La utilización de filtros activos paralelo mejora la eficiencia del suministro eléctrico mediante la modificación de las características de la forma de onda de las corrientes de línea. Trabajos de investigación anteriores destacan la complicada estructura de los controladores empleados en este tipo de soluciones y su sensibilidad a la distorsión de la onda de tensión en el punto donde se realiza su conexión. El objetivo fundamental de esta tesis es el desarrollo de un controlador para filtros activos de potencia tolerante a desequilibrios de tensión, huecos de tensión y armónicos de tensión. Objetivo secundario de este trabajo es el diseño de los algoritmos necesarios para el control de un filtro activo de potencia paralelo polifásico mediante una tarjeta basada en un procesador digital de señal. / Shunt active power filters (APF) modify the phase current waveform characteristics, which allow to increase the efficiency of electrical power grids. Previous research works establish the complex structure of controllers applied to APFs and their sensibility to voltage waveform disturbances.The aim of this thesis is the developing of a controller for shunt active power filters with tolerance to voltage unbalances, voltage dips and voltage harmonics. The proposed controller, implemented on a DSP target board, will be tested on a three-phase active power filter.

Este trabajo se dedica a la búsqueda de soluciones que permitan mejorar el comportamiento de los filtros activos de potencia en derivación que trabajan en redes trifásicas de cuatro hilos, incluso cuando se den condiciones adversas en las tensiones suministradas por la red, o en las corrientes solicitadas por la carga.El cálculo de la potencia instantánea en condiciones no sinusoidales constituye la base fundamental del análisis de los acondicionadores de potencia. A día de hoy no existe una teoría universal que unifique el cálculo de las componentes de la potencia instantánea y de la corriente. En este trabajo se realiza un estudio detallado en este campo, evidenciando la relación entre las diferente teorías convencionales, y proponiendo una nueva formulación que ofrece un mayor significado físico a las componentes de potencia y de corriente resultantes.El conocimiento de la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de la tensión de red es una cuestión de vital importancia en la sincronización de los sistemas electrónicos de potencia que trabajan conectados a ésta. Este trabajo presenta un nuevo sistema de detección que obtiene, de forma rápida y precisa, la componente fundamental de secuencia positiva de la tensión de red, incluso cuando dicha tensión se encuentre fuertemente distorsionada y desequilibrada. El convertidor estático conocido como inversor constituye el núcleo de un filtro activo de potencia. Las prestaciones finales del sistema de filtrado vienen condicionadas en gran medida por la tecnología empleada en este inversor, por su topología, por la técnica de modulación implementada, y por las características del sistema de control que regula las variables de salida del mismo. Este trabajo propone una topología de inversor alternativa, aplicable en acondicionadores activos que trabajan en sistemas trifásicos de cuatro hilos, que permite un control sencillo, y que elimina los problemas que presentan otras topologías cuando inyectan corrientes de secuencia homopolar en la red. Así mismo, se propone un nuevo enfoque en la modulación vectorial de los inversores en puente completo, de tres y cuatro ramas. La técnica propuesta aporta mayor significado físico en la síntesis de las tensiones de salida del inversor, y permite obtener un algoritmo de modulación sumamente eficiente que puede ser implementado en un procesador de bajo coste.Finalmente, este trabajo ofrece un nuevo punto de vista en el cálculo de las corrientes de referencia del filtro activo de potencia. Un análisis de las solicitaciones de potencia que se realizan sobre el filtro activo cuando trabaja bajo condiciones genéricas de tensión de red y corriente de carga, permite diseñar un sistema de control que emplea un enfoque energético en el cálculo las referencias de corriente del mismo. Este control energético aumenta la robustez del filtro activo de potencia cuando se producen súbitas variaciones en las condiciones del entorno. / The aim of this work is to find some solutions in order to improve the behavior of the shunt active power filters in three-phase four-wire power systems, even if adverse conditions are present in the utility voltages or in the load currents.The calculation of the instantaneous electrical power under non-sinusoidal conditions is the basis in the analysis of power conditioners. At present, there is not a universal theory that unifies the calculation of