Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 07-05-2022, Aprobado tras revisión: 08-07-2022
Forma sugerida de citación: Callacando, M.; Pavón. W.; Ortíz, L. (2022). “Inversor D-STATCOM multinivel aplicado para la
reducción de la distorsión armónica total en un sistema de distribución eléctrica con cargas no lineales”. Revista Técnica “energía”.
No. 19, Issue I, Pp. 85-91
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.520
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Multilevel inverter D-STATCOM for reducing total harmonic distortion in a
non-linear loads electrical distribution system
Inversor D-STATCOM multinivel aplicado para la reducción de la distorsión
armónica total en un sistema de distribución eléctrica con cargas no lineales
M. Callacando
1
W. Pavón
1
L. Ortiz
1
1
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador
E-mail: mcallacando@est.ups.edu.ec; wpavon@ups.edu.ec; lortizm@ups.edu.ec
Abstract
The paper presents a D-STATCOM Multilevel
Cascade Inverter model, which bases on synchronous
reference frame control strategy to reduce the current
total harmonic distortion. The non-linear loads
produce this current harmonic distortion when this
load is connected to the analysis bus.
The harmonic content of the network is evaluated
before and after the strategy compensation. There are
different connection and disconnection times of the
compensator, to differentiate between distorted
waveforms and perfect sine waves. As a result, it is
established the strategy performance.
The system implementation was carried in MATLAB
and Simulink platform, to do the simulation and
analysis of the research result. The THD reduction
underline the reliability of the proposed strategy.
Index terms multi-level, control, compensation,
harmonic, THD, D-STATCOM, MLI, IEEE 13
Distribution.
Resumen
El paper presenta el análisis de rendimiento de un
Inversor Multinivel en Cascada D-STATCOM para
reducir la distorsión armónica total, que basa su
control en la estrategia del marco de referencia
síncrono.
La distorsión armónica es recurrente en las redes de
distribución eléctrica actuales debido a la presencia
de cargas no lineal, como electrodomésticos u otros
dispositivos que tengan en sus componentes
electrónica de potencia.
El funcionamiento del sistema es evaluado antes y
después de implementar la compensación. La
simulación y análisis de los resultados de esta
investigación está validado en el sistema de
distribución de pruebas de la IEEE de 13 barras, en
MATLAB y Simulink, alcanzando excelentes
resultados en reducción del contenido armónico del
sistema. Como resultados se obtiene que los
armónicos de tercer orden que es el más alto con
32.36% se ve reducido a un 0.67% en una frecuencia
fundamental de 60Hz.
Palabras clave multinivel, control, compensación,
armónicos, THD, D- STATCOM, MLI, IEEE 13 de
Distribución.
85
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
1. INTRODUCCIÓN
El uso de cargas no lineales en aplicaciones
industriales, comerciales y domésticas, alteran la calidad
de la energía. Estas producen inconvenientes en la red
eléctrica como sobrecargas en equipos eléctricos,
envejecimiento prematuro en máquinas eléctricas, entre
otros [1]. El incremento de cargas no lineales y la
múltiple integración de fuentes de energía en la red,
aumenta la probabilidad de perturbación en la corriente,
voltaje y frecuencia de la red, afectando los parámetros
de operación normal del sistema[2].
Dado estos inconvenientes se han planteado posibles
soluciones y una de ellas es la compensación a través del
compensador síncrono estático de distribución (D-
STATCOM). El D- STATCOM es el dispositivo de
compensación más utilizado en los sistemas de
distribución para resolver problemas de calidad de
energía [2]. Este dispositivo es capaz de inyectar
dinámicamente una corriente de compensación con la
amplitud, frecuencia y fase deseada en cualquier nodo de
la red de distribución eléctrica [3][4].
Existen varias técnicas de control para el D-
STATCOM como la teoría del marco de referencia
síncrono (SRF) o la teoría de la potencia reactiva
instantánea (IRP), que la presenta el autor en el artículo
de investigación [5] como alternativa para la
compensación reactiva, el desequilibrio, la reducción de
la distorsión armónica total y el mejoramiento del factor
de potencia del sistema.
