Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 08-05-2022, Aprobado tras revisión: 08-07-2022
Forma sugerida de citación: Llumitaxi, W.; Pavón, W.; Ortíz, L.; Pozo, N. (2022). “Filtro Activo de Potencia (APF) Híbrido con
integración de Generación Fotovoltaica para la Mejora del Perfil de Tensión”. Revista Técnica “energía”. No. 19, Issue I, Pp. 100-
109
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.523
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Hybrid Active Power Filter (APF) with Photovoltaic Generation integration
for Voltage Profile Improvement
Filtro Activo de Potencia (APF) Híbrido con integración de Generación
Fotovoltaica para la Mejora del Perfil de Tensión
W. Llumitaxi
1
W. Pavón
1
L. Ortiz
1
N. Pozo
2
1
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador
E-mail: wllumitaxi@est.ups.edu.ec; wpavon@ups.edu.ec; lortiz@ups.edu.ec
2
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad San Francisco de Quito, Quito, Ecuador
E-mail: npozo@usfq.edu.ec
Abstract
The paper presents the design and implementation of
a hybrid active power filter (APF), which aims to
achieve the voltage levels correction, when they are
affected by the photovoltaic generation integration
within the electrical distribution network. To achieve
the proposed objective, the spatial vector modulation
control technique is implemented, resulting in the
reduction of current and voltage harmonics. The
proposed design is tested on the IEEE 13-bus test
system, in MATLAB/Simulink. The proposed
strategy has excellent results and allows the
photovoltaic energy systems integration in
distribution stage. Depending on the selection of the
high-potential APF, it will determine how significant
the correction is on the voltage profile. Finally, the
system has load disturbances and harmonics
distortion reduction.
Index terms THD, APF, PV, Power quality,
compensation, control, harmonics, IEEE model.
Resumen
El presente paper presenta el diseño y la
implementación de un filtro activo de potencia (APF)
híbrido, que tiene como objetivo lograr la corrección
de los niveles de voltaje cuando estos son afectados
por la integración de generación fotovoltaica dentro
de la red de distribución eléctrica. Para alcanzar el
objetivo propuesto, se hace uso de la técnica de
control de modulación por vector espacial, resultando
en la reducción de armónicos de corriente y voltaje.
El diseño propuesto se lo prueba en el sistema de
prueba de la IEEE de 13 barras, implementado en
MATLAB/Simulink. La estrategia propuesta tiene
excelentes resultados, y permite la inserción de
sistemas energéticos fotovoltaicos en la etapa de
distribución. Dependiendo la selección del APF de
alto potencial se podrá determinar cuan significativa
es la corrección sobre el perfil de voltaje, también se
reflejará una reducción en las perturbaciones de
carga y la compensación de los armónicos se verá
mejorada.
Palabras clave THD, APF, PV, calidad de la
energía, compensación, control, armónicos, modelo
IEEE.
100
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
1. INTRODUCCIÓN
La integración de nuevas tecnologías de generación
es la respuesta al crecimiento de la demanda de energía.
En la etapa de distribución eléctrica se integra
directamente recursos de generación distribuida, que son
herramientas indispensables para incrementar la
seguridad y confiabilidad del servicio de energía eléctrica
[1].
Sistemas de generación distribuida incluyen centrales
de generación eólicas y solares. Estas constituyen una de
las principales soluciones para aliviar la carga de las
redes de transporte de electricidad, además permiten la
inserción de nuevas cargas, y permiten a los sistemas
eléctricos una operación técnica y económicamente
confiable [2]. Sin embargo, estas tecnologías tienen
características propias que generan un impacto negativo
en la red, como lo son armónicos, problemas térmicos,
fluctuaciones, intermitencias, entre otros. Estos factores
pueden afectar la calidad de la energía a ser entregada al
usuario final [3]. Sin descartar que, otros elementos
constitutivos del sistema aportan sus propias
afectaciones, como los efectos de cargas no lineales [4].
Como solución al problema descrito se han
desarrollado estudios como [5], [6]. Los que proponen
mejorar la calidad energética en sistemas
desbalanceados. Las técnicas que se proponen son:
equilibrio de carga, análisis de las corrientes del neutro,
compensación de la carga de potencia reactiva y mejora
en las interferencias en el sistema eléctrico de potencia.
Podemos decir que existen diferentes afectaciones en el
sistema de distribución eléctrica. Es por eso que, en el
presente estudio se propone a analizar los perjuicios
causados por los armónicos y su compensación, por
medio de dispositivos como el filtro activo de potencia
(AFP).
En las investigaciones [7], [8] exponen en su
literatura, el uso tradicional de filtros y pasivos para
reducir armónicos en serie, pero en combinación con
sistemas que se integran a la red, este mecanismo tiene
límites en el nivel filtrado, lo que deteriora los elementos
pasivos. En [9] se destacan tecnologías de filtrado
avanzado como compensadores sincrónicos, APF,
inversores de múltiples niveles, acondicionadores de
calidad unificados, reguladores dinámicos, y otros. Estas
tecnologías podrían ser un camino para la producción de
energía limpia y para reducir el impacto en la calidad
energética, especificamente los armónicos de corriente y
voltaje. En el paper [10], se estudian la implementación
de APF para problemas de compensación de potencia,
armónicos, niveles de calidad, proponiéndose como
solución efectiva, siempre que se diseñe con técnicas de
control y monitoreo adecuadas [11].
Las agentes encargados de la distribución deben
cumplir con estándares de operación para entregar el
suministro de energía eléctrica a la demanda [12],
regulada por las normas internacionales de calidad de la
energía IEEE 519 y ISO 61000. Esto se logra con la
incorporación de filtros activos de potencia, que permiten
cumplir con los estándares antes descritos. Mejorando los
parámetros de calidad del voltaje, factor de potencia,
disminución de pérdidas, reducción del calentamiento en
conductores y transformadores, entre otros beneficios
[13], [14].
Debido a los costos de los APF, en [15] se abordan
los filtros activos híbridos, que consisten en filtro pasivo
con un filtro activo en paralelo. La Figura 1 detalla la
conexión del filtro activo de potencia híbrido al sistema
de generación distribuida y su interconexión con la red
de distribución. Los filtros híbridos se controlan de la
siguiente manera, los armónicos de orden bajo son
suprimidos por la operación del filtro activo de potencia
en paralelo, mientras que los armónicos de frecuencia
más alta son eliminados por el filtro pasivo [16], [17].
Este filtro híbrido es más eficiente, de menor tamaño,
económico y fiable en relación con tecnologías más
antiguas. En [18] se detalla que, los convertidores de
potencia combinados permiten el acoplamiento de
fuentes de energía renovable a la red de distribución [19].
Inversor
Controlador MPPT
Filtro de
potencia activa
híbrido
Sistema FV
S/E
Distribución
Alimentadores
Primarios
Sistema de
Transmisión
Generación Distribuida
Cargas no lineales
Figura 1: Esquema del sistema de distribución con APF híbrido y
generación distribuida
En función a lo descrito, el trabajo propuesto abarca
el diseño y la implementación de un filtro activo de
potencia híbrido para mejorar el perfil de voltaje cuando
se integra generación fotovoltaica. Como esquema de
modulación se considera la técnica de modulación por
ancho de pulso de vectores espaciales. Esta metodología
funciona sobre el inversor como unidad y se basa en que
un único vector, que tiene la capacidad de representar las
tres fases del sistema de potencia trifásico, este vector se
origina a partir de los periodos tiempos de trabajo de las
fases de conmutación del inversor [20], [21].
La estructura de este trabajo se divide en diferentes
apartados que se describen a continuación: en el apartado
2 se detalla el diseño de la metodología del sistema
101
Llumitaxi et al. / Filtro Activo de Potencia (APF) Híbrido con integración de PV para la Mejora del Perfil de Tensión
propuesto, incluyendo sistema fotovoltaico (FV),
convertidor DC-DC, convertidor DC-AC y APF. El
aparatado 3 establece los resultados y su análisis. Y
finalmente en el apartado 4 se presentan las conclusiones
del trabajo elaborado.
2. METODOLOGÍA
Los modelos matemáticos y estructuras de cada uno
de los componentes del sistema se describen a
continuación.
La célula fotovoltaica es representada en la Figura 2,
la cual está compuesta por una fuente de corriente