the instantaneous power and current components. In this work, a detailed study on this field is conducted, showing the relationship between the different conventional theories, and proposing a new formulation, which offers a higher physical meaning for the calculated power and current components than if previous theories are used.The knowledge about the positive-sequence fundamental-frequency component of the utility voltage is a crucial matter in the synchronization of power electronics systems interfaced to the utility. This work presents a new detection system, which obtains, quickly and accurately, the positive-sequence fundamental-frequency utility voltage, even if utility voltage is severely distorted and unbalanced.A static converter, known as inverter, is the core of an active power filter. The potentialities of the filtering system are greatly conditioned by the technology of this inverter, by its topology, by the modulation technique, and by the characteristics of the control system that regulates the output variables of the inverter. This work proposes an alternative inverter topology suitable for active conditioners working in three-phase four-wire systems, which allows a simple control and cancels the problems shown by other topologies when zero-sequence currents are injected in the utility. Also, a new approach on the space vector modulation of three- and four-leg full-bridge inverters is proposed. The proposed technique offers a higher physical meaning than previous techniques in the synthesis of the inverter output voltage, and gives rise to a very efficient algorithm, which can be implemented in a low-cost processor.Finally, this work offers a new standpoint in the calculation of the reference currents of the active power filter. An analysis of the instantaneous power flow when the active power filter is working under generic utility voltage and load current, gives rise to a new control system, which employs an energy approach in the reference currents calculation. This energy control increases the robustness of the active power filter when sudden variations appear in the environment conditions.

Since the last quarter of the last century, and due to the spectacular increment of the connection of electronic loads to the electric system, it has been extraordinarily increased the existence of non-sinusoidal currents with high content of harmonics. This fact, in comparison to our environment, is named "electric pollution".The presence of these electronic loads is given in all power levels, from hundreds of VA until some MVA and, although the problem is increased with the installed power, it is not negligible the effect achieved by the accumulation of many loads of small power. Due to this fact specific power quality standards have been imposed.The conventional filter techniques, based on passive filters installation tuned at the supposed harmonics in the plant, became inadequate due to the variability in the value and content of the same ones throughout the time. The present PhD thesis is dedicated to the study of the current techniques for the elimination of those harmonics, and also the conventional reactive energy, by means of Active Power Filters based on the use of static power converters and specific control algorithms.After exposing the mains theories on the instantaneous power in the electric systems, and their application to the compensation techniques of harmonic and reactive energy by means of Active Power Filters, improvements are contributed in the application of those theories consistent in the simplification of the same ones based on the exclusive consideration of the active instantaneous power, as a really physical concept and easily measurable.In particular it is considered of special interest, for their simplicity and excellent results, the so called Simplified General Theory of the Instantaneous Power. This theory is applicable to one-phase as well as three-phase systems with or without neutral conductor.Analogical and digital prototypes of control have been built, based on the exposed theories, with experimental results that confirm the validity of the same ones.An industrial prototype of a Active Power Filter of 40kVA of compensation power has also been built, whose control is based in Simplified General Theory of the Instantaneous Power, and experimental results in laboratory demonstrate the excellent behaviour even with electronics loads whose Total Harmonic Distortion of current (THDi) exceeds 70%. This THDi is reduced below values of 5%. / Desde el último cuarto del pasado siglo, y debido al espectacular incremento de la conexión de cargas electrónicas al sistema eléctrico, se ha incrementado extraordinariamente la existencia de corrientes no senoidales con alto