8/12/2019 2030117030004

1/7

D i s t r i b u t e d A c t i v e F i l t e r s for HarmonicResonance Suppression in I n d u s t r i a l F a c i l i t i e s

Shen-Yuan Kuo, Tzung-Lin Lee, Chien-An Chen, Po-Tai Cheng, an d Ching-Tsai PanCENTER FOR ADVANCED POWER TECHNOLOGIESDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

NATIONAL TSING HUA UNIVERSITYHSINCHU, TAIWAN.

A b s t r a c t - S i g n i f i c a n t h a r m o n i c s a m p l i f i c a t i o n i n i n d u s t r y f a -c i l i t i e s h a s b e e n r e p o r t e d . T h i s p h e n o m e n o n i s i d e n t i f i e d a sh a r m o n i c r e s o n a n c e b e t w e e n p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n c a p a c i t o rb a n k s a n d s y s t e m i n d u c t o r s . C o n v e n t i o n a l a c t i v e f i l t e r t e c h n i q u e sa i m e d a t h a r m o n i c c u r r e n t c o m p e n s a t i o n a r e n o t e f f e c t i v e u n d e rt h i s r e s o n a n c e s i t u a t i o n . T h i s p a p e r p r o p o s e s a d i s t r i b u t e d a c t i v ef i l t e r d e s i g n f o r h a r m o n i c s d a m p i n g w i t h i n i n d u s t r y f a c i l i t y . I nt h i s s y s t e m , t h e a c t i v e f i l t e r o p e r a t e s a s a h a r m o n i c c o n d u c t a n c ew i t h a d r o o p c h a r a c t e r i s t i c . A d r o o p c o n t r o l b e w t e e n t h e h a r-m o n i c v o l t - a m p e r e r e a c t i v e c o n s u m p t i o n o f t h e a c t i v e f i l t e r a n d i t sh a r m o n i c c o n d u c t a n c e i s d e v e l o p e d t o c o o r d i n a t e t h e o p e r a t i o namong i n d i v i d u a l a c t i v e f i l t e r s , s o t h a t e a c h u n i t c a n s h a r eh a r m o n i c f i l t e r i n g w o r k l o a d i n p r o p o r t i o n t o t h e r a t e d c a p a c i t yw i t h o u t a n y c o m m u n i c a t i o n s . S i m u l a t i o n r e s u l t s o f a t y p i c a li n d u s t r y f a c i l i t y i s i m p l e m e n t e d i n t h i s p a p e r , a n d h a r m o n i cf i l t e r i n g p e r f o r m a n c e s d i s c u s s e d i n d e t a i l . L a b o r a t o r y p r o t o t y p ei s c o n d u c t e d t o v a l i d t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d a p p r o a c h .

I n d e x Terms- a c t i v e f i l t e r , h a r m o n i c r e s o n a n c e , p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n .I . INTRODUCTION

W i t h t h e a d v a n c e o f p o w e r s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g i e s ,p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s a r e i n c r e a s i n g l y u s e d i n i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s , s u c h a s a d j u s t a b l e s p e e d d r i v e s a n d u n i n t e r r u p t -a b l e p o w e r s u p p l i e s . M o s t a p p l i c a t i o n s u s e d i o d e o r t h y r i s t o rr e c t i f i e r s t o c o n v e r t AC t o D C . H o w e v e r , t h e s e r e c t i f i e r sd r a w d i s t o r t e d c u r r e n t f r o m t h e u t i l i t y , a n d t h e p o w e r q u a l i t yd e g r a d e s .C o n v e n t i o n a l l y , c a p a c i t o r b a n k s a r e r e q u i r e d t o i m p r o v e t h ep o w e r f a c t o r i n l a r g e i n d u s t r y f a c i l i t i e s . W i t h t h e a d d i t i o n o fn o n l i n e a r l o a d s , h a r m o n i c r e s o n a n c e d u e t o s y s t e m i n d u c t o r s( p o w e r l i n e i n d u c t o r a n d t r a n s f o r m e r l e a k a g e i n d u c t o r ) a n dp o w e r f a c t o r c a p a c i t o r b a n k s may c a u s e a m p l i f i c a t i o n o f h a r -m o n i c c u r r e n t f r o m n o n - l i n e a r l o a d s i f r e s o n a n t f r e q u e n c y i sn e a r t h e d o m i n a n t h a r m o n i c f r e q u e n c i e s [ l ] , [ 2 ] , [ 3 ] . R e p l a c i n gc a p a c i t o r b a n k s w i t h t u n e d p a s s i v e f i l t e r i s a s i m p l e s t a p p r o a c ht o a d d r e s s t h i s c o n c e r n w h i l e p r o v i d i n g v a r s u p p o r t . F o r e x a m -p l e , a f i l t e r b a n k , w h i c h c o m p o s e s o f many o f t h e p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n c a p a c i t o r s a n d a s e r i e s r e a c t o r , i s t u n e d t o l o w e rf r e q u e n c y t h a n d o m i n a n t r e s o n a n t f r e q u e n c y t o r e d u c e t h ea m p l i f i c a t i o n o f h a r m o n i c s [ l ] , [ 4 ] , [ 5 ] . H o w e v e r , t h i s m e t h o d