conectada en paralelo con un diodo y dos resistencias

y
, las cuales representan a las pérdidas de corriente y
pérdidas en los terminales de la célula fotovoltaica
respectivamente [22]–[24].
Figura 2: Diagrama unifilar de la célula fotovoltaica
En el circuito equivalente de la célula fotovoltaica
obtiene que la ecuación de corriente de salida de la célula
fotovoltaica como se indica en la ecuación (1).
Considerando un arreglo FV con un número definido de
paneles en serie

y paneles en paralelo

, las
ecuaciones de corriente, voltaje y potencia a la salida del
arreglo fotovoltaico quedan descritas en las ecuaciones
(2), (4) y (5).


󰇩 󰇧
󰇟

󰇠

󰇨 󰇪


(1)



󰇩󰇧
󰇟

󰇠


󰇨 󰇪


(2)
En donde
se describe en (3):







(3)

󰇩


󰇪



(4)






󰇩 󰇧
󰇟

󰇠


󰇨 󰇪
(5)
Tabla 1. Significado de variables del modelamiento
Variable













En la Fig. 3 se ilustra la estructura del APF, el cual
está conformado principalmente por un capacitor o banco
de capacitores, un convertidor de fuente de voltaje y una
inductancia de enlace necesaria para la conexión en
paralelo con la red eléctrica [25]. En primer lugar, se
determina el valor del voltaje DC sobre el banco de
capacitores. En la ecuación (14) se define el cálculo de
este.
Luego es necesario calcular el valor de la inductancia
de enlace, la cual permitirá la inyección de la corriente de
compensación hacia el sistema por parte del APF,
haciendo posible un intercambio de energía. Su
modelación se describe en la ecuación expresada en la
ecuación (15).
102
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Banco de
Capacitores
Convertidor de
fuente de voltaje
Inductancia de
enlace
Punto de conexión
FILTRO ACTIVO
Figura 3: Diagrama unifilar del APF [25].
Finalmente se determina el valor del capacitor del
AFP. Para este cálculo se considera como factor de
diseño el máximo rizado de voltaje DC permitido [26].
El valor del capacitor se calcula mediante la ecuación
(16):

󰇛

󰇜

(14)
󰇛

󰇜





(15)
󰇛

󰇜






(16)
Una vez dimensionado el filtro activo, se propone
realizar el control del APF, basándose en el cálculo de la
corriente de referencia de compensación generando un
bloque de control, el cual estará encargado de determinar
la corriente de referencia que el APF deberá inyectar a la
red para compensar los armónicos, mismo que se
conforma por dos lazos principales, un lazo principal de
corriente y un lazo secundario de control del voltaje DC
del convertidor del APF [27].
Para el lazo principal, se utiliza un controlador de
Marco de Referencia Síncrono (SRF, por sus siglas en
inglés). Con este controlador se dispondrá de un marco
de referencia que gira en el plano complejo, y está
sincronizado con la tensión de la red en el punto de
conexión.
Para analizar los efectos de la implementación del
APF en la red eléctrica, se realizará una simulación en
MATLAB/SIMULINK. Los parámetros diseñados para
cada componente del sistema. El Sistema de Distribución
IEEE 13 barras [28] ha sido modificado para incluir
cargas monofásicas; y, el nodo 634 es el punto de
conexión de la generación fotovoltaica. Dicho sistema se
ilustra en la Fig. 4.
Figura 4: Sistema de distribución modificado IEEE 13 barras.
Para el diseño del arreglo fotovoltaico, se consideró,
una potencia pico de 100 kW de acuerdo a las cargas,
determinándose el panel a simular y el número de
módulos fotovoltaicos serie y paralelo necesarios para
poder proporcionar dicha potencia. La implementación
de un convertidor DC-DC, y su diseño fue con base a la
modelación matemática descrita. En la Tabla 2, se
detallan los parámetros diseñados del convertidor DC-
DC. La implementación y simulación del convertidor
está en la Fig. 5.
Tabla 2. Parámetros de diseño del convertidor elevador
Parámetros
Valor