Los inversores multinivel (MLI) han ganado espacio
en las topologías empleadas para el funcionamiento del
D-STATCOM, ya que éste brinda la posibilidad de
reducir el contenido armónico a partir de los diversos
niveles de voltaje DC de cada entrada [6].
Los autores del artículo [7] proponen la mitigación de
la distorsión armónica total (THD) producida por una
carga no lineal, a través del inversor multinivel de tres
niveles en cascada. Se propone una estrategia basada en
la teoría del SRF y D-STATCOM. Para la simulación del
MLI D-STATCOM se utilizó MATLAB/SIMULINK.
Las simulaciones muestran el diseño del MLI D-
STATCOM y se analiza los resultados en términos de
formas de ondas de corriente, voltaje y la THD.
El artículo está organizado de la siguiente forma. En
el capítulo 2 está la metodología propuesta. Mientras en
el capítulo 3 se presente el análisis y la discusión de
resultados. Y finalmente en el capítulo 4 están las
conclusiones de la presente investigación.
2. METODOLOGÍA
La topología empleada para el inversor multinivel
basa su estructura en puentes H monofásicos en cascada
con fuentes separadas por cada celda implementadas para
cada fase [8][9]. La estructura con CHB (Cascaded H
Bridge) de tres niveles que actúa como VSC (Volage
Source Inverter) de un D-STATCOM. La misma que
consta de tres salidas niveladas (+Vcc, 0, -Vcc) con un
puente H conectado en cascada a través de una
impedancia de acoplamiento por cada fase en derivación.
El número de celdas (C) de CHB-MLI por cada fase que
requiere el compensador, está determinado por cada nivel
de conmutación (m) del HCB, representado por la
ecuación (1) [10]. Mientras que la determinación del
número de niveles de voltaje (k) de salida es establecida
por el n, en la ecuación (2). Es decir que con un puente H
por cada fase se puede establecer un inversor en cascada
de 3 niveles.
(2)
Para mejorar la calidad se puede conectar varios
puentes H en cascada, lo cual sintetiza el voltaje deseado
de varias fuentes DC separadas. SRF es conocida
también como técnica de transformación dq0, es uno de
los métodos de control más eficientes para la supresión
de los armónicos de voltaje y de corriente; esta técnica
rige su funcionamiento en la transformada de Park [11].
La técnica que utiliza el control SRF es generar
vectores unitarios a partir del voltaje de suministro,
transfiriendo las corrientes distorsionadas (coordenadas
a-b-c) a las coordenadas del marco de referencia síncrono
de dos fases (dq0), utilizando las funciones seno y
cosenos del bucle de bloqueo de fase (PLL) [3].
El PLL es el encargado de mantener la sincronización
del convertidor con el voltaje de línea y la corriente de
alimentación; además proporciona el ángulo de fase
síncrono para el bloque de transformación midiendo la
frecuencia del sistema [12]. Adicionalmente, la técnica
de trasformación dq0 cambia de manera exacta señales
sinusoidales a señales constantes. De esta manera,
resultan modelos dinámicos relativamente simples para
modelar y analizar fenómenos transitorios rápidos, que se
encuentran en los sistemas de potencia [27].
El MLI D-STATCOM propuesto en la Fig. 1. En la
estructura se conecta a cada fase una inductancia de
acoplamiento, donde VSa, VSb, VSc son los voltajes de
fase de la fuente, y las corrientes de derivación de la carga
por cada fase son ILa, ILb, ILc respetivamente [6] [8]
[10][13].
El incremento progresivo de cargas eléctricas permite
encontrar estrategias para mejorar la calidad del
suministro eléctrico y de esta manera satisfacer la
demanda de energía eléctrica requerida[4]. Sabiendo que,
hoy en día una gran cantidad de demanda son producidas
por las cargas no lineales, estas cargas son las principales
fuentes de armónicos que distorsionan la forma de onda
de corriente sinusoidal habitual [14] [15]. La
86
Callacando et al. / Inversor D-STATCOM aplicado para la reducción de la distorsión armónica con cargas no lineales
compensación tipo D-STATCOM puede evitar los
efectos contraproducentes que se genera por la aparición
de los armónicos, disminuyendo el THD de corriente,
THDi, en la red eléctrica.
