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.

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%.

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis está dedicada al desarrollo de conceptos de control predictivo basados en modelos para la compensación de armónicos en sistemas de potencia con fuentes de energía renovables. En concreto, estos conceptos proporcionan una corriente de compensación de referencia para un filtro activo de potencia conectado en el punto de acoplamiento común, mejorando así la calidad de potencia del sistema. No obstante, los resultados podrían aplicarse en general a problemas de control en los que el objetivo sea seguir la forma de una determinada señal. La tesis propone dos métodos principales de control basados en la teoría de control predictivo de modelos (MPC). El primer controlador, es decir, el control predictivo de modelos con conformación de señal de estado lineal (LS3MPC), se basa en la teoría MPC cuadrática estándar. Sin embargo, contrariamente a la práctica habitual de control de referencia fija, el LS3MPC incorpora la dinámica deseada del sistema directamente en su función de coste, utilizando los denominados residuos de clase de forma lineal. Este enfoque permite que la función de costes del LS3MPC sea más adaptable y ofrezca más compensaciones dinámicas, especialmente cuando está sometida a restricciones. Al utilizar los residuos de clase de forma, el problema MPC garantiza que la planta controlada siga la dinámica dada por la clase de forma. En este caso, la dinámica deseada está determinada por la clase de forma armónica lineal propuesta, es decir, la dinámica de una señal armónica fundamental de frecuencia fija. Desde el punto de vista de la implementación, se propone una formulación MPC explícita para el LS3MPC con el fin de mejorar su aplicabilidad en tiempo real. El LS3MPC explícito propuesto utiliza un enfoque de malla equidistante en formato tensorial para aproximar la solución MPC explícita con afinidad por partes. Usando la descomposición tensorial, el LS3MPC explícito puede romper la maldición de la dimensionalidad, reduciendo significativamente la carga de memoria y trivializando el problema en tiempo real de localización de puntos. El segundo controlador, es decir, el control predictivo de modelo de ciclo límite (LCMPC), se centra en resolver las deficiencias del LS3MPC. En concreto, el LCMPC aborda la falta de control directo de la amplitud recurriendo a la teoría MPC no lineal. El LCMPC introduce una clase de forma armónica no lineal basada en una forma normal de bifurcación supercrítica de Neimark-Sacker. Al igual que el LS3MPC, el LCMPC también incorpora el residual de su clase de forma armónica no lineal directamente en su función de coste, proporcionando las mismas ventajas mencionadas anteriormente. En cuanto a la estabilidad del sistema, se desarrollan condiciones suficientes, para un estado inicial predeterminado, que garanticen que el sistema de bucle cerrado permanece dentro de la región de atracción de la forma normal ante una perturbación suficientemente pequeña. Ambos controladores se someten a pruebas con estudios de simulación en múltiples escenarios, proporcionando resultados de compensación consistentemente satisfactorios. / [CA] Aquesta tesi està dedicada al desenvolupament de conceptes de control predictiu basats en models per a la compensació d'harmònics en sistemes de potència amb fonts d'energia renovables. En concret, aquests conceptes proporcionen un corrent de compensació de referència per a un filtre actiu de potència connectat en el punt d'acoblament comú, millorant així la qualitat de potència del sistema. No obstant això, els resultats podrien aplicar-se en general a problemes de control en els quals l'objectiu siga seguir la forma d'un determinat senyal. La tesi proposa dos mètodes principals de control basats en la teoria de control predictiu de models (MPC). El primer controlador, és a dir, el control predictiu de models amb conformació de senyal d'estat lineal (LS3MPC), es basa en la teoria MPC quadràtica estàndard. No obstant això, contràriament a la pràctica habitual de control de referència fixa, el LS3MPC incorpora la dinàmica desitjada del sistema directament en la seua funció de cost, utilitzant els denominats residus de classe de manera lineal. Aquest enfocament permet que la funció de costos del LS3MPC siga més adaptable i oferisca més compensacions dinàmiques, especialment quan està sotmesa a restriccions. En utilitzar els residus de classe de forma, el problema MPC garanteix que la planta controlada seguisca la dinàmica donada per la classe de forma. En aquest cas, la dinàmica desitjada està determinada per la classe de manera harmònica lineal proposta, és a dir, la dinàmica d'un senyal harmònic fonamental de freqüència fixa. Des del punt de vista de la implementació, es proposa una formulació MPC explícita per al LS3MPC amb la finalitat de