T h i s r e s e a r c h i s f u n d e d b y t h e N a t i o n a l S ci en ce C o un c i l o f T a i w a n u n d e rg r a n t NSC 9 4 - 2 2 1 8 - E - 0 0 7 - 0 5 3 a n d g r a n t NSC 9 5 - 2 2 1 8 - E - 0 0 7 - 0 2 2 .

l a c k s f l e x i b i l i t y , u s u a l l y o c c u p i e s l o t s o f s p a c e s , r e q u i r e s e x t r ae n g i n e e r i n g w o r k t o c a l i b r a t e f i l t e r i n g p e r f o r m a n c e s d u e t op a r a m e t e r v a r i a t i o n . A k a g i e t . a l p r o p o s e a h y b r i d a c t i v e f i l t e rt o s u p p r e s s t h e h a r m o n i c r e s o n a n c e b e t w e e n t h e u t i l i t y a n dp a s s i v e f i l t e r [ 6 ] . B h a t t a c h a r y a e t . a l p r o p o s e a s e r i e s a c t i v ef i l t e r t o i s o l a t e t h e h a r m o n i c r e s o n a n c e b e t w e e n p o w e r s o u r c ea n d h a r m o n i c s o u r c e [ 7 ] . Due t o t h e c o n f i g u r a t i o n o f t h e h y b r i da c t i v e f i l t e r a n d s e r i e s a c t i v e f i l t e r , t h e y a r e n o t s u i t a b l e f o r t h ea p p l i c a t i o n o f d i s t r i b u t e d i n s t a l l a t i o n a c t i v e f i l t e r s . I n c a s e o fh i g h p o w e r n o n l i n e a r l o a d s , a l a r g e a c t i v e f i l t e r i s r e q u i r e d b u ti t s h i g h b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t w i l l come a t a v e r y h i g h c o s t .T h i s p a p e r p r o p o s e s m u l t i p l e s m a l l - s i z e d v o l t a g e d e t e c t i o na c t i v e f i l t e r s t o s u p p r e s s t h e h a r m o n i c v o l t a g e i n i n d u s t r i a l f a -c i l i t i e s . T h e i n s t a l l a t i o n c a n b e r e f e r r e d t o f i g u r e 1 . E a c h i n d i -v i d u a l a c t i v e f i l t e r u n i t ( A F U ) i n t h e s y s t e m o p e r a t e s a s a h a r -m o n i c c o n d u c t a n c e w i th d r o o p c h a r a c t e r i s t i c f o r h a r m o n i c s [ 8 ] .A d r o o p r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e h a r m o n i c c o n d u c t a n c e c o m -mand a n d v o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n i s i m p l e m e n t e d i n t o t h ed r o o p c o n t r o l l e r o f e a c h AFU. T h e r e f o r e , e a c h s m a l l - s i z e dAFUs w i t h h i g h s wi tc h in g f r e q u e n c y c a n d e l i v e r h a r m o n i cd a m p i n g c a p a b i l i t y , a n d s h a r e t h e f i l t e r i n g w o r k l o a d i n a t r u l yd i s t r i b u t e d f a s h i o n w i t h o u t a n y c o m m u n i c a t i o n s . T h i s i s as i g n i f i c a n t a d v a n t a g e , i n t e r m s o f f i l t e r i n g p e r f o r m a n c e a n dc o s t - e f f e c t i v e n e s s , c o m p a r e d t o a s i n g l e i n s t a l l a t i o n o f a h i g hp o w e r a c t i v e f i l e r . T h e o p e r a t i o n p r i n c i p l e i s e x p l a i n e d i nt h i s p a p e r . T e s t r e s u l t s b a s e d on c o m p u t e r s i m u l a t i o n s a n dp r o t o t y p e e x p e r i m e n t s v a l i d a t e t h e p r o p o s e d a p p r o a c h .