3Ø
Barra
I
aL
I
bL
I
cL
MLI D-STATCOM
Sa1
Sa2
Sa3
Sa4
Sb1
Sb3
Sb2
Sb4
Sc1
Sc3
Sc2
Sc4
DC
DC
DC
Vs
a
Vs
b
I
Sa
I
Sb
I
Sc
Vs
c
L
S
R
S
I
Ca
I
Cb
I
Cc
L
Ia
R
Ia
L
Ib
L
Ic
R
Ib
R
Ic
Carga no
Lineal
Figura 1: Diagrama del MLI D-STATCOM
Para el estudio se eligió una topología MLI de tres
niveles, esto quiere decir que existe un puente H y un
capacitor para cada fase, por tanto, hay tres capacitores
en total en cada puente H en cascada. Es por eso que, para
equilibrar los voltajes de los condensadores en DC,
durante toda su operación, se adiciona el controlador
proporcional integral (PI) y de esta manera se pueda
distribuir la potencia activa entre todos los puentes H
para compensar las pérdidas de energía (Io),
mostrada en la Ecuación (4) [6][13]. Los controladores
PI implementados tienen los mismos valores de ganancia
proporcional () y ganancia integral (i) para que el
voltaje del capacitor sea igual al valor de voltaje de
referencia del enlace DC [16].
En el control basado en marco de referencia síncrono se
encuentra las corrientes de carga en coordenadas abc, las
cuales se transforman en coordenadas dq0, por medio de
la Ecuación (5).
(4)
(5)
El voltaje de punto de acople común (PCC) son
sincronizadas con la señal trifásica del PLL. El filtro pasa
bajos extrae las componentes Id e Iq. En el controlador
PI encuentra la diferencia entre el voltaje de salida (Vdc)
y el voltaje de referencia del condensador (Vdc_ref), que
está asociado al factor d, de las corrientes de cargas Id
para obtener Idc [17][18].
Para obtener Iqc se agrega la componente “q” de
la corriente de carga Iq por medio de la diferencia entre
la amplitud de voltaje del terminal de carga y el valor de
referencia que se alimenta al controlador PI [13][19].
Con el fin de mantener una compensación adecuada,
resulta conveniente mantener constante el voltaje del
enlace DC, además de que el controlador PI compensa las
pérdidas de corriente activa utilizando los valores de
ganancia [20]. Las componentes encontradas (Idc, Iqc) se
convierten en componentes abc por medio de la
transformación de Park. El voltaje de referencia de los
terminales PCC se comparan entre el voltaje del terminal
de referencia y el voltaje del terminal detectado, por
medio de la Ecuación (6).
(6)
Para Vpcc se considera la caída de voltaje que puede
presentar el sistema a causa de las perturbaciones a las
cuales fue sometido. El controlador por modulación por
ancho de pulso (PWM) genera los pulsos de conmutación
para controlar el MLI, haciendo que las corrientes de
fuente de referencia (Ia_ref, Ib_ref, Ic_ref) sigan a las
corrientes detectadas (Isa, Isb, Isc) [17][21].
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para el caso de estudio se analiza el sistema de
distribución de la IEEE de 13 barras mostrado en la figura
2, en el cual una de sus barras es conectada a una carga
no lineal, para identificar los cambios de magnitud en la
forma de onda de corriente, así como la distorsión
armónica que puede causar dicha carga.
Figura 2: Sistema de Distribución IEEE 13 Barras.
Para el sistema propuesto se analiza el
comportamiento en condiciones normales de la barra 7, a
la cual, se le implementará una carga no línea, para
verificar los cambios en las formas de onda de corriente
y el aumento del THDi en un tiempo de simulación de
150 ms. La barra 7 del sistema de prueba de 13 barras de
la IEEE en condiciones normales presenta un voltaje de
1 pu con corrientes de 0.15 pu, con respecto a la corriente
base de 200 A manteniendo su forma de onda de corriente
y de voltaje en condiciones estables y sin perturbaciones;
así como se muestra en la Fig. 3 y la Fig. 4,
Barra
Línea de
transmisión
Carga
Generador
1
2
3
6
7
8
11
12
13
9
10
4
5
87
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
respectivamente.
