Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 12-05-2022, Aprobado tras revisión: 08-07-2022
Forma sugerida de citación: Tupiza, P; Pavón, W.; Jaramillo, M. (2022). “Reducción de la distorsión armónica total a través de
generación fotovoltaica y el filtro activo unificado (UAPF)”. Revista Técnica “energía”. No. 19, Issue I, Pp. 92-99
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.522
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Total Harmonic Distortion Reduction Through Photovoltaic Generation and
Unified Active Power Filter (UAPF)
Reducción de la Distorsión Armónica Total a través de Generación
Fotovoltaica y el Filtro Activo Unificado (UAPF)
P. Tupiza
1
W. Pavón
1.
M. Jaramillo
1
1
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador
E-mail: ptupizag@est.ups.edu.ec; wpavon@ups.edu.ec; mjaramillo@ups.edu.ec
Abstract
This paper proposes a unified active power filter
(UAPF), which control the current Total Harmonic
Distortion (THD) in low voltage distribution
networks. The UAPF strategy implements
photovoltaic (PV) generation as its source and uses a
boost power converter.
The IEEE 13-bar system is the test-bench, and a non-
linear load is in the 7th busbar. Thus, the results are
based on the voltage, current and THD behavior in
the system. The current (THDi) and voltage (THDv)
harmonics reduces significatively. Where the 7th
busbar THDi initially has a 13.5 percent, and after the
implementation it went 6 percent, while the THDv
started from 14 to 3 percent. Those resulted values are
within the allowed limits in IEEE 1159 standards and
resolution No. ARCERNNR -017/2020.
Index terms UAPF, PI Control, THD, No linear
load, IEEE1159
Resumen
En este trabajo se propone un filtro unificado de
potencia activa (UAPF) para el control de la
distorsión armónica total (THD) de corriente en redes
de distribución de baja tensión. La UAPF implementa
la generación fotovoltaica (PV) como su fuente junto
con un convertidor elevador.
El sistema de 13 barras IEEE es el banco de pruebas
y una carga no lineal está en la séptima barra del
sistema. Así, los resultados son avalados con la
tensión, corriente y THD obtenidos del sistema. Los
resultados fueron armónicos decrecientes de
corriente (THDi) y tensión (THDv), donde el THDi de
barra 7 inicialmente tiene un 13.5 por ciento y luego
de la implementación pasó a 6 por ciento, mientras
que el THDv pasó de 14 a 3 por ciento, esos valores
están dentro de lo permitido. límites en normas IEEE
1159 y resolución N° ARCERNNR -017/2020.
Palabras clave UAPF, Control PI, THD, Carga no
lineal, IEEE1159
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años la inserción de generación
distribuida (GD) ha crecido, ya que su aplicación trae
beneficios importantes dentro de un sistema eléctrico.
Para esta investigación se considera que básicamente la
definición de GD consiste en la generación localizada
cerca del punto de consumo [1].
Al conectar generadores cerca del punto de consumo,
se producen algunos beneficios para el sistema eléctrico;
mejora los índices de confiabilidad, seguridad de
operación y calidad del suministro. Este sistema propone
usar la generación distribuida, en este caso fotovoltaica
(PV), de una manera no convencional, es decir que esta
generación sirva como alimentación de un sistema de
filtrado de armónicos, para mejorar el perfil de calidad
del sistema de distribución [2].
El crecimiento de los sistemas eléctricos en los
últimos años ha sido inminente y a la par se han
incrementado las cargas no lineales que se encuentran
conectadas en el sistema eléctrico. Esto ha generado un
problema que afecta tanto a usuarios como a empresas
distribuidoras, debido a que causa sobrecalentamientos
en los conductores, descenso en el factor de potencia a
nivel de la red, resonancia, empeoramiento de
aislamientos en cargas inductivas y el deterioro en la
forma de onda tanto de corriente como de voltaje [2], [3].