- - - - - - u t i l i t y s y s t e mi n d u s t r i a l u s e r

c a p a c i t o r bank K fp r o p o s e d n o n - l i n e a r l o a d

a c t i v e f i l t e rF i g . 1 . T y p i c a l i n d u s t r i a l u s e r .

1 - 4 2 4 4 - 0 8 4 4 - X / 0 7 / 2 0 . 0 0 2 0 0 7 I E E E . 3 9 1

8/12/2019 2030117030004

2/7

F i g . 2 . T h e p r o p o s e d c o n t r o l l e r f o r d i s t r i b u t e d A F U s .

I I . PRINCIPLES OF OPERATIONT h e c o n t r o l b l o c k d i a g r a m o f t h e p r o p o s e d d i s t r i b u t e d AFUsi s s h o w n i n f i g u r e 2 . M u l t i p l e AFUs a r e i n s t a l l e d i n t h es a m e l o c a t i o n o r v a r i o u s l o c a t i o n s i n a n i n d u s t r i a l f a c i l i t y .T h e c o n t r o l o f e a c h AFU c o n s i s t s o f t h e d r o o p c o n t r o l l e r a n dt h e v o l t a g e c o n t r o l l e r . T h e d r o o p c o n t r o l l e r i s t o o b t a i n t h eh a r m o n i c c o n d u c t a n c e command o f t h e AFU a c c o r d i n g t o t h ev ol t - a m p e r e c o n s um p t i o n . T h e v o l t a g e c o n t r o l l e r e x t r a c t s t h eh a r m o n i c v o l t a g e c o m p o n e n t , d e t e r m i n e s c u r r e n t commando f t h e AFU, a n d t h e n o p e r a t e s t h e i n v e r t e r f o l l o w i n g t h o s e

c o m m a n d s t o s u p p r e s s v o l t a g e h a r m o n i c s . I n t h e f o l l o w i n g ,t h e s e t w o c o n t r o l l e r s a r e e x p l a i n e d i n d e t a i l .A . T h e d r o o p c o n t r o l l e r

A s s u m e t w o AFUs a r e i n s t a l l e d a t t h e s a m e o r d i f f e r e n tp o i n t s . I n o r d e r t o s h a r e t h e h a r m o n i c f i l t e r i n g w o r k l o a damong t h e t w o A F U s , a d r o o p r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h ec o n d u c t a n c e command a n d t h e v o l t - a m p e r e o f a n AFU i sp r o g r a m m e d i n t o t h e c o n t r o l l e r :G = G o + b ( S - S O ) ( 1 )

w h e r e G i s c o n d u c t a n c e c o m m a n d , G o i s i n i t i a l c o n d u c t a n c ec o m m a n d s , S o i s v o l t - a m p e r e r a t i n g . W i t h d r o o p c o n t r o lm e t h o d a n d p r o p e r p a r a m e t e r b , t h e v o l t - a m p e r e o f e a c h AFUc a n b e p r o p o r t i o n a l t o i t s v o l t - a m p e r e r a t i n g e v e n a t d i f f e r e n to p e r a t i o n p o i n t s . T h i s c a n b e i l l u s t r a t e d a s f o l l o w i n g e q u a t i o na n d i n f i g u r e 3 .T o o b t a i n t h e v o l t - a m p e r e S o f a n AFU, t h e RMS v a l u e so f v o l t a g e a n d c u r r e n t a r e c a l c u l a t e d :VRMS fLT dt ( 2 )

fI=T t( ( t )tRMS T d ( 3 )

