Harmonic current extraction of shunt active power filter based on prediction current technique - Hysteresis PWM

Due to the wide spread of power electronics equipment in modern electrical systems, the increase of the harmonics disturbance in the ac mains currents has became a major concern due to the adverse effects on all analysis and simulation using MATLAB-SIMULINK of a three-phase shunt active equipment. This paper presents the Shunt Active Power Filter (SAPF) to compensate the generated harmonics by 3-phase Rectifier Bridge fed R-L load. The harmonic current extraction is based on prediction current extraction technique -hysteresis PWM generation pattern

Tradeoffs between AC power quality and DC bus ripple for 3-phase 3-wire inverter-connected devices within microgrids

Visions of future power systems contain high penetrations of inverters which are used to convert power from dc (direct current) to ac (alternating current) or vice versa. The behavior of these devices is dependent upon the choice and implementation of the control algorithms. In particular, there is a tradeoff between dc bus ripple and ac power quality. This study examines the tradeoffs. Four control modes are examined. Mathematical derivations are used to predict the key implications of each control mode. Then, an inverter is studied both in simulation and in hardware at the 10 kVA scale, in different microgrid environments of grid impedance and power quality. It is found that voltage-drive mode provides the best ac power quality, but at the expense of high dc bus ripple. Sinusoidal current generation and dual-sequence controllers provide relatively low dc bus ripple and relatively small effects on power quality. High-bandwidth dc bus ripple minimization mode works well in environments of low grid impedance, but is highly unsuitable within higher impedance microgrid environments and/or at low switching frequencies. The findings also suggest that the certification procedures given by G5/4, P29 and IEEE 1547 are potentially not adequate to cover all applications and scenarios

Power Quality Enhancement in Electricity Grids with Wind Energy Using Multicell Converters and Energy Storage

In recent years, the wind power industry is experiencing a rapid growth and more wind farms with larger size wind turbines are being connected to the power system. While this contributes to the overall security of electricity supply, large-scale deployment of wind energy into the grid also presents many technical challenges. Most of these challenges are one way or another, related to the variability and intermittent nature of wind and affect the power quality of the distribution grid. Power quality relates to factors that cause variations in the voltage level and frequency as well as distortion in the voltage and current waveforms due to wind variability which produces both harmonics and inter-harmonics. The main motivation behind work is to propose a new topology of the static AC/DC/AC multicell converter to improve the power quality in grid-connected wind energy conversion systems. Serial switching cells have the ability to achieve a high power with lower-size components and improve the voltage waveforms at the input and output of the converter by increasing the number of cells. Furthermore, a battery energy storage system is included and a power management strategy is designed to ensure the continuity of power supply and consequently the autonomy of the proposed system. The simulation results are presented for a 149.2 kW wind turbine induction generator system and the results obtained demonstrate the reduced harmonics, improved transient response, and reference tracking of the voltage output of the wind energy conversion system.Peer reviewedFinal Accepted Versio

An improved sliding mode control for reduction of harmonic currents in grid system connected with a wind turbine equipped by a doubly-fed induction generator

