema de generació de minieòlica, la transferència d'energia a la xarxa i la compensació d'ineficiències, optimitzant l'aprofitament del convertidor de connexió a xarxa. Es proposa la utilització de tècniques de control borrós per a la cerca del punt de màxima potència de l'aerogenerador i el control de la tensió del bus DC; així com l'aplicació de tècniques de control no lineal per a l'estimació de la velocitat de gir de la turbina eòlica. En la connexió a xarxa es presenta un algorisme d'optimització de l'aprofitament de la potència disponible en l'inversor per a la compensació de potències ineficients en forma selectiva, resultant un sistema de generació i compensació. Es presenten els resultats de simulació que ajuden a validar el sistema; així com els resultats experimentals dels subsistemes que han sigut implementats. Es finalitza amb les conclusions, aportacions, línies de treball futur i les publicacions derivades de la present tesi doctoral. / [EN] This thesis is part of the field of electric power generation from renewable sources, the improvement of power quality and the stability of low power networks such as microgrids and smart grids. These networks are based on the integration of distributed generators, including those based on wind power generation systems. These generation systems are connected to the grid by means of electronic converters with limited power; this feature causes networks with high integration of distributed generators to be affected to a greater extent by power quality problems, due to their low short circuit current. In order to maintain the quality of the electrical supply, the system must consist of sinusoidal, fundamental frequency and symmetric voltages; and loads that consume sinusoidal currents of fundamental frequency, balanced and in phase with the voltages. When any of these conditions is not met, phenomena occur that decrease the efficiency of the system and decrease the power quality, these phenomena can be mitigated by the use of active compensators connected in series or in parallel to the electrical system. The active compensators connected in parallel generate the inefficient currents demanded by the loads, allowing only the efficient currents to pass through the network, improving the performance of the system. The currents that must be injected by the converter are calculated based on an electric power theory that allows a correct identification of the inefficient components consumed by the load. A global compensation can be carried out whenever the power limit of the converters allows it, if the inefficiencies are greater than the capacity of a converter it can be considered partial compensation or selective compensation of inefficient phenomena. The electronic converters used for the connection of the generators distributed to the grid have the same topology as the active compensators, giving way to the development of hybrid generation/compensation systems. Given the intermittent nature of renewable energy sources, generation systems based on these do not make use of the nominal power of the converter at all times, so the difference between the active power injected and the nominal power of the converter can be used for inefficiencies compensation. In the present thesis the study of generation and compensation hybrid systems based on small wind energy systems is proposed, with the purpose of optimizing the use of the available power in the grid-connected converter to help to improve the power quality and the stability of the system. The proposed system covers the control of the small wind energy system, the transfer of energy to the grid and the compensation of inefficiencies, optimizing the use of the grid-connected converter. The use of fuzzy control techniques is proposed for the maximum power point tracking of the wind turbine and the control of the DC bus voltage; as well as the application of nonlinear control techniques for estimating the speed of rotation of the wind turbine. In the grid side, an algorithm for optimizing the use of the available power in the inverter is presented for the compensation of inefficiencies selectively, resulting in a generation/compensation system. The simulation results that help validate the system are presented; as well as the experimental results of the subsystems that have been implemented. It ends with the conclusions, contributions, lines of future work and publications derived from this doctoral thesis. / Martínez Márquez, CI. (2019). Contribuciones a la mejora de la eficiencia energética mediante convertidores electrónicos trifásicos de generación y compensación aplicados en sistemas de generación minieólica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125700

Esta tesis doctoral trata acerca de los sistemas de compensación activos de conexión en paralelo utilizados para la mejora de la calidad del suministro eléctrico, y de la eficiencia energética en las redes eléctricas de distribución y en las instalaciones, a cuatro hilos. En la presente tesis se desarrolla un nuevo filtro o compensador activo de potencia con la capacidad de seleccionar los fenómenos a compensar, incluyéndose además algunas propuestas que, aplicadas a estos sistemas de compensación, permiten mejorar las prestaciones finales obtenidas. Se presentan las estrategias de compensación global más utilizadas en compensadores activos y se propone un método de compensación global basado en la norma IEEE Std. 1459-2000. Se realiza un estudio comparativo de las diferentes estrategias de compensación global. Para la obtención de un compensador selectivo, se proponen dos métodos diferentes para la descomposición de las corrientes de carga y la obtención de las corrientes de compensación. El primer método está basado en la utilización de las conductancias por fase y la conductancia equivalente del sistema trifásico. El segundo se basa en la descomposición de potencias propuesta en la IEEE Std. 1459-2000. Se presenta un análisis de cada uno de los métodos propuestos. Se presenta el análisis del sistema completo para la implementación del compensador selectivo propuesto. El sistema de control incluye, la utilización de la técnica de la ventana deslizante para la obtención de las corrientes de referencia, el desarrollo de un regulador de corriente de bajo coste computacional, el diseño del regulador para el control del bus dc y el desarrollo de un nuevo modulador vectorial tridimensional 3D-3B SVPWM. Finalmente, se presentan los resultados de simulación y experimentales del sistema de compensación diseñado, para diferentes tipos de cargas y condiciones de alimentación. Parte de estos resultados han sido presentados, entre otras, en las siguientes publicaciones: " S. O / Orts Grau, S. (2008). Sistema de compensación mediante filtro activo de potencia con sistema de obtención de las corrientes de referencia selectivo utilizando control 3D-3B SVPWM de la etapa de potencia. Aplicación a sistemas industriales a 4 hilos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3797