(V)
300

(V)
600

(kW)
100

(Hz)
5000

1%

5%
L (H)
1.8e-3
C (F)
2777e-6
Figura 5: Diseño para implementación del convertidor DC-DC
Luego se diseñó una estrategia de control basada en
el algoritmo seguimiento del máximo punto de potencia
(MPPT), con el propósito de generar un tren de pulsos del
103
Llumitaxi et al. / Filtro Activo de Potencia (APF) Híbrido con integración de PV para la Mejora del Perfil de Tensión
ciclo de trabajo, con el que se pueda controlar la
conmutación del convertidor DC-DC [29].
Para integrar la generación fotovoltaica con la red
eléctrica se implementó un inversor. Para el caso, se
estableció conectar la generación fotovoltaica en el nodo
634 del sistema IEEE, el cual tiene un nivel de voltaje de
480V, mediante un filtro RL En la Tabla 3, se exponen
los parámetros diseñados del Inversor. El diseño del APF
consiste básicamente en calcular el valor de la
inductancia Lf APF y el valor del capacitor CAPF. En la
Tabla 4, se observan los parámetros diseñados del APF.
Tabla 3. Parámetros de diseño del inversor
Parámetros
Valor

(V)
600

(V)
480

(HZ)
5000
(HZ)
60
(ꭥ)
3.5e-3
(H)
1430e-6
Tabla 4. Parámetros de diseño del APF
Parámetros
Valor
(V) – LL RMS
480