Para constatar el rendimiento del sistema ante la
presencia de carga no lineal, se conecta como carga no
lineal al puente rectificador de diodos con una carga RC.
La carga se encuentra conectada en t=0. Esta carga
conectada en dicha barra produce armónicos en forma de
onda de corriente de carga que deforman y disminuyen la
onda de corriente, como lo muestra la Fig. 5.
Figura 3: Voltaje trifásico (p.u) en Barra 7 sin carga no lineal
Figura 4: Corriente trifásica (pu) en Barra 7 sin carga no lineal.
Figura 5: Corriente trifásico de la barra 7 con carga no lineal.
El THD de voltaje que produce la carga no lineal es
de 3.39% aproximadamente, aunque la distorsión
armónica es muy baja, esta es capaz de deforma la onda
original de voltaje. En la Fig. 6, la THD provocada por la
carga no lineal ocasiona el incremento del THDi de la
barra 7 en un 135.20% en la fase A, 135.24% en la fase
B y en la fase C al 134.27 %.
Figura 6: THDi (%) de Corriente de la barra 7 sin compensación.
Las fases A, B y C generan un pico de THD al
momento de la energización, las cuales se estabilizan en
un periodo de 500 ms; después de dicho periodo de
tiempo el THDi de las 3 fases se mantienen en los valores
indicados. La fase A empieza con un contenido armónico
de corriente del 120% aproximadamente, y al cabo de 10
ms empieza el crecimiento del THDi, hasta los valores ya
mencionados. De igual manera la Fase C empieza con un
THDi del 165% para posteriormente disminuir e igualar
a las demás fases. En cambio, la Fase B es la que tiene el
pico más alto, alcanzando aproximadamente el 180% de
THDi al momento de la energización. Sin embargo,
aunque el THDi disminuye después de la
energización, los niveles alcanzados son muy altos, que
generan efectos negativos. Para poder suprimir la
distorsión armónica de corriente, se conecta en la misma
barra de análisis el MLI D- STATCOM, de esta manera
se inyecta la corriente de fase en el sistema en oposición
a las corrientes armónicas que genera la carga no lineal y
así compensar los armónicos de corriente.
Figura 7: Corriente trifásica (pu) de la Barra 7 después de la
compensación
La forma de onda de la Fig. 7 corresponde a la
corriente de la barra 7 después de haber inyectado la
compensación con el MLI D-STATCOM en donde se
aprecia que la forma de onda vuelve a su estado de
operación normal libre de distorsión armónica. La forma
de onda de voltaje, después de la compensación, vuelve
a los estados iniciales, mostrando una onda sinusoidal
libre de distorsión, así como lo muestra la Fig. 8.
88
Callacando et al. / Inversor D-STATCOM aplicado para la reducción de la distorsión armónica con cargas no lineales
Figura 8: Voltaje trifásico (pu)de la Barra 7 después de la
compensación.
El MLI D-STATCOM entra en funcionamiento en
t=80ms después de haber energizado la barra, este tiempo
está determinado por el interruptor trifásico conectado
entre la barra de análisis y el compensador con la
finalidad de mostrar. La diferencia de forma de ondas de
corriente que se tiene antes y después de la
implementación del MLI D-STATCOM; es decir que
entre los tiempos t=0s y t=80ms existe deformación de la
onda de corriente como lo mostraba la Fig. 5, y de ahí en
adelante entra en funcionamiento la compensación ya
señalada.
Como muestra la Figura 9 el THDi de la barra 7 decae
considerablemente sus valores de distorsión armónica,
obteniendo una mejora en las corrientes de la barra con
la carga no lineal y el compensador conectados
simultáneamente. Los valores de THDi y de THDv
encontrados después de la compensación se muestran en
las Tablas comparativas 1 y 2.