G , o - = G : y( XG y6 w rS x o S y os x S y

S

F i g . 3 . O p e r a t i o n c ur ve o f d r o o p c o n t r o l l e r .

w h e r e v i s t h e f u n d a m e n t a l p a r t o f t h e l i n e v o l t a g e s v , a n d Xi s t h e h a r m o n i c p a r t o f t h e AFU c u r r e n t i . T h e n S i s o b t a i n e df o r b a l a n c e d s y s t e m .S Va,RMS i a , R M S + Vb,RMS b,RMS + Vc,RMS ' t c , R M S ( 4 )B . T h e v o l t a g e c o n t r o l l e r

T h e t h r e e - p h a s e l i n e v o l t a g e s V a , V b a n d v c a r e m e a s u r e da n d t r a n s f o r m e d i n t o v ' a n d v ' i n t h e s y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef r a m e . T h e f u n d a m e n t a l p a r t s , v q a n d v ' , a r e e x t r a c t e d b y l o w -p a s s f i l t e r s . T h e r i p p l e s o f v q a n d v M , w h i c h r e p r e s e n t t h e l i n ev o l t a g e h a r m o n i c s , a r e o b t a i n e d b y t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e nv e v e a n d v e , M . T h e v o l t a g e h a r m o n i c s v q a n d v M a r e t h e nq ' q d ' d V q dm u l t i p l i e d b y t h e c o n d u c t a n c e command t o g e n e r a t e c u r r e n tc o m m a n d s i 6 * a n d i d o f t h e AFU:

i q * =G e qi e v M

( 5 )( 6 )

T h e s y n c h r o n o u s r e f e r e n c e f r a m e c u r r e n t c o m m a n d s a r et r a n s f o r m e d b a c k t o t h r e e - p h a s e c u r r e n t c o m m a n d s t a S t ba n d i * . B a s e d o n t h e c u r r e n t c o m m a n d s i * , j * , a n d i * , a n dt h e m e a s u r e d c u r r e n t s i a , i b , a n d i c , t h e c u r r e n t r e g u l a t o rc a l c u l a t e s t h e v o l t a g e c o m m a n d s v a , v b * , a n d v * a s g i v e n :

V vV-KAF(i - i ) ( 7 )

3 9 2

8/12/2019 2030117030004

3/7

w h e r e t h e g a i n KAF c a n b e o b t a i n e d a s f o l l o w s :LAFKAF AT ( 8 )

w h e r e LAF i s t h e a c i n d u c t o r o f t h e i n v e r t e r , a n d AT i s t h es a m p l i n g p e r io d o f t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r .I I I . SIMULATION RESULTS

I n t h i s s e c t i o n , t i m e d o m a i n s i m u l a t i o n s o f t h e p r o p o s e dd i s t r i b u t e d AFUs a r e p e r f o r m e d t o d e m o n s t r a t e t h e i r h a r m o n i cf i l t e r p e r f o r m a n c e s a n d v o l t- a m p e r e b a l a n ci n g c h a r a c t e r i s t i c s .I n a d d i t i o n , a f r e q u e n c y s c a n s h o w s ho w AFUs a f f e c t t h ee q u i v a l e n t i m p e d a n c e a c r o s s t h e s p e c t r u m , a n d i l l u s t r a t e sAFUs h a r m o n i c d a m p i n g c a p a b i l i t y .F i g u r e 4 s h o w s a n e q u i v a l e n t c i r c u i t m o d e l i n a t y p i c a li n d u s t r y f a c i l i t y . T h e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n b a n k s CCB a r ei n t e n d e d f o r c o m p e n s a t i n g t h e r e a c t i v e p o w e r o f i n d u c t i v el i n e a r l o a d , b u t h a r m o n i c r e s o n a n c e d u e t o s o u r c e i n d u c t o r L So cc u r s n e a r t h e s e v e n t h h a r m o n i c f r e q u e n c y . T h i s s c e n a r i o i sd i s c u s s e d i n [ 9 ] . T h e p a r a m e t e r s i n t h e s i m u l a t i o n a r e g i v e na s f o l l o w s ,* P o w e r s y s t e m : 480V ( l i n e - t o - l i n e ) , 6 0 H z , 1 5 0 0 k V A .L S = 2 . 3 6 , u F ( 5 . 7 5 ) .* L i n e a r l o a d : 9 9 4 . 2 7 k V A ( 6 6 . 2 8 % ) , P F = 0 . 9 .* N o n - l i n e a r l o a d : A d i o d e r e c t i f i e r w i t h lmH o f i n d u c t o ra n d l o a d r e s i s t o r i n i t i a l l y r a t e d a t 5 0 0 k V A ( 3 3 . 3 3 % ) i si n s t a l l e d .* AFU: Two AFUs a r e i n s t a l l e d . C d , = 5 0 0 0 , F , LAF =0 . 1 m H . T h e f r e q u e n c y o f PWM o p e r a t i o n i s f p w m =2 0 k H z .* C a p a c i t o r b a n k : CCB 500kVAR ( 3 3 . 3 3 ) . T h e d r o o pp a r a m e t e r s a r e G , o = G y o = O Q - 1 , b , = b y = 0 . 0 0 5 V - 2 ,a n d S , o = S y o = 90kVA ( 6 ) .