La distorsión de la forma de onda genera variaciones
en las variables de corriente y de voltaje, afectando de
manera constante a equipos que estén conectados a la red.
Debido a la presencia de una distorsión armónica total de
corriente (THDi) alto, se ven afectados los sistemas de
generación debido a que en el punto común de
acoplamiento se ven fluctuaciones a nivel de voltaje y
corriente, esto afecta significativamente al sistema
eléctrico especialmente a la parte de distribución [4].
Para analizar la calidad de la energía eléctrica se toma
en cuenta diferentes tipos de variables, dichas variables
se describen en el estándar IEEE 1159 y que se los
denomina fenómenos electromagnéticos, en donde la
empresa distribuidora debe garantizar el cumplimiento de
los límites establecidos por el estándar IEEE 519-2014 e
IEC61000 y regulaciones nacionales como la resolución
Nro. ARCERNNR -017/2020 que se encuentren
vigentes. En las tablas 1 y 2 se describe los límites de
THD que pueden estar presentes en las formas de onda
de corriente y voltaje según las normas y resoluciones
[5], [6].
Cargas no lineales son aquellas que consumen
corrientes no sinusoidales teniendo como fuente un
generador senoidal, esto implica que la forma de onda de
corriente es totalmente diferente a la forma de onda en
tensión. Por lo que, el principal problema de este tipo de
cargas es el consumo de corrientes en intervalos de
tiempo muy pequeños. Al poseer dichos intervalos de
consumo genera una distorsión en la forma de onda lo
cual causa diferentes problemas en varias partes del
sistema de distribución [8].
Tabla 1: Límites de THD en voltaje dados por el estándar IEEE
519-2014
Nivel de voltaje
THD (%)
V≤1kV
8%
1kV<V≤69kV
5%
69kV<V≤161kV
2.5%
162kV<V
1.5%
Tabla 2: Límites de THD en corriente dados por el estándar IEEE
519-2014
ISC/I1
Armónicos de Orden impar
3≤ h <11
11≤ h <17
17≤ h <23
23≤ h <35
35≤ h
THDi (%)
<20
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
5
20<50
7.0
3.5
2.5
1.0
0.5
8
50<100
10
4.5
4.0
1.5
0.7
12
100<1k
12
5.5
5.0
2.0
1.0
15
>1000
15
7
6
2.5
1.4
20
El filtro unificado de potencia activa (UAPF) es un
filtro activo de tipo mixto, se compone de un filtro en
serie y un filtro en paralelo, como se puede observar en
la Fig. 1. Debido a esto, los UAPF han tenido un gran
desarrollo en los últimos años, ya que sus características
permiten manejar muchos de los problemas de calidad de
energía que se generan en los sistemas de distribución
[10], [11].
Figura 1: Esquema de conexión de un UAPF
En donde el filtro se encuentra conectado en serie
tiene la función de mantener el voltaje de carga en fase
con el voltaje del punto de conexión común. Por otro
lado, el filtro conectado en paralelo se lo utiliza como
método de compensación de corrientes armónicas y
reactivas de manera que mejore la calidad de la energía
[12]–[14].
93
Tupiza et al. / Reducción de la Distorsión Armónica Total a través de Generación Fotovoltaica y el Filtro Activo Unificado
Esta investigación está organizada de la siguiente
manera, la sección 2 muestra la metodología de la
propuesta. En la sección 3 se discute los resultados
alcanzados y por último en la sección 4 se proponen las
conclusiones y las recomendaciones de la investigación.
2. METODOLOGÍA
Se presenta un sistema de compensación basado en el
principio de los filtros activos mixtos, en este caso una
compensación con un UAPF-PV el cual se encargará de
compensar el THDi presente en las líneas para que los
niveles de THDi estén dentro de los limites operativos,
bajo la normativa ecuatoriana.
El filtro UAPF-PV es de tipo filtro activo mixto en
donde se utiliza un control PI para cada uno de los filtros.
