Filtro LCL para inversores de energía eólica

Abstract

La generación basada en convertidores de electrónica de potencia obliga a inyectar en la red una corriente conforme a los límites de calidad de la normativa. El inversor de una turbina eólica reconstruye la corriente alterna conmutando a alta frecuencia, lo que introduce armónicos que deben atenuarse antes del punto de conexión. Este Trabajo de Fin de Grado aborda el diseño, la simulación y la construcción física de un filtro LCL con amortiguamiento pasivo para el inversor de un aerogenerador de 20 kW que la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC) instalará en su campus, conectado a la red trifásica de 208 V y 60 Hz. Tras justificar la topología LCL frente a los filtros L y LC, el filtro se dimensiona y se valida en un modelo completo de MATLAB/Simulink, evaluando el conjunto inversor-filtro como una única unidad. La topología de amortiguamiento adoptada incorpora una rama serie de condensador y resistencia en paralelo con el condensador del filtro, que conserva la pendiente de −60 dB/dec y ofrece la mejor supresión de armónicos de alta frecuencia sin penalizar el rendimiento. El diseño se materializa en un equipo real, seleccionando componentes comerciales y cuantificando cada adaptación mediante simulación. La corriente inyectada mantiene una distorsión armónica muy por debajo del límite normativo del 5 %, con pérdidas de amortiguamiento despreciables. El conjunto se integra en una caja metálica apta para intemperie, con una placa de circuito impreso de diseño propio y una cadena de medida y seguridad, y se reconstruye su coste real frente a referencias comerciales certificadas. El filtro queda construido, integrado y preparado para los futuros ensayos eléctricos de la UIUC. El trabajo concluye que el dimensionado de un filtro LCL emerge al optimizar de forma conjunta el inversor y el filtro.

Power generation based on power-electronic converters requires injecting into the grid a current that complies with the quality limits set by the applicable standards. A wind turbine inverter reconstructs the alternating current by switching at high frequency, which introduces harmonics that must be attenuated before the point of connection. This Bachelor's Thesis addresses the design, simulation, and physical construction of an LCL filter with passive damping for the inverter of a 20 kW wind turbine that the University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) will install on its campus, connected to the three-phase grid of 208 V and 60 Hz. After justifying the LCL topology over the L and LC filters, the filter is dimensioned and validated in a complete MATLAB/Simulink model, evaluating the inverter-filter set as a single unit. The adopted damping topology incorporates a series branch of a capacitor and a resistor in parallel with the filter capacitor, which preserves the −60 dB/dec slope and provides the best suppression of high-frequency harmonics without penalizing performance. The design is materialized into a real device, selecting commercial components and quantifying each adaptation through simulation. The injected current keeps a total harmonic distortion well below the 5 % regulatory limit, with negligible damping losses. The assembly is integrated into a metal enclosure suitable for outdoor operation, with a printed circuit board of in-house design and a measurement and safety chain, and its real cost is reconstructed against certified commercial references. The filter is left constructed, integrated, and ready for the future electrical tests at UIUC. The work concludes that the dimensioning of an LCL filter only emerges when the inverter and the filter are optimized jointly.