A . F r e q u e n c y d o m a i n A n a l y s i sT o a n a l y z e A F U ' s h a r m o n i c f i l t e r i n g c a p a b i l i t y , a s i m p l i f i e de q u i v a l e n t c i r c u i t a t t h e h a r m o n i c f r e q u e n c i e s i s e s t a b l i s h e d .T h e l i n e a r l o a d i s e x c l u d e d , a n d t h e n o n l i n e a r l o a d i s r e p r e -s e n t e d b y a h a r m o n i c c u r r e n t s o u r c e . T h e t r a n s f e r f u n c t i o n o ft h e h i g h p a s s f i l t e r i n f i g u r e 2 c a n b e e x p r e s s e d a s

T H P F S-JWs JW Wc ( 9 )

T h e e q u i v a l e n t i m p e d a n c e Z t h s e e n b y t h e h a r m o n i c c u r r e n ts o u r c e c o n n e c t e d a t t h e P CC c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s :Z t h = pc V P 0 1 G 1 ( 1 3 )' h I S + I A F + I C B + G t o t a l + ZZs Z ~ C B

F i g u r e 6 ( a ) s h o w s t h e i m p e d a n c e s s e e n a t t h e PCC b yt h e n o n - l i n e a r l o a d . S i n c e t h e d o m i n a n t h a r m o n i c f r e q u e n c i e sa r e t h e 5 t h a n d 7 t h , a t t e n t i o n i s p a i d t o t h e f r e q u e n c y r a n g eb e t w e e n 5 0 Hz a n d 5 0 0 H z . F o r G = 0 , t h e e q u i v a l e n ti m p e d a n c e o f p r o p o s e d c i r c u i t s e e n f r o m n o n - l i n e a r l o a d i se x t r e m e l y h i g h a r o u n d t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y . A s G g o e s u p ,t h e e q u i v a l e n t i m p e d a n c e n e a r t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y r e d u c e sm o r e , a n d t h e v o l t a g e h a r m o n i c s a t P CC c a n b e r e d u c e d .F i g u r e 6 ( b ) i l l u s t r a t e s t h e f r e q u e n c y s c a n o f r a t i o 1 s l hi n f i g u r e 5 ( b ) . F o r G = 0 , t h e s o u r c e c u r r e n t i s s e v e r e l ya m p l i f i e d , e . g . I s i s 1 0 t i m e s t h e m a g n i t u d e o f I h a t t h e 7 t hh a r m o n i c . A s G g o e s u p , t h e AFUs c a n a b s or b m o r e h a r m o n i cc u r r e n t s , t h e r e f o r e t h e h a r m o n i c s o f I s r e d u c e s a n d s o d o e si t s THD.9 9 4 . 2 7 k V A