Además, se posee un arreglo de paneles solares los cuales
se conectan a un conversor DC/DC el cual mantiene el
valor del voltaje [14]. Cada filtro posee un conjunto de
seis transistores bipolares de puerta aislada (IGBT’s).
Para controlar los IGBT’s, del filtro serie, existen varias
opciones, una es la mostrada en la Fig. 2 donde se calcula
una señal de referencia, la cual mediante una
transformada inversa de Clark se logra poner en relación
con el tiempo y mediante la diferencia de dicha referencia
[15], [16].
Por lo que, junto con el valor de señal de voltaje
medido en la carga, nos da una forma de onda que
contiene pequeñas variaciones. Estas variaciones son
tomadas para empezar a conmutar los IGBT’s. Dicho
método es conocido como marco de referencia síncrono,
el cual se basa en la transformada matemática de Park, en
la Ecuación 1. La técnica del marco de referencia
síncrono tiene como principio generar vectores con una
magnitud de una unidad desde el voltaje o corriente
analizado, de esta manera puede transferir las corrientes
con distorsión de onda a las coordenadas dq0 [17].
Otra parte importante de la técnica es el bucle de
bloqueo de pase, que se encarga de mantener al voltaje y
corriente en fase. De esta forma nos permite obtener las
corrientes en componentes dq0 ecuación 1 partiendo de
las corrientes de carga. Además, se debe considerar la
utilización de filtros pasa bajas, los que mantienen
estable al sistema, dichos filtros suelen ser ubicados
después de las señales de referencia. Para finalizar, se
puede utilizar la transformada inversa de la Ecuación 1
para obtener valores en relación con el tiempo, partiendo
de las coordenadas en dq0. De este modo se puede
obtener la señal de conmutación para los IGBT’s de
forma más eficiente [18].
Figura 2: Control del filtro serie por medio de la transformada de Clark
(1)
(2)
94
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 3: Control PI propuesto para el filtro shunt
Para implementar el control del filtro en paralelo se
implementar el marco de referencia mediante las
transformadas de Clark. Se cuenta a su vez con otro filtro
pasa bajos para la potencia medida en la barra esto ayuda
a tener una forma de onda limpia para poder realizar la
diferencia con la forma de onda original de la potencia y
a su vez sumarle la potencia suministrada por el arreglo
de paneles como se muestra en la Fig. 3 [19].
Para poder calcular los voltajes trifásicos en la carga
se utilizó la ecuación 3. Después de extraer las tensiones
se procede a calcular las potencias activas y reactivas
mediante las ecuaciones 4 y 5 respectivamente. Donde
las variables de voltaje y corriente están medidas
directamente en las barras del sistema por lo que se
encuentran en forma ABC y se las convierte a dq0
mediante el método de la transformada de Clarke.
(3)
(4)
(5)
A su vez se cuenta con control PI después de la suma
de voltajes de referencia y voltaje del arreglo de paneles,
conectar el filtro UAPF al sistema. Los valores del
controlador PI se presentan en la tabla 3. Estos
determinar estos valores se determinó el margen de
estabilidad del sistema, para encontrar, valores
referenciales. Y después, se implementó una
sintonización fina para obtener los mejores resultados del
sistema [20], [21].
Tabla 3. Valores de las constantes del control PI
Ganancia
Valor
Ki
1.1
Kp
2.3
Para esta sintonización manual de Ki y Kp, nos
especificaban que los valores de Ki podían ir desde 0.9 a
1.2 y para el Kp, existía un rango de 2.1 a 2.3. Por ello se
procedió a tomar en cuenta el valor más bajo en Ki y
empezar a aumentar en valor de Kp, hasta llegar al valor
máximo después se empezó a variar el Ki hasta tener el
valor más estable en las diferentes combinaciones.