contenido de armónicos, apareciendo lo que, por similitud con el entorno medioambiental, se denomina "polución eléctrica."La presencia de estas cargas electrónicas se da en todos los niveles de potencia, desde centenas de VA hasta algunos MVA y, aunque el problema se agrava con la potencia instalada, no es por ello despreciable el efecto provocado por la acumulación de muchas cargas de pequeña potencia, hasta tal punto que el contenido de armónicos ha debido ser regulado por normas específicas.Las técnicas convencionales de filtrado, basadas en la instalación de filtros pasivos sintonizados con los armónicos supuestamente presentes, resultan inadecuadas debido a la variabilidad en el valor y contenido de los mismos a lo largo del tiempo.El presente trabajo de tesis está dedicado al estudio de las técnicas actuales para la eliminación de esos armónicos, y también de la energía reactiva convencional, mediante técnicas de Filtrado Activo de Potencia (FAP), basadas en la utilización de Convertidores Estáticos de Potencia y algoritmos de control específicos.Después de exponer las principales teorías sobre la potencia instantánea en los sistemas eléctricos, y su aplicación a las técnicas de compensación de armónicos y energía reactivamediante FAP, se aportan mejoras en la aplicación de esas teorías, consistentes en la simplificación de las mismas basadas en la consideración exclusiva de la potencia activa instantánea, como concepto de indudable sentido físico y fácilmente medible.En particular se considera de especial interés, por su simplicidad y excelentes resultados, la denominada Teoría General de la Potencia Instantánea Simplificada (TGPIS), de aplicación tanto a sistemas monofásicos como a trifásicos, con o sin neutro.Se han construido prototipos de control analógico y digital, basados en las teorías expuestas, con resultados experimentales que confirman la validez de las mismas.También se ha construido un prototipo industrial de un FAP de 40kVA de potencia de compensación, cuyo control está basado en la TGPIS, sobre el que se han realizado ensayos de laboratorio a potencias del orden de 15kVA, con resultados que demuestran su excelente comportamiento, incluso ante cargas cuya Distorsión Armónica Total de corriente (THD) excede el 70%, que queda reducida a valores inferiores al 5%.

[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. / [CAT] 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 no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61454 / TESIS

En esta Tesis se presentan dos aportaciones novedosas principales. La primera es la propuesta del control Robusto basado en modelo de referencia (RMF) para regular las corrientes de salida y la tensión del Bus DC de un convertidor NPC de tres niveles, trabajando como Filtro Activo Paralelo (FAP) en redes de media tensión. La segunda aportación importante de la tesis es el desarrollo de nuevos modelos de pequeña señal del convertidor NPC-FAP de tres niveles, que permiten diseñar con mayor precisión tanto los reguladores de corriente como los reguladores de tensión de Bus de continua (DC) del convertidor. Se ha propuesto una metodología de modelado de convertidores trifásicos en el sistema de referencia síncrono dq0, y se han desarrollado los modelos de pequeña y gran señal del convertidor NPC de tres niveles, para una aplicación de filtro activo paralelo a tres hilos. Se han obtenido las funciones de transferencia necesarias para el control lineal del convertidor, deduciendo las funciones de transferencia necesarias para el control de la corriente inyectada por el filtro y de la tensión de Bus DC del convertidor. Se ha realizado un estudio de nuevas alternativas para el control de las corrientes del FAP y de la tensión del Bus DC. Tras analizar el control convencional PI, se propone un nuevo control robusto RMF, aplicando ambos controles tanto a la regulación de armónicos de corriente como al control de la tensión de Bus DC. Se analiza también un "controlador resonante" basado en Integradores Generalizados (PIS) aplicado al control de corriente del convertidor. En todos los casos se desarrolla una metodología de diseño de los controladores, tanto en tiempo continuo como en tiempo discreto, y se lleva a cabo un análisis comparativo entre los distintos reguladores propuestos, tanto de corriente como de tensión. Se llega a la conclusión de que la mejor opción para el lazo de corriente es el controlador PIS, mientras que el controlador RMF es el óptimo para el lazo / Munduate Tellería, A. (2007). Control robusto basado en modelo de referencia de convertidores multinivel. Aplicación a filtros activos en conexión paralelo para corrección de armónicos en redes eléctricas de media tensión [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1942 / Palancia