Introduction. The implementation of renewable energy resources into the electrical grid has increased significantly in recent years. Wind power is one of the existing resources. Presently, power electronics has become an indispensable tool in wind power plants. Problem. However the associated control usually has an impact on increasing the harmonic distortion, especially on the output voltage. Goal. This paper proposes a new sliding mode control strategy, applied on a rotor-side of a doubly-fed induction generator. The main goal is to meet the electrical power requirements, while responding to the power quality issues. Methodology. The wind energy conversion system must be able to not only track the maximum power point of the wind energy, but also to mitigate the harmonic currents caused by the non-linear loads. To achieve this goal, the power converters are driven by the proposed sliding mode control strategy. The corresponding two gains of the sliding surface are well selected using a particle swarm optimization algorithm. The particle swarm optimization algorithm solves a constrained optimization problem whose fitness function is a prior formulated as the sum of two mean square error criterions. The first criterion presents the tracking dynamic of the reference active power while the second one presents the tracking dynamic of the reference reactive power. The novelty lies in the implementation of the particle swarm optimization algorithm in conventional sliding mode control strategy, in which the proposed-improved sliding mode control strategy is developed. The wind energy conversion system control uses the principal of the vector oriented control to decouple the control of the active power from that of the reactive power. Results. The improved sliding mode control strategy is applied to control separately theses powers in the presence of non-linear loads. The energy assessment of this strategy is analysed using the wind energy conversion system model based on SimPower software. Originality. The obtained simulation results confirm the superiority of the proposed-improved sliding mode control strategy in terms of reference tracking dynamics and suppression of harmonic currents.Вступ. Використання відновлюваних джерел енергії в електричній мережі останніми роками значно зросло. Енергія вітру – один із існуючих ресурсів. Нині силова електроніка стала незамінним інструментом вітряних електростанцій. Проблема. Проте, відповідне управління зазвичай має вплив на збільшення гармонійних спотворень, особливо у вихідній напрузі. Мета. У цій статті пропонується нова стратегія управління ковзним режимом, що застосовується на боці ротора асинхронного генератора з подвійним живленням. Основна мета – задовольнити вимоги до електроенергії, вирішуючи відповідні проблеми з якістю електроенергії. Методологія. Система перетворення енергії вітру повинна мати можливість не тільки відстежувати точку максимальної потужності вітру, але й пом'якшувати гармонійні струми, викликані нелінійними навантаженнями. Для досягнення цієї мети силові перетворювачі керуються запропонованою стратегією управління ковзним режимом. Відповідні два коефіцієнти посилення поверхні ковзання добре вибираються з використанням алгоритму оптимізації рою частинок. Алгоритм оптимізації рою частинок вирішує задачу оптимізації з обмеженнями, функція придатності якої заздалегідь сформульована як сума двох критеріїв середньоквадратичної похибки. Перший критерій репрезентує динаміку відстеження еталонної активної потужності, а другий – динаміку відстеження еталонної реактивної потужності. Новизна полягає в реалізації алгоритму оптимізації рою частинок у традиційній стратегії управління ковзним режимом, в якій розроблена запропонована покращена стратегія управління ковзним режимом. Управління системою перетворення енергії вітру використовує принцип векторно-орієнтованого управління, щоб відокремити управління активною потужністю від управління реактивною потужністю. Результати. Удосконалена стратегія управління ковзним режимом застосовується для роздільного управління цими потужностями за наявності нелінійних навантажень. Енергетична оцінка цієї стратегії аналізується за допомогою моделі системи перетворення енергії вітру на основі програмного забезпечення SimPower. Оригінальність. Отримані результати моделювання підтверджують перевагу запропонованої удосконаленої стратегії управління ковзним режимом з точки зору еталонної динаміки стеження та придушення гармонійних струмів

Performance of direct power controlled grid-connected voltage source converters

PhD ThesisIn this thesis the performance of direct power controlled grid-connected voltage source converters (VSCs) is investigated. Of particular interest is the stability of the controller with the third-order LCL filter employed as the grid filter, effect of grid impedance variations and grid voltage distortion, and current limitation during voltage dips. The control scheme implemented is virtual-flux direct power control with space vector modulation (VF-DPC-SVM). By mathematical modelling and stability analysis, it is found that the closed-loop power control system is stable for all values of proportional gain when the current sensors are on the inverter side of the LCL filter. The inverter current together with the estimated grid virtual-flux is used to estimate the active power and the reactive power. The difference between the estimated reactive power and the reactive power on the grid side is compensated for, using a new reactive power error compensation scheme based on the estimated capacitor current. The control system is found to be robust to changes in grid inductance, and remains stable for a range of grid inductance values, and controller proportional gain. It is demonstrated in simulation and experimentally that the total harmonic distortion (THD) of the current injected by the VSC is less than the limit of 5 %, set by standards, for all different values of grid inductance and proportional gain. This is true even in the presence of significant grid voltage distortion. To control the VSC during voltage dips without damaging the semiconductor devices, a new current limiting algorithm is proposed and implemented. The positive-sequence component of the virtual-flux is used for synchronization and power estimation to achieve balanced, undistorted currents during unsymmetrical voltage dips. Experimental results show that the current achieved during unsymmetrical voltage dips is balanced and has a THD of less than 3 %.Commonwealth Scholarship and Fellowship Plan, Copperbelt Universit

Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados

Determination of protection system requirements for DC UAV electrical power networks for enhanced capability and survivability

A growing number of designs of future Unmanned Aerial Vehicle (UAV) applications utilise dc for the primary power distribution method. Such systems typically employ large numbers of power electronic converters as interfaces for novel loads and generators. The characteristic behaviour of these systems under electrical fault conditions, and in particular their natural response, can produce particularly demanding protection requirements. Whilst a number of protection methods for multi-terminal dc networks have been proposed in literature, these are not universally applicable and will not meet the specific protection challenges associated with the aerospace domain. Through extensive analysis, this paper seeks to determine the operating requirements of protection systems for compact dc networks proposed for future UAV applications, with particular emphasis on dealing with the issues of capacitive discharge in these compact networks. The capability of existing multi-terminal dc network protection methods and technologies are then assessed against these criteria in order to determine their suitability for UAV applications. Recommendations for best protection practice are then proposed and key inhibiting research challenges are discussed