Investigación para la extensión del Fasor de la potencia aparente de desequilibrio a la potencia aparente de distorsión. Nuevo método para la compensación de la potencia reactiva y potencias de desequilibrio en sistemas trifásicos sinusoidales desequilibrados

Abstract

[ES] El campo de la ciencia donde se encuadra la presente tesis doctoral, es un campo muy antiguo y muy estudiado. La primera experiencia conocida en transmisión de energía eléctrica es atribuida a H. Fontaine en 1873 en la Exposición de Viena. Desde entonces se han desarrollado multitud de teorías sobre la potencia eléctrica, y aunque parezca poco creíble, hoy en día todavía no se ha establecido una teoría consensuada por toda la comunidad científica. No obstante, sí que hay una norma establecida que permite la construcción de los aparatos de medida bajo unos mínimos consensuados. Esta norma es la IEEE Std. 1459-2010. En el año 2015, el Dr. Pedro Ángel Blasco Espinosa, presentó su tesis doctoral cuyo título es: "Formulación de la potencia de desequilibrio. Aplicación a redes eléctricas desequilibradas sinusoidales", en la cual se formulaba fasorialmente la potencia de desequilibrio, y conjuntamente con la potencia aparente de secuencia positiva, obtenía la potencia total suministrada por la red en un punto de la misma. Esta potencia coincidía con la obtenida con la norma reseñada y con la teoría de Buchholz (1922). No obstante, dejaba fuera la potencia de distorsión. Esta tesis tiene dos objetivos diferenciados y complementarios entre sí. El primer objetivo de esta tesis es el extender el fasor del Dr. Blasco, a la formulación fasorial de la potencia de distorsión. De esta forma se obtiene un procedimiento distinto y complementario al indicado en la norma reseñada, pero sin la intención de sustituirla, para la obtención de la potencia aparente total suministrada por la red en un punto de la misma. Ello ha dado lugar al primer artículo publicado del compendio de la presente tesis titulado "Formulation of the Phasors of Apparent Harmonic Power: Application to Non-Sinusoidal Three-Phase Power Systems", en la revista "Energies", indexada en JCR y publicado con fecha de julio de 2018. El segundo objetivo se centra en las potencias de desequilibrio, más concretamente en la modelización de circuitos compensadores pasivos constituidos por elementos reactivos, eliminando dichas potencias ineficientes de tal forma que no las tenga que entregar la red o el generador. La metodología de compensación que se describe en esta tesis, para sistemas a tres y cuatro hilos, no ocasiona un consumo energético adicional y es integrable en filtros híbridos, confiriéndole versatilidad y bajo coste económico. Dadas las características y particularidades de los sistemas eléctricos a tres y cuatro hilos, especialmente en las redes de baja tensión, hace que estos deban ser estudiados de forma separada. Ello dio como resultado la publicación de dos nuevos artículos en la revista "Applied Sciences" indexada en JCR. El primer artículo titulado "Compensation of Reactive Power and Unbalanced Power in Three-Phase Three-Wire Systems Connected to an Infinite Power Network", con fecha de publicación diciembre de 2019, se centra en la compensación de redes trifásicas a tres hilos en una red de potencia de cortocircuito infinita, y en él se describe la metodología de compensación de las corrientes de secuencia negativa e imaginaría de secuencia positiva, las cuales son responsables de las ineficiencias debidas a las potencias de desequilibrio y de desfase o reactiva, poniendo de manifiesto la forma en la cual interactúan entre sí los diferentes dispositivos de compensación cuando el sistema de tensiones es desequilibrado. Este artículo es el segundo del compendio de la presente tesis. El otro artículo, publicado en marzo de 2020 y titulado "Unbalanced and Reactive Currents Compensation in Three¿Phase Four¿Wire Sinusoidal Power Systems", se centra en la compensación de las ineficiencias ocasionadas en las redes eléctricas a 4 hilos por las corrientes de secuencia homopolar, las corrientes de secuencia negativa y la corriente positiva reactiva. Este artículo es el tercero y último del compendio de artículo

