Efficient application of multiple-reference-frame controllers for power quality improvement with power electronics devices in electric distribution systems

Abstract

El interés en la calidad del sistema eléctrico ha estado siempre presente pero se ha incrementado drásticamente en los últimos años. Los problemas de la calidad del sistema eléctrico incluyen armónicos de tensión/corriente, tensiones/corrientes desequilibradas, huecos de tensión, sobretensión y factor de potencia bajo. Estos problemas afectan no solo a las compañías eléctricas sino también a los consumidores: la eficiencia del sistema eléctrico, las protecciones, equipos automatizados (como motores de velocidad variables), PLCs, fuente de tensión conmutadas y hornos de arcos, por ejemplo, son muy vulnerables frente a problemas de calidad en el sistema eléctrico.

Esta tesis se centra en el control de dispositivos basados en electrónica de potencia para solucionar todo tipo de problemas de calidad del sistema eléctrico utilizando un método general y exhaustivo. Los algoritmos de control que actualmente se proponen en la literatura destinados al control del flujo de potencia y a la compensación de armónicos has sido revisados y, como consecuencia de este estudio, se ha propuesto el uso de un controlador basado en sistemas de referencia múltiples, los cuales rotan síncronos con los vectores de las componentes armónicas. Se ha desarrollado un análisis en detalle de este tipo de controlador, haciendo un especial hincapié en el procedimiento de diseño, el análisis de estabilidad y la implementación de forma eficiente para aplicaciones en tiempo real.

Se han construido varios dispositivos basados en electrónica de potencia (compensador paralelo, compensador serie y un UPQC) para validar el comportamiento y la eficacia del algoritmo de control propuesto en esta tesis, obteniendo unos resultados muy satisfactorios. Además, el control propuesto se ha integrado en un convertidor utilizado para la integración de energías renovables. En este caso la incorporación del algoritmo propuesto fue muy sencilla, obteniendo igualmente los buenos resultados esperados. El algoritmo de control propuesto en esta tesis tiene una fase de diseño muy simple, presenta un coste computacional razonablemente bajo y es muy sencilla su implementación en tiempo real. Finalmente, se han incluido las conclusiones generales de la investigación y una serie de propuestas como trabajo a desarrollar en el futuro.

The concern for power quality in electrical systems has always been present but has increased dramatically in the last few years. Power-quality problems include voltage/current harmonics, voltage/current unbalance, voltage sags/swells and low load-power factor Those problems affect not only electric utilities, but also consumers: system efficiency, protection equipment, automated equipment (such as adjustable speed drives), programmable logic controllers, switching power supplies and arc furnaces, for example, are very vulnerable to power-quality issues.

This thesis is focused on the control of power electronics devices to tackle voltage and current quality problems in electric distribution systems, using a comprehensive and unifying approach. The existing control algorithms for power flow control and harmonic compensation are reviewed and an efficient implementation of a controller using Multiple Reference Frames (MRF) rotating with harmonic space vectors is proposed. A fully detailed analysis of the control proposal is carried out, with a special interest in its design procedure, stability and an efficient implementation for real-time applications.

Different power electronics devices (a shunt compensator, a series compensator and a UPQC) have been specially built to tackle power-quality problems in order to test the performance of the proposed control method and the results have been very satisfactory. In addition, the control method proposed has also been implemented in front-end converters for renewable energy sources, which were not initially designed with this controller. In this case, the implementation process was smooth and excellent performance was also achieved. The proposed algorithm has a simple design procedure, shows a very reasonable computational effort and it is easily implemented in real time. Finally, the conclusions and guidelines for further research are presented.