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para esto se propuso hacer el estudio de un sistema de
distribución de la IEEE de 13 barras, en donde se
conectará un modelo de carga no lineal trifásica en la
barra número 7, de esta manera poder identificar las
variaciones de la componente de THDi en dicha barra. El
modelo de carga no lineal cuenta con 6 diodos en forma
de puente, un resistor e inductancia a continuación se
detalla la tabla 4 con todos los valores que tiene la carga
no lineal.
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Tupiza et al. / Reducción de la Distorsión Armónica Total a través de Generación Fotovoltaica y el Filtro Activo Unificado
Figura 4: Sistema 13 barras IEEE
Tabla 4: Datos del sistema
Variable
Valor
Unidad
Frecuencia
2π60
Rad/s
Voltaje de la red
11.5
kV
Voltaje de la
carga 3ph no
lineal
380
V
Transformador
13.8/380
V
Resistencia del
diodo
1e-3
Ω
Capacitancia del
diodo
25e-6
F
Resistencia de la
carga
100
Ω
Inductancia de la
carga
5.25e-3
H
En el sistema de 13 barras se toma en cuenta la barra
7, debido a que en esta se va a implementarlas mejoras al
conectar el filtro UAPF-PV. El filtro conectará en el
sistema después de haber pasado 100ms. En la Fig. 5 se
muestra la variable a analizar, la misma que se muestra
en voltaje por unidad (p.u). En donde podemos ver que la
magnitud de cada una de las fases se encuentra en 1 p.u.,
esto nos indica que el perfil de voltaje es correcto,
después de la activación del filtro.
Figura 5: Voltaje trifásico [p.u] de la Barra 7
Asimismo, en la Fig. 6 se puede apreciar los voltajes
trifásicos en el lado de la carga, en donde el perfil de
voltaje decae en el momento de la conexión del filtro,
pero procede a estabilizar el voltaje pasado el transitorio
generado por el filtro. Además, se puede apreciar de
forma evidente la mejora en la forma de onda después de
la conexión del filtro.
Figura 6: Voltaje trifásico [p.u] de la carga
A continuación, en la Fig. 7, se muestra el THD de
voltaje de la carga conectada al sistema, donde podemos
apreciar una clara disminución del THDv después de la
conexión del filtro a los 100ms. Además, se puede ver de
manera clara la existencia de un transitorio que dura
aproximadamente 15ms, en el cual las diferentes fases
alcanzan un pico de 15% de THDv. Después del estado
transitorio se puede ver que el THDv está dentro de los
parámetros establecidos en la IEEE 1159, la que indica
que su porcentaje máximo es del 5% y en el sistema se
puede apreciar una reducción hasta el 3%. Además, el
tiempo que tarda el sistema incluido el filtro en
estabilizarse es de 22ms.
En la Fig. 8 se representa el THDi medido en la barra
7 del sistema, en el cual se puede ver la disminución del
THDi de 13% a 6% en cada una de las tres fases del
sistema. Otro punto muy importante es que podemos ver
un transitorio que tiene una duración de 20ms, en el cual
los picos de THDi son los siguientes: Fase A alcanza un
pico de 35%, Fase B alcanza un pico de 37% y la Fase C
alcanza un pico de 38%. Después de haber pasado el
96
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
transitorio las fases se estabilizan y los parámetros toman
un valor dentro del estándar IEEE 1159, el cual nos dice
que el límite es del 8%.
Figura 7: THDv en porcentaje en la carga
Figura 8: THDv en porcentaje en la barra 7
La Fig. 9 muestra la potencia suministrada desde la
barra 7 hacia la carga, donde se aprecia un aumento de la
potencia enviada debido a la conexión del filtro al
sistema, y se observa un pico de potencia de 2100W. Esta
potencia disminuye en proporción al logro de la
estabilidad del filtro UAPF-PV. Mientras que en la Fig.
