Energy efficiency of a 3-level shunt active power filter powered by a fuel-cell / battery DC bus with regulated duty cycles

Introduction. Nowadays, electrical energy is indispensable in industrial, tertiary and domestic appliances. However, its efficiency is becoming affected by the presence of the disturbances that appear in the electrical networks such as harmonics, unbalance, sags/swells, flickers …etc. Indeed, the disturbances cause a decrease in the power factor and an increase in the power losses. In this paper, the harmonic disturbance is considered and a 3-level shunt active power filter powered by a hybrid fuel-cell/battery DC is applied to mitigate current harmonic components from the electrical feeder. Aim. Studying the energy efficiency of a system based on a 3-level shunt active filter powered by a hybrid fuel-cell / battery DC bus. Methodology. It is a matter of finding the suitable formulas that express the efficiency and the relative power losses according to the load factor (which is the ratio between the short-circuit active power and the load active power) and the load power factor. The DC bus energy is controlled using an energy management algorithm that contributes in generating the required reference input currents and output voltages of the fuel-cell and the battery. The DC/DC converters control circuits are performed in a closed loop by means of regulated duty cycles. Results. The simulation results carried-out under MATLAB/Simulink environment show better filtering quality if compared with the case of open loop control of the DC/DC converters and lesser differences between the fuel-cell power, the battery power and their respective reference powers. Which concerns the energy efficiency, the results demonstrate that higher efficiency and lower relative power losses can be achieved only when higher load factor and load power factor are attained. Therefore, the compensating system of the power factor is very important to improve the energy efficiency.Вступ. У наш час електрична енергія є незамінною для промислових, проміжних і побутових приладів. Однак на її ефективність впливає наявність порушень, що виникають в електричних мережах, таких як гармоніки, дисбаланс, провисання/розбухання, мерехтіння тощо. Дійсно, порушення викликають зменшення коефіцієнта потужності та збільшення втрат потужності. У цій роботі розглянуто гармонічні порушення та застосовано 3-рівневий шунтуючий фільтр активної потужності з живленням від гібридного паливного елемента/акумулятора постійного струму для пом'якшення струмових гармонічних компонентів з електропостачанням від електричного фідера. Мета. Дослідження енергоефективності системи на основі 3-рівневого шунтуючого активного фільтра з живленням від гібридної шини постійного струму з паливним елементом/акумулятором. Методика. Потрібно знайти  відповідні формули, які виражають ефективність та відносні втрати потужності у відповідності до коефіцієнта навантаження (це відношення активної потужності короткого замикання та активної потужності навантаження) та коефіцієнта потужності навантаження. Енергія шини постійного струму контролюється за допомогою алгоритму управління енергією, який сприяє формуванню необхідних опорних вхідних струмів та вихідних напруг паливного елемента й акумулятора. Схеми управління DC/DC перетворювачами виконуються у замкненому контурі за допомогою регульованих робочих циклів. Результати. Результати моделювання, проведеного у середовищі MATLAB/Simulink, показують кращу якість фільтрації у порівнянні з випадком управління з відкритим контуром DC/DC перетворювачів  та менші відмінності між потужністю паливних елементів, потужністю акумулятора та їх відповідною порівняльною потужністю. Що стосується енергоефективності, результати показують, що більший ККД та менші відносні втрати потужності можна досягти лише тоді, коли досягаються більший коефіцієнт навантаження та коефіцієнт потужності навантаження. Тому компенсуюча система коефіцієнта потужності дуже важлива для підвищення енергоефективності

