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As a continuation of the work done by the QSE (Electrical Supply Quality) research group at the UPC (Polytechnic University of Catalonia) on non-linear load modelling to determine harmonic distortion in electrical power systems, this thesis consists of the carrying out of a series of studies of the most usual non-linear loads in the said systems (single-phase and three-phase rectifiers with capacitive filter, three-phase 6-pulse rectifiers and discharge lamps), basically aiming to characterize their behaviour and assess their influence on electrical power systems. The thesis was prepared in cooperation with the GNOM (Group of Numerical Optimization and Modelling) research group at the UPC in order to be able to analyse the numerical problem raised by the system of non-linear equations which characterizes each of the non-linear loads, as well as being able to approach optimization issues with some certainty of success. In summary, the aims of this thesis are as follows: -To analyse modelling of the most usual four non-linear loads in electrical power systems in order to incorporate the invariant concept in a justified way and establish ranges of values for the said invariants depending on their usual operating conditions. -To exploit the possibilities offered by invariants and, on the basis of the ranges of values obtained for each of them, to proceed to characterize the deterministic behaviour of the non-linear loads which are the object of the study and also to analyse the phenomena of harmonic cancellation and interaction. -To describe and study experimentally, also on the basis of invariants, the fundamental and harmonic currents (magnitude and angle) consumed by the non-linear loads considered in this thesis, whether by obtaining experimental models (databases) validated both experimentally and numerically, by validating the studied analytical models experimentally or by fitting the parameters of any of the previous models (parameter estimation) on the basis of experimental acquisitions. -To study the neutral conductor current in three-phase systems to which single-phase non-linear loads are connected (in particular, single-phase rectifiers with capacitive filter), by using invariants and validating the results of this experimentally. / Como continuación de los trabajos realizados por el grupo de investigación QSE (Calidad del Suministro Eléctrico) de la UPC (Universidad Politécnica de Cataluña) sobre modelización de cargas no lineales para la determinación de la distorsión armónica en los sistemas eléctricos de potencia, se ha realizado como tesis una serie de estudios sobre las cargas no lineales más habituales en dichos sistemas (rectificadores monofásicos y trifásicos con filtro capacitivo, rectificadores trifásicos de 6 pulsos y lámparas de descarga) encaminados básicamente a la caracterización de su comportamiento y al análisis de su influencia en los sistemas eléctricos de potencia. La tesis se ha desarrollado en colaboración con el grupo de investigación GNOM (Grupo de Optimización Numérica y Modelización) de la UPC para poder analizar el problema numérico planteado por el sistema de ecuaciones no lineales que caracteriza cada una de las cargas no lineales, así como poder abordar con garantías problemas de optimización. Resumidamente, los objetivos de esta tesis son: -Analizar la modelización de las cuatro cargas no lineales más habituales en los sistemas eléctricos de potencia con el objetivo de introducir de forma justificada el concepto de invariante y establecer rangos de valores para dichos invariantes de acuerdo a sus condiciones habituales de funcionamiento. -Aprovechar las posibilidades que ofrecen los invariantes y, a partir de los rangos de valores obtenidos para cada uno de ellos, proceder a caracterizar el comportamiento determinístico de las cargas no lineales objeto de estudio y también a analizar los fenómenos de la cancelación y la interacción armónica. -Caracterizar y estudiar experimentalmente, también a partir de los invariantes, las intensidades fundamental y armónicas (módulo y ángulo) que consumen las cargas no lineales consideradas en esta tesis, ya sea mediante la obtención de modelos experimentales (bases de datos) validados tanto experimental como numéricamente, la validación experimental de los modelos analíticos estudiados o bien el ajuste de los parámetros de cualquiera de los anteriores modelos (estimación de parámetros) a partir de adquisiciones experimentales. -Estudiar la intensidad del neutro en sistemas trifásicos en los que hay conectadas cargas no lineales monofásicas (en particular, rectificadores monofásicos con filtro capacitivo), utilizando los invariantes y validando experimentalmente los resultados que se obtengan.