10 podemos ver el consumo de potencia realizado por el
filtro UAPF, en donde existe un pico de consumo en el
instante de conexión y una disminución del consumo
cuando el filtro se estabiliza.
Figura 9: Potencia suministrada por la barra 7
Figura 10: Potencia del filtro UAPF-PV
Las Figs. 11 y 12 muestran la corriente y voltaje
inyectados por el filtro UAPF-PV, en donde se puede
apreciar que en el momento de la activación del filtro se
produce una corriente de inyección hacia la red del
sistema y por otro lado la forma de onda de voltaje se ve
reducida en la magnitud.
Figura 11: Corriente inyectada por el UAPF-PV
Figura 12. Onda de voltaje resultante al conectar el
UAPF-PV
Por último, la Fig. 13 muestran los voltajes en valor
por unidad de todo el sistema de 13 de la IEEE, en el cual
se puede ver todos los voltajes de la barra y en específico
de la barra 7 la cual disminuye a aproximadamente a 0.9
voltios por unidad.
97
Tupiza et al. / Reducción de la Distorsión Armónica Total a través de Generación Fotovoltaica y el Filtro Activo Unificado
Figura 13: Voltajes [p.u] del sistema de 13 barras
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El diseño del filtro unificado de potencia activa (UAPF)
con generación fotovoltaica (PV) fue simulado mediante
la aplicación de Matlab/Simulink. Esta metolodogía
propuesta reduce la componente armónica presente en las
ondas de voltaje y corriente, en la cual los resultados
fueron positivo al ver reflejado una disminución de la
distorsión armónica total de voltaje (THDi) de un 7% y
en la distorsión armónica total de corriente (THDv) en un
11% en el sistema.
La implementación del filtro UAPF-PV se realizó en un
sistema de 13 barras de la IEEE con conexión en la barra
7 de una carga no lineal para el análisis de los armónicos,
donde se obtuvo una reducción del 13% al 6% en la forma
de onda de corriente y una reducción del 14% al 3% en
la forma de onda de voltaje en la barra del sistema.
Al analizar los valores medidos en la carga se puede notar
un pequeño descendimiento en la magnitud de voltaje a
un valor de 0.95 por unidad, debido a que la conexión del
filtro genera un transitorio, después de un periodo de
tiempo el filtro llega a la estabilidad y la magnitud de
voltaje vuelve a 1 voltio por unidad en la barra 7.
Se puede apreciar en las diferentes gráficas que después
de la conexión del filtro UAPF-PV, los valores del THDi
desciende a un valor de 6% y se posiciona por debajo del
límite del 8% expresado en la resolución Nro.
ARCERNNR -017/2020 y del estándar IEEE 1159.
Para concluir el filtro UAPF-PV tiene un buen
desempeño en los experimentos realizados, en el que se
puede apreciar una disminución de la componente
armónica en el sistema y además de su versatilidad al
momento de mejorar la calidad de la energía.
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Pablo Tupiza García.- (Y’1998-
M’5). Received the B.S. of
Electrical Engineering from the
Universidad Politécnica Salesiana,
Quito – Ecuador in 2021. His work
is based on the compensation of
harmonics in the electrical
distribution network through a
three-phase unified active filter. His research interests
include power system stability, electrical distribution
system, smart grids, renewable energy systems and
energetic efficiency.
Wilson Pavón Vallejos.- (Y’1989-
M’10). Received the B.S. of
Electronic 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. PhD for the
Ferrera-University in Italy. 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.
Manuel Dario Jaramillo Monge.-
(Y'1990-O’14). He completed his
higher studies at the University of
the Armed Forces ESPE in Quito,
where he graduated as an
Electronic Engineer in Automation
and Control in 2014. He also
completed postgraduate studies at
the University of Newcastle, United Kingdom, where he
obtained a master’s degree. in Electrical Power. He is
currently a full-time occasional professor at the Salesian
Polytechnic University. mjaramillo@ups.edu.ec
99