millorar la seua aplicabilitat en temps real. El LS3MPC explícit proposat utilitza un enfocament de malla equidistant en format tensorial per a aproximar la solució MPC explícita amb afinitat per parts. Usant la descomposició tensorial, el LS3MPC explícit pot trencar la maledicció de la dimensionalitat, reduint significativament la càrrega de memòria i trivialitzant el problema en temps real de localització de punts. El segon controlador, és a dir, el control predictiu de model de cicle límit (LCMPC), se centra en resoldre les deficiències del LS3MPC. En concret, el LCMPC aborda la falta de control directe de l'amplitud recorrent a la teoria MPC no lineal. El LCMPC introdueix una classe de manera harmònica no lineal basada en una forma normal de bifurcació supercrítica de Neimark-Sacker. Igual que el LS3MPC, el LCMPC també incorpora el residual de la seua classe de manera harmònica no lineal directament en la seua funció de cost, proporcionant els mateixos avantatges esmentats anteriorment. Quant a l'estabilitat del sistema, es desenvolupen condicions suficients, per a un estat inicial predeterminat, que garantisquen que el sistema de bucle tancat roman dins de la regió d'atracció de la forma normal davant una pertorbació prou xicoteta. Tots dos controladors se sotmeten a proves amb estudis de simulació en múltiples escenaris, proporcionant resultats de compensació consistentment satisfactoris. / [EN] This thesis is dedicated to developing model-based predictive control concepts for harmonic compensation in power systems with renewable energy sources. Specifically, these concepts provide a reference compensation current for an active power filter connected at the point of common coupling, thereby enhancing the system's power quality. Nevertheless, results could be generically applied to control problems where the task is to follow a certain shape of a signal. The thesis proposes two main control approaches based on model predicitve control (MPC) theory. The first controller, i.e., the linear state signal shaping model predictive control (LS3MPC), relies on standard quadratic MPC theory. However, contrary to standard fixed reference control practice, the LS3MPC embeds the desired system dynamics directly into its cost function, using the so-called linear shape class residuals. This approach allows the LS3MPC' cost function to be more adaptive, providing more dynamic trade-offs, especially when constrained. By using shape class residuals, the MPC problem ensures that the controlled plant follows the desired dynamics given by the shape class. In this case, the target dynamics are given by the proposed linear harmonic shape class, i.e, the dynamics of a fundamental harmonic signal of fixed frequency. From an application perspective, an explicit MPC formulation for the LS3MPC is proposed to enhance its real-time applicability. The proposed explicit LS3MPC uses an equidistant mesh grid approach in tensor format to approximate the piecewise affine explicit MPC solution. Using tensor decomposition, the explicitLS3MPC can break the curse of dimensionality, significantly reducing memory burden and trivializing the online point localization problem. The second controller, i.e., the limit cycle model predictive control (LCMPC), focuses on addressing the shortcomings of the LS3MPC. Namely, the LCMPC addresses the lack of direct amplitude control by reaching into nonlinear MPC theory. The LCMPC introduces a nonlinear harmonic shape class based on a supercritical Neimark-Sacker bifurcation normal form. Similarly to theLS3MPC, the LCMPC also embeds its nonlinear harmonic shape class residual directly in its cost function, providing the same benefits mentioned before. Regarding system stability, sufficient conditions are developed for a given initial state to ensure that the closed-loop system remains inside the normal form region of attraction for a sufficiently small disturbance. Both controllers are tested with simulation studies in multiple scenarios, providing consistently satisfactory compensation results. / The contributions on this doctoral thesis were partly developed at the Fraunhofer Institute for Silicon Technology ISIT within the project North German Energy Transition 4.0 (ger- man: Norddeutsche EnergieWende, NEW 4.0), which is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (german: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, BMWi. This work was also partly funded with the project Northern German Living Lab (german: Norddeutsches Reallabor, NRL) by the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action, by Generalitat Valenciana regional government through project CIAICO/2021/064, and by the Free and Hanseatic City of Hamburg (Hamburg City Parliament publication 20/11568). / Cateriano Yáñez, C. (2024). State Shaping Model Predictive Control for Harmonic Compensation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/209406 / Compendio