Tabla 1. Comparación THDi en la barra 7 con y sin compensación
MLI D-STATCOM
Fases
THD DE CORRIENTE (%)
Antes de la
compensación
Después de la
compensación
A
135.20%
2.38%
B
135.24%
2.41%
C
134.27%
2.36%
Figura 9: THD (%) de Corriente de la Barra 7 después de la
compensación
Tabla 2: Comparación THDv en la barra 7 con y sin
compensación MLI D-STATCOM
Fases
THD DE VOLTAJE (%)
Antes de la
compensación
Después de la
compensación
Fase A
3.391%
1.56%
Fase B
3.388%
1.6%
Fase C
3.368%
1.53%
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La capacidad de mejorar la distorsión armónica total
de corriente (THDi), del inversor multinivel en cascada
de tres niveles D-STATCOM, analizado bajo el esquema
de control, con la técnica del marco de referencia
síncrono, en presencia de una carga no lineal, en el
sistema de distribución IEEE de 13 barras, el cual fue
modelado y simulado en el software
MATLAB/Simulink, es eficiente para mejorar los niveles
de calidad de la energía en el sistema de distribución.
El inversor multinivel (MLI) D-STATCOM reduce
casi en su totalidad el THDi en cada una de las líneas de
la barra 7, cuando en esta se encuentra conectada una
carga no lineal, además de que la corriente recupera su
magnitud inicial de 200 amperios luego de la
compensación.
Las formas de ondas tanto de corrientes como de
voltajes con carga no lineal muestran señales
sinusoidales perfectas luego de la implementación del
MLI D-STATCOM según los resultados obtenidos.
Los valores de corrientes no se ven afectados después
de la conexión del compensador, así mismo los voltajes
mantienen su magnitud de operación normal entre 0.95
pu y 1.05 pu en cada una de las barras del sistema.
La carga no lineal implementada no afecta
notoriamente al THD de voltaje, sin embargo, la
implementación de la compensación a través del MLI D-
STATCOM reduce el THDv a casi su totalidad, teniendo
el 1% de distorsión.
En cuanto al THDi, que, si se ve más afectado por la
carga no lineal, se encuentra muy por debajo de los
límites máximos establecidos por las normas y
parámetros de calidad de la energía IEEE 519 y ISO
61000, que se tomaron de referencia, siendo el THDi más
alto de 135.27% sin la compensación y 2.36% después de
la compensación. Así mismo el armónico de tercer orden
que es el más alto con 32.36% se ve reducido a un 0.67%
en una frecuencia fundamental de 60Hz.
89
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Es por esto que resulta una estrategia eficaz la
implementación del MLI D- STATCOM para mejorar la
calidad de energía, ya que su funcionamiento permite
reducir notablemente el THDi que generan las cargas no
lineales en el sistema.
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Marlon Callacando Guaña.-
(Y’1994-M’10). Received the B.S. of
Electrical Engineering from
Universidad Politécnica Salesiana,
Quito – Ecuador. His research
interests include improving electrical
power quality by mitigating total
harmonic distortion.
Wilson Pavón Vallejos. - (Y’1989-
M’10). Received the B.S. of
Electrical Engineering from the
ESPE (Army Polytechnic School)
in Ecuador in 2014, and the MSc
degree in Automation and Control
in 2016 from Newcastle University
in United Kingdom, and the Phd
degree in Ferrara-Italy in 2021. His areas of interest are
renewable energy, energy efficiency, techniques of
control of Power converters and inverters, artificial
intelligence as technique of control. He joined as
occasional professor of Universidad Politécnica
Salesiana in Ecuador.
Leony Ortiz Matos.- (Y'1982). He
received his MSc. and Engineering
Degree in Engineering in
Automatics from the Polytechnic
Superior Institute Julio Antonio
Mella (ISPJAM) of the Universidad
de Oriente, Cuba. He is PhD degree
in Engineering at the Pontifical Bolivarian University -
Colombia-Medellin, he is a member of the of the Smart
Grids Research Group (GIREI).
He is part of the academic team of the Electrical
Engineering career at Universidad Politécnica Salesiana.
Quito-Ecuador. His main research interests research
interests Automation and Control, Robust Control and
Fault Tolerant Control, Micro-grids Fault Tolerant
Control, Hybrid Intelligent Micro-grids, AC/DC
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