(V)
400

(HZ)
5000

(KW)
100

(V)
2

(A)
1
󰇛󰇜
11.3e-3
 (F)
1500e-6
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
El caso de estudio contempla dos escenarios, los
cuales se describen a continuación:
Escenario 1: Estructura de componentes Arreglo
Fotovoltaico – Convertidor Elevador (DC-DC) –
Inversor (DC-AC) – Conexión a Sistema de Distribución
IEEE 13 barras.
=
=
=
~
IEEE
13 barras
Convertid or
DC-DC
Convertidor
DC-AC
Filtro de
Red
Instalació n
Fotovoltaica
Figura 6: Esc 1–Conexión de generación FV a sistema de
distribución sin APF
Escenario 2: Estructura de componentes Arreglo
Fotovoltaico – Convertidor Elevador (DC-DC) –
Inversor (DC-AC) – Conexión a Sistema de Distribución
IEEE 13 barras incluyendo Filtro Activo de Potencia
(APF). De manera inicial, se presenta un análisis del
comportamiento de cada uno de los componentes del
sistema, luego se expone una comparativa entre la
simulación del Escenario 1 y el Escenario 2.
=
=
=
~
IEEE
13 barras
Convertidor
DC-DC
Convertidor
DC-AC
Filtro de
Red
APF
Instalació n
Fotovoltaica
Figura 7: Esc 2–Conexión de generación FV a sistema de
distribución con APF
El arreglo fotovoltaico diseñado considera 55 ramales
en paralelo de 6 módulos fotovoltaicos conectados en
serie. En la Fig. 8, se muestra la curva I-V característica
de los paneles fotovoltaicos. Esta curva está marcada por
dos puntos relevantes, el voltaje de circuito abierto que
es aproximadamente 385.20 V y la corriente de
cortocircuito que es aproximadamente 327.8 A. También
se marca el punto de voltaje y corriente en donde se tiene
la máxima potencia PMP.
Figura 8: Curva I-V del arreglo fotovoltaico
En las Fig. 9, Fig. 10 y Fig. 11 se muestra el voltaje,
la corriente y la potencia proporcionada por los paneles
fotovoltaicos respectivamente, las cuales son variables a
la entrada del convertidor elevador. Se puede observar
claramente la efectividad del algoritmo MPPT
implementado, ya que cada una de estas variables alcanza
rápidamente los valores deseados, correspondientes al
punto de máxima potencia PMP.
104
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 9: Voltaje a la salida del arreglo fotovoltaico
Figura 10: Corriente a la salida del arreglo fotovoltaico
Figura 11: Potencia a la salida del arreglo fotovoltaico.
En la Fig. 12 se ilustra el voltaje que se tiene a la
salida del convertidor, el cual fue diseñado en 600 V. El
voltaje a la salida del convertidor, como se puede
observar presenta una buena respuesta transitoria, y
rápida estabilización.
Figura 12: Voltaje a la salida del convertidor elevador
La etapa de conversión de corriente continua a
corriente alterna, mediante la implementación del
inversor, conlleva a un voltaje deseado a la salida del
inversor, que fue diseñado para tener un valor de 480 V
L-L RMS. En la Fig. 13 se ilustra el voltaje en el nodo
634 del sistema IEEE de 13 barras en el que se observa
que las distorsiones armónicas son imperceptibles
(rizado) las cuales han sido provocadas por las
conmutaciones de los elementos de la generación
fotovoltaica.
En la Fig. 14 se ilustra la corriente inyectada por el
inversor en el sistema de distribución en el nodo 634. Se
puede indicar que no existe un grado elevado distorsión
armónica, ya que el filtro, a través de la inductancia de
inyección a red, ha minimizado el impacto.
Figura 13: Voltaje en el nodo 634 del sistema de 13 barras IEEE
con generación FV
105
Llumitaxi et al. / Filtro Activo de Potencia (APF) Híbrido con integración de PV para la Mejora del Perfil de Tensión
Figura 14: Corriente a inyectada por el inversor abc.
En la Fig. 15, se ilustra el voltaje en los capacitores
del APF, señalándose una respuesta rápida, lo cual
implica que el bloque de control del APF tiene un
comportamiento adecuado. En la Fig.16 se ilustra la
corriente de compensación inyectada por el APF, para
eliminar la componente armónica en la corriente
inyectada hacia el sistema de distribución.
Figura 15: Voltaje medido en los capacitores del APF
Figura 16: Corriente de compensación inyectada por al APF hacia
el sistema
Mediante la comparativa de los resultados obtenidos
en los Escenarios 1 y 2, se pretende determinar los
beneficios de la implementación del APF, referente a la
atenuación o eliminación de amónicos. La reducción del
contenido armónico con la implementación del filtro
puede ser observada en el cálculo del contenido armónico
THD, tal cual como se ilustra en la Tabla 5 y en la Fig.
17 y Fig. 18. Tomado de la onda de voltaje del nodo 634
del sistema de distribución de 13 barras de la IEEE,
