Estudio y caracterización de cargas no lineales

Premi extraordinari doctorat curs 2009-2010, àmbit d’Enginyeria IndustrialAs a continuation of the work done by the QSE (Electrical Supply Quality) research group at the UPC (Polytechnic University of Catalonia) on non-linear load modelling to determine harmonic distortion in electrical power systems, this thesis consists of the carrying out of a series of studies of the most usual non-linear loads in the said systems (single-phase and three-phase rectifiers with capacitive filter, three-phase 6-pulse rectifiers and discharge lamps), basically aiming to characterize their behaviour and assess their influence on electrical power systems. The thesis was prepared in cooperation with the GNOM (Group of Numerical Optimization and Modelling) research group at the UPC in order to be able to analyse the numerical problem raised by the system of non-linear equations which characterizes each of the non-linear loads, as well as being able to approach optimization issues with some certainty of success. In summary, the aims of this thesis are as follows: -To analyse modelling of the most usual four non-linear loads in electrical power systems in order to incorporate the invariant concept in a justified way and establish ranges of values for the said invariants depending on their usual operating conditions. -To exploit the possibilities offered by invariants and, on the basis of the ranges of values obtained for each of them, to proceed to characterize the deterministic behaviour of the non-linear loads which are the object of the study and also to analyse the phenomena of harmonic cancellation and interaction. -To describe and study experimentally, also on the basis of invariants, the fundamental and harmonic currents (magnitude and angle) consumed by the non-linear loads considered in this thesis, whether by obtaining experimental models (databases) validated both experimentally and numerically, by validating the studied analytical models experimentally or by fitting the parameters of any of the previous models (parameter estimation) on the basis of experimental acquisitions. -To study the neutral conductor current in three-phase systems to which single-phase non-linear loads are connected (in particular, single-phase rectifiers with capacitive filter), by using invariants and validating the results of this experimentally.Como continuación de los trabajos realizados por el grupo de investigación QSE (Calidad del Suministro Eléctrico) de la UPC (Universidad Politécnica de Cataluña) sobre modelización de cargas no lineales para la determinación de la distorsión armónica en los sistemas eléctricos de potencia, se ha realizado como tesis una serie de estudios sobre las cargas no lineales más habituales en dichos sistemas (rectificadores monofásicos y trifásicos con filtro capacitivo, rectificadores trifásicos de 6 pulsos y lámparas de descarga) encaminados básicamente a la caracterización de su comportamiento y al análisis de su influencia en los sistemas eléctricos de potencia. La tesis se ha desarrollado en colaboración con el grupo de investigación GNOM (Grupo de Optimización Numérica y Modelización) de la UPC para poder analizar el problema numérico planteado por el sistema de ecuaciones no lineales que caracteriza cada una de las cargas no lineales, así como poder abordar con garantías problemas de optimización. Resumidamente, los objetivos de esta tesis son: -Analizar la modelización de las cuatro cargas no lineales más habituales en los sistemas eléctricos de potencia con el objetivo de introducir de forma justificada el concepto de invariante y establecer rangos de valores para dichos invariantes de acuerdo a sus condiciones habituales de funcionamiento. -Aprovechar las posibilidades que ofrecen los invariantes y, a partir de los rangos de valores obtenidos para cada uno de ellos, proceder a caracterizar el comportamiento determinístico de las cargas no lineales objeto de estudio y también a analizar los fenómenos de la cancelación y la interacción armónica. -Caracterizar y estudiar experimentalmente, también a partir de los invariantes, las intensidades fundamental y armónicas (módulo y ángulo) que consumen las cargas no lineales consideradas en esta tesis, ya sea mediante la obtención de modelos experimentales (bases de datos) validados tanto experimental como numéricamente, la validación experimental de los modelos analíticos estudiados o bien el ajuste de los parámetros de cualquiera de los anteriores modelos (estimación de parámetros) a partir de adquisiciones experimentales. -Estudiar la intensidad del neutro en sistemas trifásicos en los que hay conectadas cargas no lineales monofásicas (en particular, rectificadores monofásicos con filtro capacitivo), utilizando los invariantes y validando experimentalmente los resultados que se obtengan.Award-winningPostprint (published version