AN INNOVATIVE ALGORITHM FOR A HYBRID FC/BATTERY SYSTEM ENERGY MANAGEMENT

Purpose. This paper targets to manage the energy of a hybrid fuel-cell (FC)/battery power system using an innovative algorithm. The hybrid FC/Battery power system is based on four stacks PEM FCs and a NiMH battery, boost and buck DC choppers for controlling the FC and the battery input currents respectively and a developed algorithm both for managing the power system energies and for delivering the FC and the battery reference output voltages compulsory for the DC/DC converters control circuits. The study is verified by means of computer simulations using MATLAB/Simulink where several cases of the battery SOC and the power demand levels were taken into account. The results demonstrate a good functioning of the proposed hybrid FC/Battery power system managing algorithm.Мета. Стаття спрямована на управління енергією гібридної системи живлення від паливного елемента/акумулятора за допомогою інноваційного алгоритму. Гібридна система живлення паливний елемент/акумулятор заснована на чотирьох батареях паливних елементів з протонообмінними мембранами та NiMH акумуляторі, підсилювачах і послаблювачах постійного струму для управління паливним елементом та вхідними струмами батареї відповідно та розробленому алгоритмі як для управління енергією енергосистеми, так і для подачі на паливний елемент і акумулятор вихідної напруги, обов'язкової для схем управління перетворювачами постійного струму. Дослідження перевірено за допомогою комп’ютерного моделювання з використанням MATLAB/Simulink, де було враховано кілька випадків рівня заряду акумулятора та рівнів споживання енергії. Результати демонструють добре функціонування запропонованого гібридного алгоритму управління системою живлення від паливного елемента/акумулятора

AN ADAPTIVE HARMONIC COMPENSATION STRATEGY FOR THREE-PHASE SHUNT ACTIVE POWER FILTER BASED ON DOUBLE SECOND-ORDER GENERALIZED INTEGRATOR WITH PREFILTER

Abstract. This study presents a straightforward adaptive prefiltering algorithm based on a double second-order generalized integrator with prefilter to solve one of the power quality issues, this algorithm is in charge of the determination of the reference harmonic currents in the control of three-phase shunt active power filter which presents an effective way to enhance the grid current quality. The proposed algorithm is used twice, to extract the harmonic currents produced by the non-linear loads and be an interesting part in the estimation of the frequency and amplitude of the fundamental voltage in various anomalies which can be noticed on the grid voltage. The performance, precision, and robustness of the proposed method are evidenced under balanced, unbalanced, and distorted grid voltage in the simulation and experimental results obtained by the implementation of the shunt active power filter on MATLAB-Simulink environment and the dSPACE 1104 platform respectively.Аннотация. В данной работе представлен простой адаптивный алгоритм предфильтрации, основанный на двойном обобщенном интеграторе с предфильтром второго порядка (DSOGI-WPF) для решения одного из вопросов качества электроэнергии. Данный алгоритм отвечает за определение опорных гармонических токов при контроле трехфазного фильтра шунта активной мощности (SAPF). Предложенный алгоритм используется дважды: для извлечения гармонических токов, создаваемых нелинейными нагрузками, и также является интересной частью оценки частоты и амплитуды основного напряжения при различных аномалиях, которые можно заметить по напряжению сети. Эффективность, точность и надежность предложенного метода подтверждаются при сбалансированном, несбалансированном и искаженном напряжении сети результатами моделирования и экспериментов, полученными при реализации SAPF в среде MATLAB-Simulink и платформе dSPACE 1104, соответственно.

AMELIORATE DIRECT POWER CONTROL OF STANDALONE WIND ENERGY GENERATION SYSTEM BASED ON PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR BY USING FUZZY LOGIC CONTROL