V d c x

V d c y

F i g . 4 . C i r c u i t c o n f i g u r a t i o n i n s e c t i o n I I I .w h e r e w i s t h e f u n d a m e n t a l a n g u l a r f r e q u e n c y a n d w o i s t h ec u t - o f f a n g u l a r f r e q u e n c y o f t h e H P F . T h e e f f e c t o f t h e t i m ed e l a y i n d i g i t a l c o n t r o l l e r i s r e p r e s e n t e d a s e - S T . T h e t r a n s f e rf u n c t i o n o f a c e r t a i n A F U i i s g i v e n b y :

sS Js W+Wbc G i e-ST

F i g u r e 5 ( a ) s h o w s a s i n g l e - p h a s e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f f i g u r e 4a t h a r m o n i c f r e q u e n c i e s . Two i d e n t i c a l AFUs a r e a s s u m e d , s oe q u i v a l e n t AFU t r a n s f e r f u n c t i o n i s s h o w n a s f o l l o w s ,T = T 1 + T 2 S J Ws- J +Wc * (Gi + G 2 ) . e sT

F i g u r e 5 ( a ) c a n b e r e f r a m e d a s f i g u r e 5 ( b ) , w h e r eG t o t a l = G l + G 2

B . T i m e d o m a i n s i m u l a t i o n sT h e c i r c u i t i n f i g u r e 4 i s i m p l e m e n t e d i n ATP-EMTP p l a t -f o r m . T h e o p e r a t i o n s o f AFUs a n d t h e i r f i l t e r i n g p e r f o r m a n c e

a r e e x p l a i n e d i n d e t a i l .1 ) B e f o r e AFUs a r e i n o p e r a t i o n : B e f o r e t = 0 . 3 s , AFUs

a r e n o t e n g a g e d T h e l i n e v o l t a g e s a r e s e v e r e l y d i s t o r t e da s s h o w n i n f i g u r e 7 ( a ) , t h e THD r e a c h 1 4 . 2 5 % a s g i v e ni n T a b l e I I . T h e s o u r c e c u r r e n t a l s o c o n t a i n s s i g n i f i c a n th a r m o n i c s a s i n f i g u r e 8 ( a ) w i t h THD o f 3 6 . 2 6 9 % i nT a b l e I I I . T h e v o l t a g e THD a t t h e PCC i s s e v e r e d u e t oh a r m o n i c a m p l i f i c a t i o n .2 ) AFUs w i t h t h e d r o o p c o n t r o l a r e i n o p e r a t i o n : B o t hd r o o p - c o n t r o l l e d AFUs a r e e n g a g e d a t t = 0 . 3 s . T h e

3 9 3

8/12/2019 2030117030004

4/7

B o d e D i a g r a m1 0

k G=oG=5< v G=10

1 0 C G = 1 i 5G=20

0o< , 1 0a). 2 E

( a ) S i n g l e - p h a s e e q u i v a l e n t c i r c u i t w i t h r e s p e c t t oh a r m o n i c s .Z s V P c c I s I C B

I

( b ) S i m p l i f i e d c i r c u i t f o r h a r m o n i c a n a l y s i s .F i g . 5 . S i n g l e p h a s e a n a l y s i s .

s t e a d y s t a t e c o n d u c t a n c e command o f e a c h AFUr e a c h e sa p p r o x i m a t e l y 2 2 Q - 1 . R e f e r t o f i g u r e 9 , t h e s t e a d y s t a t ev o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n o f e a c h AFU i s a b o u t 8 5 . 6 k V A( 5 . 7 1 % ) . T h e v o l t a g e w a v e f o r m a n d i t s h a r m o n i c s i nf r o n t o f t h e d i o d e r e c t i f i e r ar e s h o w n i n f i g u r e 7 ( b ) a n dt a b l e I r e s p e c t i v e l y . T h e o u t p u t c u r r e n t o f an i n d i v i d u a lAFU i s d i s p l a y e d i n f i g u r e 1 0 . I t c an b e o b s e r v e d t h a t t h eAFUs c an damp h a r m o n i c resonance a n d v o l t a g e THDi s s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d f r o m 1 4 . 2 5 % t o 1 . 6 7 4 8 % . T h esource c u r r e n t THD d r o p s t o 4 . 1 9 8 8 % as i n t a b l e III.3 ) S t e p i n c r e a s e o f t h e n o n - l i n e a r l o a d : T h e l o a d i n g d i o d er e c t i f i e r r i s e s f r o m 500kVA t o 75OkVA a t t = 0 . 6 s .T h e s t e a d y s t a t e c o n d u c t a n c e command o f e a c h AFUb e c o m e s a b o u t 8 . 5 Q - 1 . As i n f i g u r e 9 , t h e s t e a d y s t a t ev o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n o f e a c h AFU i s a b o u t 8 8 . 3 k V A( 5 . 8 9 % ) , w h i c h i s c l o s e r t o t h e maximum s e t t i n g o fv o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n . The v o l t a g e s i n f i g u r e 7 ( c )b e c o m e s s l i g h t l y more d i s t o r t e d w i t h THD o f 4 . 7 7 8 8 %as g i v e n i n t a b l e I I . Due t o t h e l o a d i n c r e a s e o f t h e d i o d er e c t i f i e r , AFUs a b s o r b more h a r m o n i c VAR, a n d t h e i rd r o o p c o n t r o l l e r s r e d u c e t h e h a r m o n i c c o n d u c t a n c e com-m a n d . T h e source c u r r e n t THD a l s o r i s e s t o 1 0 . 8 4 8 % asg i v e n i n t a b l e III.