cumpliendo la norma regulada por las normas
internacionales de calidad de la energía IEEE 519 y ISO
61000. La implementación del APF conlleva a que la
distorsión armónica se atenúe significativamente, sin
embargo, durante un período leve de tiempo de
aproximadamente 0.2 segundos, se muestran
oscilaciones de armónicos que son resultado del estado
no estabilizado de operación del sistema, el cual es más
significativo que el presentado en la Fig. 17. Este efecto
se genera dado que, el sistema tiene más componentes, lo
que causa más armónicos y tarda un delta de tiempo
adicional en estabilizarse, lo citado se muestra en la Fig.
18.
Figura 17: Índice de Distorsión Amónica Total – Voltaje en nodo
634 sin APF
Figura 18: Índice de Distorsión Amónica Total – Voltaje en nodo
634 con APF
106
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Tabla 5: Comparativa del THD para el Esc. 1 y el Escenario 2
FASE
%THD SIN APF
%THD CON APF
A
7.23%
1.42%
B
5.62%
0.65%
C
4.85%
0.44%
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
La implementación del filtro activo de potencia (AFP),
reduce efectivamente los armónicos provocados por la
conmutación de los dispositivos semiconductores
componentes de la generación fotovoltaica.
Concretamente se obtuvo una reducción del índice de
distorsión armónica (THD), el cual para la fase a paso
de 7.23% a 1.42%, para la fase b de 5.62% a 0.65% y
finalmente para la fase c de 4.85% a 0.44%, cumpliendo
la norma regulada por las normas internacionales de
calidad de la energía IEEE 519 y ISO 61000.
La estrategia de seguimiento del máximo punto de
potencia (MPPT) implementado demuestra un trabajo
excelente en la extracción de la máxima potencia, el cual
hace posible que el arreglo fotovoltaico opere siempre
en el punto de máxima potencia, aportando una potencia
de aproximadamente 100 kW.
Las variables de entrada y salida del convertidor DC-
DC, alcanzaron los valores establecidos en el diseño, los
cuales son: voltaje del arreglo fotovoltaico – 328V,
corriente del arreglo fotovoltaico – 307A, potencia del
arreglo fotovoltaico – 100kW, voltaje DC a la salida del
convertidor – 600V.
El control del inversor es adecuado, ya que las variables
de este alcanzaran los niveles establecidos de una
manera rápida. Se obtuvo a la salida el voltaje en
corriente alterna diseñado, el cual fue de 480V (L-L
RMS).
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William Llumitaxi.- (Y’1989-
M’10). Realizó sus estudios de
nivel secundario en el Colegio
Instituto Tecnológico Superior
Guaranda. Egresado de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad
Politécnica Salesiana. Su trabajo
está basado en el diseño e
implementación de un acondicionador llamado filtro
activo híbrido para mejorar la calidad de la energía, este
permite corregir armónicos generados por la integración
de generación fotovoltaica en el sistema de distribución
eléctrico.
108
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Wilson Pavón Vallejos.- (Y’1989-
M’10). Actualmente es docente a
tiempo completo de la Universidad
Politécnica Salesiana. Obtuvo su
título de tercer nivel en la
Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE como Ingeniero
Electrónico en Automatización y
Control. Obtuvo su título de cuarto nivel en la
Universidad de Newcastle upon Tyne como Magister en
Automatización y Control. Doctor por la Universidad de
Ferrara – Italia.
Nataly Pozo Viera.- (Y’1991-
M’02). Ingeniera en Electrónica y
Control de la Escuela Politécnica
Nacional -Quito, Ecuador. Obtuvo
su título de M.Sc. Electrical Power
en Newcastle University, Reino
Unido. Actualmente, se desempeña
como docente en la Universidad San
Francisco de Quito, donde es Mentora del Capítulo de
Afinidad Women in Engineering-IEE.
Leony Ortiz.- (Y’1982-M’02).
Recibió el título de MSc. e
Ingeniería en Automática por el
Instituto Superior Politécnico Julio
Antonio Mella (ISPJAM) de la
Universidad de Oriente, Cuba.
Actualmente se encuentra
estudiando para obtener su título de
Doctor en Ingeniería en la Universidad Pontificia
Bolivariana-Colombia-Medellín, es miembro del Grupo
de Investigación en Redes Eléctricas Inteligentes
(GIREI). Forma parte del equipo académico de la carrera
de Ingeniería Eléctrica de Universidad Politécnica
Salesiana Quito-Ecuador. Sus principales intereses de
investigación Automatización y Control, Control robusto
y Control Tolerante a Fallos, Micro-redes Eléctricas
Inteligentes híbrida, CA/CC. lortiz@ups.edu.ec
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