Purpose. Electricity is a basic energy for life and its consumption increased so we need the discovery of new sources of energy such as wind energy .for this ameliorate the quality of generated wind energy by using the intelligent artificial control, this control is made to optimize the performance of three-phase PWM rectifier working. Methodology. These strategies are based on the direct control of the instantaneous power, namely: the control direct power control (DPC) with classic PI regulator and direct power control with fuzzy logic regulator. The fuzzy characterized by its ability to deal with the imprecise, the uncertain has been exploited to construct a fuzzy voltage regulator. The simulation of these methods was implemented using Matlab/Simulink. Results. A comparison with the results obtained by the classic PI showed the improvement in dynamic performance. This makes the fuzzy controller an acceptable choice for systems requiring quick, precise adjustments and less sensitive to outside disturbances. Originality. The proposed this control strategy using for to obtain a performance adjustment of the DC bus voltage and sinusoidal currents on the network side. Practical value. Fuzzy logic is proven to be effective in terms of reducing the harmonic distortion rate of the currents absorbed, correct adjustment of the active and reactive power and DC voltage and unit power factor operation.Мета. Електроенергія є основною енергією для життя, і її споживання збільшується, тому нам необхідно відкриття нових джерел енергії, таких як енергія вітру. Для поліпшення якості енергії вітру, що генерується за допомогою управління на основі штучного інтелекту, таке управління призначене для оптимізації продуктивності роботи трифазного ШІМ випрямляча. Методологія. Дані стратегії засновані на прямому управлінні миттєвою потужністю, а саме: пряме управління потужністю з класичним ПІ-регулятором і пряме управління потужністю регулятором з нечіткою логікою. Нечіткість, що характеризується її здатністю справлятися з неточністю, невизначеністю, була використана для створення нечіткого регулятора напруги. Моделювання цих методів було реалізовано за допомогою Matlab/Simulink. Отримані результати. Порівняння з результатами, отриманими за допомогою класичного ПІ-регулятора, показало поліпшення динамічних характеристик. Це робить нечіткий контролер прийнятним вибором для систем, що вимагають швидкої і точної настройки і менш чутливих до зовнішніх перешкод. Оригінальність. Запропоновано стратегію управління, що використовує для отримання регулювання продуктивності напруги шини постійного струму і синусоїдальні струми на стороні мережі. Практична цінність. Доведено, що нечітка логіка ефективна з точки зору зниження коефіцієнта гармонійних спотворень поглинаються струмів, коректного регулювання активної і реактивної потужності і постійної напруги, а також коефіцієнта потужності роботи блоку.

Power quality enhancement using active power filter five-level cascade H-bridge under unbalanced and distorted grid

Introduction. To improve the power quality of a supply system, the total harmonic distortion (THD) is the most important parameter in the quantification of harmonics caused by nonlinear loads. In practice, it must be less than 5 %. The novelty of the proposed work consists in the use of a cascaded five level active filter, when the converter consisting of six H-bridge pairs, each one includes four transistors. Purpose. To increase the efficiency of this filter, two techniques for quantification of harmonic currents are proposed, first the PQ-theory which is simple but can only be used in case of a balanced grid, and second the synchronous reference frame theory (SFR-theory), which is capable of creating harmonic current not only in an unbalanced grid, but also in an unbalanced and distorted beam. Methods. Using the control techniques, the harmonic current is extracted from load current and considered as a reference. The constructed current should follow this reference. Results. The estimation of the active and reactive powers is based on the measurement of the currents crossing the load and the network voltages, these powers are used to determine the shape of the harmonic (reference) current. Using the PI regulator, the output current of the five-level inverter follows the reference current perfectly. The inverters output current is injected into the grid to eliminate harmonic currents. Practical value. In practice, the harmonic distortion rate THD is the most widely used criterion for criticizing the waveform of the currents and judging the quality of the energy involved. For currents on the source side, the THD is considered acceptable if it is less than 5 %, in our proposal the THD is 0.85 % with the PQ-theory and 2.34 % with SFR-theory, so it is optimal.Вступ. Для поліпшення якості електроенергії у системі електропостачання загальне гармонічне спотворення (ЗГС) є найважливішим параметром кількісної оцінки гармонік, викликаних нелінійними навантаженнями. На практиці вона має бути меншою за 5 %. Новизна запропонованої роботи полягає у використанні каскадного п’ятирівневого активного фільтра, коли перетворювач складається з шести пар Н-мостів, кожна з яких включає чотири транзистора. Мета. Щоб підвищити ефективність цього фільтра, пропонуються два методи кількісного визначення гармонійних струмів: по-перше, PQ-теорія, яка проста, але може використовуватися лише у разі збалансованої сітки, і, по-друге, теорія синхронної системи відліку (теорія SFR). , який здатний створювати гармонійний струм не тільки в несиметричній сітці, а й у несиметричному та спотвореному пучку. Методи. Використовуючи методи управління, гармонійний струм витягується зі струму навантаження і розглядається як опорний. Побудований струм повинен слідувати за цим посиланням. Результати. Оцінка активної та реактивної потужностей заснована на вимірюванні струмів, що проходять через навантаження, та мережевих напруг, за цими потужностями визначається форма гармонійного (опорного) струму. При використанні ПІ-регулятора вихідний струм п’ятирівневого інвертора точно відповідає опорному струму. Вихідний струм інвертора подається до мережі для усунення гармонійних струмів. Практична цінність. Насправді коефіцієнт гармонійних спотворень ЗГС є найбільш широко використовуваним критерієм для критики форми хвилі струмів та оцінки якості задіяної енергії. Для струмів на стороні джерела ЗГС вважається прийнятним, якщо він менше 5 %, за нашою пропозицією ЗГС становить 0,85 % з PQ-теорією і 2,34 % з SFR-теорією, тому він є оптимальним