I V . LABORATORY TEST RESULTST h e t e s t b e n c h i n f i g u r e 11 i s c o n s t r u c t e d t o v e r i f y t h ep e r f o r m a n c e o f p r o p o s e d d i s t r i b u t e d AFUs. The l i n e a r l o a di s e x c l u d e d t o d e m o n s t r a t e t h e w o r s t s i t u a t i o n , i e . w i t h o u t

an y l i n e a r l o a d as a f o r m o f d a m p i n g . The c i r c u i t p a r a m e t e r sar e g i v e n as L S 0 . 4 m H , CCB = 3 0 0 , u F , Rd 9 3 . 3 Q ,LAF1 LAF2 5mH, and C d , j = C d , 2 2 8 0 0 , u F . T heu t i l i t y g r i d v o l t a g e c on t a i n s 5 t h h a r m o n i c v o l t a g e o f 2 . 5 % . A

1 0

5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0F r e q u e n c y ( H z )

( a ) E q u i v a l e n t i m p e d a n c e Z t hZ C B1 0 2 E B o d e D i a g r a m

t G=OG=5G = 1 0

3-DG= 15G=20

1 0

1 0

5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0F r e q u e n c y ( H z )

( b ) I s / I hF i g . 6 . F r e q u e n c y scan.

t r a n s f o r m e r r a t e d a t 5kVA w i t h t u r n s - r a t i o o f 1 : 1 s i t s b e t w e e nt h e g r i d a n d t h e l o a d . Two p r o t o t y p e AFUs ar e i m p l e m e n t e db y c o n v e n t i o n a l v o l t a g e source i n v e r t e r s s w i t c h i n g a t 2 0 k H z .The d r o o p s e t t i n g s o f b o t h i n v e r t e r s ar e Go = OQ-1, b 1 = b 2= 0 . 0 0 5 V - 2 , S 1 0 = S 2 0 = 4 0 0 V A .A . Damping P e r f o r m a n c e

F i g u r e 1 2 ( a ) s h o w s b o t h source c u r r e n t w a v e f o r m a n dv o l t a g e w a v e f o r m a t t h e P CC b e f o r e AFUs ar e i n o p e r a t i o n .T h e source v o l t a g e i s h i g h l y d i s t o r t e d w i t h THD o f 7 . 8 7 %as i n t a b l e I V . Due t o h a r m o n i c c u r r e n t f r o m t h e d i o d er e c t i f i e r a n d h a r m o n i c a m p l i f i c a t i o n f r o m t h e u t i l i t y , t h e sourcec u r r e n t THD i s very severe a t 4 8 . 1 5 4 4 % . When AFU1 i se n g a g e d , t h e power q u a l i t y i s i m p r o v e d . T a b l e IV s h o w s t h a tt h e v o l t a g e THD d r o p s t o 3 . 2 9 1 7 % a n d t h e c u r r e n t THD d r o p st o 2 1 . 9 6 9 5 % . S u c h i m p r o v e m e n t c an b e seen i n f i g u r e 1 2 ( b ) .Once b o t h AFU1 a n d AFU2 ar e e n g a g e d , t h e power q u a l i t yi s i m p r o v e d even f u r t h e r . T h e v o l t a g e THD d r o p s t o 2 . 8 3 9 6 % ,a n d t h e c u r r e n t THD d r o p s t o 1 3 . 2 1 9 1 % as i l l u s t r a t e d i n