[CA] El camp de la ciència on s'enquadra la present tesi doctoral, és un camp molt antic i molt estudiat. La primera experiència coneguda en transmissió d'energia elèctrica és atribuïda a H. Fontaine en 1873 en l'Exposició de Viena. Des de llavors s'han desenrotllat multitud de teories sobre la potència elèctrica, i encara que parega poc creïble, hui en dia encara no s'ha establit una teoria consensuada per tota la comunitat científica. No obstant això, sí que hi ha una norma establida que permet la construcció dels aparells de mesura davall uns mínims consensuats. Esta norma és la IEEE Std. 1459-2010. L'any 2015, el Dr. Pedro Ángel Blasco Espinosa, va presentar la seua tesi doctoral el títol de la qual és: "Formulación de la potencia de desequilibrio. Aplicación a redes eléctricas desequilibradas sinusoidales", en la qual es formulava fasorialment la potència de desequilibri, i conjuntament amb la potència aparent de seqüència positiva, obtenia la potència total subministrada per la xarxa en un punt de la mateixa. Esta potència coincidia amb l'obtinguda amb la norma ressenyada i amb la teoria de Buchholz (1922). No obstant això, deixava fora la potència de distorsió. Esta tesi té dos objectius diferenciats i complementaris entre si. El primer objectiu d'esta tesi és l'estendre el fasor del Dr. Blasco, a la formulació fasorial de la potència de distorsió. D'esta manera s'obté un procediment distint i complementari a l'indicat en la norma ressenyada, però sense la intenció de substituir-la, per a l'obtenció de la potència aparent total subministrada per la xarxa en un punt de la mateixa. Això ha donat lloc al primer article publicat del compendi de la present tesi titulat: "Formulation of the Phasors of Apparent Harmonic Power: Application to Non-Sinusoidal Three-Phase Power Systems", en la revista "Energies", indexada en JCR i publicat amb data juliol de 2018. El segon objectiu se centra en les potències de desequilibri, més concretament en la modelització de circuits compensadors passius constituïts per elements reactius, eliminant les dites potències ineficients de tal forma que no les haja d'entregar la xarxa o el generador. La metodologia de compensació que es descriu en esta tesi, per a sistemes a tres i quatre fils, no ocasiona un consum energètic addicional i és integrable en filtres híbrids, conferint-li versatilitat i baix cost econòmic. Donades les característiques i particularitats dels sistemes elèctrics a tres i quatre fils, especialment en les xarxes de baixa tensió, fa que estos hagen de ser estudiats de forma separada. Això va donar com resultat la publicació de dos nous articles en la revista "Applied Sciences" indexada en JCR. El primer article titulat "Compensation of Reactive Power and Unbalanced Power in Three-Phase Three-Wire Systems Connected to an Infinite Power Network", amb data publicació desembre de 2019, se centra en la compensació de xarxes trifàsiques a tres fils en una xarxa de potència de curtcircuit infinita, i en ell es descriu la metodologia de compensació dels corrents de seqüència negativa i imaginaria de seqüència positiva, les quals són responsables de les ineficiències degudes a les potències de desequilibri i de desfasament o reactiva, posant de manifest la forma en la qual interactuen entre si els diferents dispositius de compensació quan el sistema de tensions és desequilibrat. Este article és el segon del compendi de la present tesi. L'altre article, publicat al març de 2020 i titulat "Unbalanced and Reactive Currents Compensation in Three-Phase Four-Wire Sinusoidal Power Systems", se centra en la compensació de les ineficiències ocasionades en les xarxes elèctriques a 4 fils pels corrents de seqüència homopolar, els corrents de seqüència negativa i la corrent positiva reactiva. Este article és el tercer i últim del compendi d'articles de la present tesi.

[EN] The area of science in which this doctoral thesis is framed is a very old and highly studied area. The first known experience in electric power transmission is attributed to H. Fontaine in 1873 at the Vienna Exposition. Since then, a multitude of theories on electrical power have been developed, and although it may seem unbelievable, today a theory agreed by the entire scientific community has not yet been established. However, there is an established standard that allows the construction of measuring devices under agreed minimums. This standard is IEEE Std. 1459-2010. In 2015, Dr. Pedro Ángel Blasco Espinosa, presented his doctoral thesis whose title is: "Formulation of the power of imbalance. Application to sinusoidal unbalanced electrical networks", in which the unbalance power was phasorly formulated, and together with the apparent power of positive sequence, it obtained the total power supplied by the network at one point of it. This power coincided with that obtained with the mentioned norm and with the theory of Buchholz (1922). However, it left out the distortion power. This thesis has two different and complementary objectives. The first objective of this thesis is to extend Dr. Blasco's phasor to the phasor formulation of distortion power. In this way, a different and complementary procedure to that indicated in the aforementioned standard is obtained, but without the intention of replacing it, to obtain the total apparent power supplied by the network at a point in it. This has led to the first published article in the compendium of this thesis entitled "Formulation of the Phasors of Apparent Harmonic Power: Application to Non-Sinusoidal Three-Phase Power Systems", in the journal "Energies", indexed in JCR and published with dated July 2018. The second objective focuses on the unbalance powers, more specifically on the modelling of passive compensating circuits made up of reactive elements, eliminating these inefficient powers in such a way that they do not have to be delivered by the network or the generator. The compensation methodology described in this thesis, for three and four-wire systems, does not cause additional energy consumption and is easy to implement in hybrid filters, giving it versatility and low economic cost. Given the characteristics and peculiarities of three and four wire electrical systems, especially in low voltage networks, it means that these must be studied separately. This resulted in the publication of two new articles in the journal "Applied Sciences" indexed in JCR. The first article entitled "Compensation of Reactive Power and Unbalanced Power in Three-Phase Three-Wire Systems Connected to an Infinite Power Network", published in December 2019, focuses on the compensation of three-wire three-phase networks with power of infinite short circuit, and it describes the compensation methodology of negative sequence current and positive reactive current, which are responsible for the inefficiencies due to the imbalance and phase shift or reactive powers, showing how which the different compensation devices interact with each other when the voltage system is unbalanced. This article is the second in the compendium of this thesis. The other article, published in March 2020 and titled "Unbalanced and Reactive Currents Compensation in Three-Phase Four-Wire Sinusoidal Power Systems", focuses on compensating for inefficiencies caused in 4-wire electrical networks by zero-sequence current, negative-sequence current and reactive positive-sequence current. This article is the third and last of the compendium of articles in this thesis.