Power quality enhancement using active power filter five-level cascade H-bridge under unbalanced and distorted grid

Introduction. To improve the power quality of a supply system, the total harmonic distortion (THD) is the most important parameter in the quantification of harmonics caused by nonlinear loads. In practice, it must be less than 5 %. The novelty of the proposed work consists in the use of a cascaded five level active filter, when the converter consisting of six H-bridge pairs, each one includes four transistors. Purpose. To increase the efficiency of this filter, two techniques for quantification of harmonic currents are proposed, first the PQ-theory which is simple but can only be used in case of a balanced grid, and second the synchronous reference frame theory (SFR-theory), which is capable of creating harmonic current not only in an unbalanced grid, but also in an unbalanced and distorted beam. Methods. Using the control techniques, the harmonic current is extracted from load current and considered as a reference. The constructed current should follow this reference. Results. The estimation of the active and reactive powers is based on the measurement of the currents crossing the load and the network voltages, these powers are used to determine the shape of the harmonic (reference) current. Using the PI regulator, the output current of the five-level inverter follows the reference current perfectly. The inverters output current is injected into the grid to eliminate harmonic currents. Practical value. In practice, the harmonic distortion rate THD is the most widely used criterion for criticizing the waveform of the currents and judging the quality of the energy involved. For currents on the source side, the THD is considered acceptable if it is less than 5 %, in our proposal the THD is 0.85 % with the PQ-theory and 2.34 % with SFR-theory, so it is optimal

Field evidence for the upwind velocity shift at the crest of low dunes

Wind topographically forced by hills and sand dunes accelerates on the upwind (stoss) slopes and reduces on the downwind (lee) slopes. This secondary wind regime, however, possesses a subtle effect, reported here for the first time from field measurements of near-surface wind velocity over a low dune: the wind velocity close to the surface reaches its maximum upwind of the crest. Our field-measured data show that this upwind phase shift of velocity with respect to topography is found to be in quantitative agreement with the prediction of hydrodynamical linear analysis for turbulent flows with first order closures. This effect, together with sand transport spatial relaxation, is at the origin of the mechanisms of dune initiation, instability and growth.Comment: 13 pages, 6 figures. Version accepted for publication in Boundary-Layer Meteorolog

A power quality enhanced for the wind turbine with sensorless direct power control under different input voltage conditions