La tesis se plantea como objetivo principal el estudio y la aplicación de técnicas de corrección de armónicos a sistemas de generación eólica de pequeña potencia, enfocando el problema desde el punto de vista del aerogenerador, esto es, centrando los objetivos en la etapa de entrada del convertidor de potencia utilizado, el cual está constituido por un rectificador trifásico pasivo, un convertidor dc-dc tipo boost y un inversor de conexión a red. Para reducir el factor THDi de las corrientes de salida del aerogenerador (lo que a su vez repercute en menores vibraciones provocadas por armónicos de par) y elevar el factor de potencia del mismo, el convertidor dc-dc opera en conducción discontinua, siguiendo un principio conocido y aplicado a rectificadores trifásicos con corrección del factor de potencia actuando como front-end de sistemas de alimentación con conexión a una red eléctrica de amplitud y frecuencia nominal fijas. La tesis propone como novedad destacada la extensión de este principio a aerogeneradores operando a velocidad variable, de manera que el rectificador trifásico opera con tensiones de amplitud y frecuencia variables en un rango muy extenso. Para operar en conducción discontinua se requiere añadir un filtro LCL resonante en la salida del aerogenerador, por lo que el estudio riguroso de la estabilidad de los controles de corriente utilizados es crítico. Adicionalmente, se tienen en consideración otras cuestiones de relevancia en el contexto estudiado, como son una comparativa de algoritmos estimadores de la velocidad del aerogenerador en condiciones ruidosas de sensado (debido a la conducción discontinua), y el estudio de una estructura de control que permite implementar los algoritmos de búsqueda de la máxima potencia del aerogenerador sin degradar significativamente las prestaciones alcanzadas mediante las técnicas propuestas. Los resultados analíticos han sido validados experimentalmente mediante un prototipo de sistema de generación eólica de 2k / Carranza Castillo, O. (2012). Estudio de técnicas de control de rectificadores Boost Trifásicos con filtro LCL para reducción de la distorsión armónica en corriente, aplicadas al procesado eficiente de energía en aerogeneradores síncronos de imanes permanentes operando a velocidad variable [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14575

En los últimos años se han desarrollado nuevas formas de ultrasonido que ayudan a mejorar la calidad de las imágenes ecográficas, permitiendo que se incremente la capacidad diagnóstica de un estudio ultrasónico. En este trabajo se utilizó una de ellas, las frecuencias armónicas, en especial la segunda armónica, para determinar si mejoraba la calidad de visualización del endocardio del ventrículo izquierdo, comparado con el estudio realizado en frecuencias fundamentales. Se realizaron ecocardiogramas bidimensionales a 50 pacientes con frecuencias fundamentales y con segunda armónica. Se utilizó una escala semi-cuantitativa para analizar la calidad de visualización del endocardio del ventrículo izquierdo en todos los estudios, con ambas formas de ultrasonido. Se analizó la motilidad parietal del ventrículo izquierdo de acuerdo a la segmentación y puntuación de la Sociedad Americana de Ecocardiografía. Se calcularon los volúmenes de fin de diástole, volumen de fin de sístole y fracción de eyección del ventrículo izquierdo en todos los pacientes en los estudios realizados en ambas frecuencias, fundamental y segunda armónica. Se observó que la calidad de visualización del endocardio del ventrículo izquierdo mejoró de manera estadísticamente significativa en todos los segmentos analizados utilizando segunda armónica, en comparación con los estudios realizados en frecuencia fundamental. Esta mejoría en la calidad de visualización del endocardio se observó aún con distintas calidades de estudios dependiendo de la calidad de las ventanas ultrasónicas de los pacientes incluidos. En cambio, la asignación de motilidad parietal y la determinación de la fracción del ventrículo izquierdo no mostraron diferencias estadísticamente significativas al comparar ambas técnicas de frecuencias, fundamentales y segunda armónica. De acuerdo a estos resultados, se puede concluir que la utilización de la segunda armónica mejora la calidad de visualización del endocardio del ventrículo izquierdo, con lo cual se incrementa la capacidad diagnóstica del método, a pesar que no influye significativamente en los resultados de la asignación de la motilidad parietal ni en las mediciones de los volúmenes ventriculares y el cálculo de la fracción de eyección del ventrículo izquierdo.

[ES] Esta tesis de doctorado está dedicada al problema de descomposición de señales no estacionarias en componentes modales, entendida como componentes oscilatorias independientes, con amplitud y fase dependientes del tiempo. Para este fin, se propone un enfoque metodológico basado en representaciones en espacio de estados diagonales en bloques. Una contribución teórica primaria de esta tesis consiste en demostrar que la respuesta de un sistema de espacio de estados diagonal en bloques puede ser representada en una forma modal con amplitudes y frecuencias dependientes del tiempo. Subsecuentemente, construyendo sobre este resultado, un marco de trabajo basado en filtros de Kalman se propone para la descomposición modal de señales no estacionarias. Como resultado, una familia de métodos paramétricos para la descomposición modal de señales no estacionarias univariadas y multivariadas basadas en representaciones de espacio de estados diagonales en bloques y filtros de Kalman ha sido postulada. La representación básica está construida en bloques de segundo orden, cada uno de los cuales representa los componentes en fase y en cuadratura de un único componente oscilatorio no estacionario. Así, la respuesta total es construida como la suma ponderada de cada uno de estos modos. La identificación de estos modelos requiere la estimación conjunta de las trayectorias y los parámetros modales dependientes del tiempo, así como los hiperparámetros del modelo, constituidos por la matriz de mezcla de modos, las matrices de covarianza del vector de estados, de parámetros y del ruido de medición, y las condiciones iniciales. Para este propósito, un algoritmo de Expectación-Maximización ha sido adaptado como parte de esta tesis. La metodología obtenida es entonces evaluada en la descomposición y eliminación de ruido de registros electrocardiográficos (ECG), los cuales consisten en componentes no-estacionarias pseudo-periódicas y son susceptibles a diferentes tipos de interferencias. La estructura de estas señales las hace susceptibles a las descomposiciones modales basadas propuestas en esta tesis. A diferencia de otros métodos populares de descomposición de señales, las descomposiciones obtenidas con la metodología propuesta proveen componentes oscilatorios con interpretabilidad física y que proveen resultados consistentes para señales multivariadas, como en el caso de registros de ECG con múltiples derivaciones. Otra estrategia que se desarrolló en este proyecto investigativo lo constituye la aplicación de la transformada delta u operador de Euler al filtro de Kalman, esto condujo a resultados de alta precisión en la extracción de componentes de banda angosta. La metodología propuesta constituye una herramienta confiable para la descomposición modal en línea de señales no estacionarias multicomponentes, con resultados excelentes / [CA] Esta tesi de doctorat està dedicada al problema de descomposició de senyals no-estacionaris en components modals, entesa com a components oscil·latòries independents amb amplitud i fase dependents del temps. Per a este fi, es proposa un enfocament metodològic basat en representacions en espai d'estats diagonals en blocs. Una contribució teòrica primària d'esta tesi consistix a demostrar que la resposta d'un sistema d'espai d'estats diagonal en blocs pot ser representada en una forma modal amb amplituds i freqüències dependents del temps. Subseqüentment, construint sobre este resultat, un marc de treball basat en filtres de Kalman es proposa per a la descomposició modal de senyals no estacionaris. Com a resultat, una família de mètodes paramètrics per a la descomposició modal de senyals no estacionaris univariadas i multivariades basades en representacions d'espai d'estats diagonals en blocs i filtres de Kalman ha sigut postulada. La representació bàsica està construïda en blocs de segon ordre, cadascun dels quals representa els components en fase i en quadratura d'un únic component oscil·latori no estacionari. Així, la resposta total és construïda com la suma ponderada de cadascun d'estos modes. La identificació d'estos models requerix l'estimació conjunta de les trajectòries i els paràmetres modals dependents del temps, així com els hiperparámetros del model, constituïts per la matriu de mescla de modes, les matrius de covariància del vector d'estats, de paràmetres i del soroll de mesurament, i les condicions inicials. Per a este propòsit, un algorisme d'Expectació-Maximització ha sigut adaptat com a part d'esta tesi. La metodologia obtinguda és llavors avaluada en la descomposició i eliminació de soroll de registres electrocardiogràfics (ECG), els quals consistixen en components no-estacionàries pseudo-periòdiques i són susceptibles a diferents tipus d'interferències. L'estructura d'estos senyals les fa susceptibles a les descomposicions modals basades propostes en esta tesi. A diferència d'altres mètodes populars de descomposició de senyals, les descomposicions obtingudes amb la metodologia proposada proveïxen components oscil·latoris amb interpretabilidad física i que proveïxen resultats consistents per a senyals multivariats, com en el cas de registres d'ECG amb múltiples derivacions. Una altra estratègia que es va desenvolupar en este projecte investigativo el constituïx l'aplicació de la transformada delta o operador d'Euler al filtre de Kalman, això va conduir a resultats d'alta precisió en l'extracció de components de banda estreta. La metodologia proposada constituïx una eina de confiança per a la descomposició modal en línia de senyals no estacionaris multicomponents, amb resultats excel·lents. / [EN] This PhD thesis is devoted to the problem of the decomposition of non-stationary signals in modal components, understood as independent oscillatory components with time-dependent amplitude and frequency. To this end, a methodological approach based on diagonal time-dependent state space models is postulated. A primary theoretical contribution of this work is to demonstrate that the response of a system in diagonal time-dependent state space form can be cast in a modal form characterized by time-dependent amplitudes and frequencies. Subsequently, building up on this result, a Kalman filter based framework for non-stationary modal decomposition is proposed. As a result, a family of parametric modal decomposition methods is postulated for univariate and multivariate non-stationary signals based on block-diagonal time-dependent state space representations and Kalman filtering/smoothing. The representation is built upon second order blocks, each representing the in-phase and quadrature components of a single non-stationary oscillatory component. The total response is then constructed as the weighted sum of each of these modes. Accordingly, the model identification involves the joint estimation of the modal trajectories and the time-dependent modal parameters, along with the model hyperparameters, constituted by the mode mixing matrix, the state, parameter and noise covariances, and initial conditions. A tailored Expectation-Maximization algorithm is designed for this purpose as part of this thesis. The obtained methodology is assessed in the decomposition and denoising of electrocardiographic (ECG) signals, which consist of pseudo-periodic non-stationary signals and are susceptible to significant interference. The ECG signal structure makes them amenable to the proposed non-stationary modal decompositions. In contrast to other popular non-stationary signal decomposition methods, the proposed method provides a physically meaningful decomposition of oscillatory components, with consistent results for multivariate signals, such as multi-lead ECG records. Another strategy that was developed in this research project is the application of the delta transform or Euler operator to the Kalman filter, which led to highly precise results in extracting narrowband components. The proposed methodology constitutes a reliable tool for on-line modal decomposition of multi-component non-stationary signals, with results comparable and even better than other state-of-the-art methods. / Avendaño, LE. (2024). Método de descomposición modal no estacionaria basado en representación de espacio de estados con aplicación al análisis de señales ECG [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211185