Study, design and implementation of an UPQC/UPS systems applied in three-phase active power conditioning

Este trabalho apresenta o estudo, análise e a implementação de três topologias de condicionadores ativos de energia elétrica, utilizados para a melhoria da qualidade da energia em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. Estes condicionadores de qualidade de energia podem trabalhar tanto como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC), bem como uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS), permitindo: (i) a supressão das correntes harmônicas da carga; (ii) a compensação de energia reativa da carga; (iii) compensação dos desequilíbrios das correntes de carga; (iv) a compensação de desequilíbrios de tensão da rede; (v) supressão das tensões harmônicas da rede elétrica; (vi) a regulação das tensões de saída (tensões de carga); e (vii) fornecimento de energia ininterrupta para as cargas críticas (sistema UPS). Dentre as três topologias de UPQC/UPS estudadas, uma delas é proposta neste trabalho com o intuito de reduzir a tensão no barramento CC. Além disso, todas as topologias em estudo são constituídas por dois conversores PWM, nos quais é adotada uma estratégia de controle dual. Desse modo, o conversor colocado em paralelo com a carga, funciona como uma fonte de tensão senoidal, enquanto que o conversor colocado em série entre a rede elétrica e a carga, é controlado para operar como uma fonte de corrente senoidal. Tanto os controladores de tensão, quanto os de corrente são implementados no referencial síncrono dq0. Além disso, a técnica de modulação vetorial espacial tridimensional (3-D-SVM) é empregada nos conversores. Testes experimentais são apresentados para validar o desenvolvimento teórico e verificar o bom desempenho estático e dinâmico dos condicionadores ativos de energia elétrica, operando como UPQC, bem como sistema UPS.This work presents the study, analysis and implementation of three topologies of active power conditioners, which are used to improve the power quality in three-phase four-wire systems. These power quality conditioner can work as unified power quality conditioner (UPQC), as well as an uninterruptible power supply (UPS) system allowing: (i) suppression of load harmonic currents; (ii) compensation of load reactive power; (iii) load unbalances compensation; (iv) utility voltage unbalances compensation; (v) utility voltage harmonics suppression; (vi) regulation of the output voltages (load voltages); and (vii) uninterruptible power for critical loads when working as UPS system. Among the three topologies of UPQC/UPS studied, one of them is proposed in this work in order to reduce the DC-bus voltage. Besides, all the topologies are comprised of two PWM converters, where a dual control strategy is adopted. The first converter, which is placed in parallel with the load, operates as a sinusoidal voltage source, while the second, which is placed in series between the utility grid and the load, is controlled to operate as a sinusoidal current source. Both the voltage and current controllers are implemented into the synchronous rotating reference frame (dq0-axes). In addition, the series and parallel converters use the three-dimensional space vector modulation (3-D-SVM) technique. The experimental tests are presented to validate the theoretical development and to verify the effective static and dynamic performance of the proposed active power conditioners, operating as UPQC and UPS