Introduction. The quality of electrical energy is essential during disturbances, at the level of power electronic devices will suffer serious operating problems causing dangerous damage. Aim. A new approach to direct power control without grid voltage sensor improves the quality and control of instantaneous active and reactive power converters. Methodology. First, the technique without network voltage sensor with a direct power control based on a switching table, which is a classic approach, is discussed and its performance is analyzed under increasing and decreasing load. In addition, the performance of the proposed technique is also analyzed under the same circumstances and their performance is compared. Originality. The new method consists of a nonlinear grid voltage modulated controller and a conventional controller which guarantees very good results in a polluted network. The proposed method is verified using MATLAB/Simulink. Results. The simulation results under different input voltage conditions show that the proposed method not only has good tracking performance in active and reactive power, but also reduces the current total harmonic distortion to 1.9 %, which is good lower than the requirement for network operation.Вступ. Якість електроенергії має важливе значення під час збоїв, на рівні силових електронних пристроїв будуть мати місце серйозні проблеми експлуатації, що викликають небезпечні пошкодження. Мета. Новий підхід до прямого керування потужністю без датчика напруги мережі покращує якість та контроль перетворювачів миттєвої активної та реактивної потужності. Методологія. Спочатку обговорюється методика без датчика напруги мережі з прямим керуванням потужністю на основі таблиці перемикання, що є класичним підходом, та аналізується його продуктивність при збільшенні та зменшенні навантаження. Крім того, ефективність запропонованої методики також аналізується за тих же обставин, і їхня продуктивність порівнюється. Оригінальність. Новий метод складається з нелінійного мережевого контролера з модуляцією напруги і звичайного контролера, який гарантує дуже хороші результати в забрудненій мережі. Запропонований метод перевіряється за допомогою MATLAB/Simulink. Результати. Результати моделювання за різних умов вхідної напруги показують, що запропонований метод не тільки має хороші характеристики відстеження активної та реактивної потужності, але також знижує поточний THD до 1,9 %, що значно нижче, ніж вимоги для роботи мережі

Commutation assistée, des machines à courant continu

The paper presents an experiment of DC machine (135 V, 60 A, 8 kW) working without commutating poles. These have the usual function of implementing the commutation of sections as they pass trough the neutral line. It is a question of reversing the section current in front of the brushes. Commutating poles are generally bulky and increase perceptibly heaviness of the machine (of 1/5 about). In the following experiment they are suppressed and commutation is carried out from the outside of the machine owing to an electronic device. Working of this electronic assistance has been described in a previous paper. Here, in this second paper, two different devices are implemented until three quarters of nominal values of the machine ; accurate control of the devices is made easier by means of a computer. Experiment has been implemented without any spark under the brushes, it confirms the feasibility of a new way of commutation for DC machines. These devices do not make yet an industrial way of suppressing commutating poles. On the other hand they lead to an original point of view about commutation phenomena. They set a new process using both the cutting off capability of brushes and the accurate adjustements of power electronics.Nous présentons ici une expérimentation d'une machine à courant continu de puissance 8 kW (135 V, 60 A) fonctionnant sans pôles auxiliaires. Rappelons que ces derniers ont pour fonction habituelle d'assurer la commutation des sections à leur passage sur la ligne neutre. Il s'agit d'inverser le courant dans la section lorsqu'elle passe devant les balais. Les pôles auxiliaires sont en général encombrants et augmentent sensiblement le poids de la machine (de 1/5 environ). Dans l'expérience présentée ici ils sont supprimés et la commutation est réalisée à l'extérieur de la machine grâce à un dispositif électronique appelé $\ll$ d'assistance $\gg$. Dans un précédent article [1] nous avons donné le principe de fonctionnement de cette assistance. Dans ce deuxième article nous présentons les résultats obtenus sur une machine à l'aide de deux dispositifs électroniques différents pilotés par ordinateur. Cette machine a fonctionné, sans génération d'arc, à trois quarts de sa puissance nominale. L'expérience confirme les possibilités de la commutation assistée par électronique. Les dispositifs utilisés ne constituent pas encore une solution industriellement viable en remplacement du pôle auxiliaire. Ils permettent par contre d'appréhender de façon originale les phénomènes de commutation. Il s'agit d'un procédé nouveau, utilisant à la fois le pouvoir de coupure des balais et les possibilités de réglage fin de l'électronique de puissance

Direct torque control for induction motor using intelligent techniques

Abstract In this paper we propose an approach to improve the direct torque control (DTC) of an induction motor (IM). The proposed DTC is based on fuzzy logic technique switching table, is described compared with conventional direct torque control (DTC). To test the fuzzy control strategy a simulation platform using MATLAB/SIMULINK was built which includes induction motor d-q model, inverter model, fuzzy logic switching table and the stator flux and torque estimator. The simulation results verified the new control strategy