39 4

.L I

G t o t a i ( s ) I A F . D - l h

8/12/2019 2030117030004

5/7

TABLE I5 TH A ND 7T H VOLTAGE RMS

B e f o r e o p e r a t i o n1 4 5 63 5 . 7 3AFUs w i t h t h e d r o o p c o n t r o l I n c r e a s e o f t h e n o n - l i n e a r l o a d3 . 3 0 9 9 . 9 3 52 . 1 0 7 7 . 1

TABLE I IVOLTAGE THD AT THE P CC

B e f o r e o p e r a t i o n1 4 . 2 5 AFUs w i t h t h e d r o o p c o n t r o l I n c r e a s e o f t h e n o n - l i n e a r l o a d1 . 6 7 4 8 4 . 7 7 8 8TABLE I I I

SOURCE CURRENT THDB e f o r e o p e r a t i o n

THD ( % ) 3 6 . 2 6 9

( a ) B e f o r e o p e r a t i o n .

AFUs w i t h t h e d r o o p c o n t r o l I n c r e a s e o f t h e n o n - l i n e a r l o a d4 . 1 9 8 8 1 0 . 8 4 8 3000[ A ]1 5 0 0 -0 -

- 1 5 0 0 -- 3 0 0 00 . 2 0 0 . 2 2 0 . 2 4 0 . 2 6 0 . 2 8 [ s ] 0 . 3 0

( a ) B e f o r e o p e r a t i o n .3 0 0 0[ A ]1 5 0 0 -

0 -- 1 5 0 0 -

0 . 5 0( b ) D u r i n g AFUs w i t h t h e d r o o p c o n t r o l .

0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 5 6 0 . 5 8 [s ] 0 . 6 0

( b ) D u r i n g AFUs w i t h t h e d r o o p c o n t r o l .

( c ) A f t e r i n c r e a s e o f t h e n o n - l i n e a r l o a d .F i g . 7 . V o l t a g e w a v e f o r m s a t t h e PCC.

f i g u r e 1 2 ( c ) . F i g u r e 1 3 s h o w s t h e o u t p u t c u r r e n t a n d i t scommand o f AFU1. The PWM c u r r e n t r e g u l a t o r o f t h e AFUc an a c c u r a t e l y t r a c k t h e c u r r e n t command t o a c c o m p l i s h t h ed e s i r e d f i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s .

T A B L E I VLABORATORY TEST RESULTS

( c ) A f t e r i n c r e a s e o f t h e n o n - l i n e a r l o a dF i g . 8 . S o u r c e c u r r e n t w a v e f o r m s .

1 0 39 0 -8 0 -7 0 -6 00 . 0 0 0 . 1 5 0 . 3 0 0 . 4 5 0 . 6 0 0 . 7 5 [ s ] 0 . 9 0

V o l t a g e THD ( % )C u r r e n t THD ( % )B e f o r e o p e r a t i o n7 . 8 6 8 94 8 . 1 5 4 4

1 AFU 2 AFUs3 . 2 9 1 7 2 . 8 3 9 62 1 . 9 6 9 5 1 3 . 2 1 9 1F i g . 9 . V o l t a g e -a m p e r e c o n s u m p ti o n .

F i g u r e 1 4 ( a ) s h o w s t h e v o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n a n d con-d u c t a n c e command o f AFUs. The o p e r a t i o n i s e x p l a i n e d asf o l l o w s ,t < T o : B o t h AFUs ar e n o t o p e r a t i o n a l .T o < t < T 1 : At t = T o , AFU1 i s s t a r t e d .t > T 1 : A t t = T 1 , AFU2 i s e n g a g e d .

F i g u r e 1 4 ( a ) i n d i c a t e s t h a t t h e d r o o p c h a r a c t e r i s t i c s c an

b u u u[ A ]2 5 0 -0 -

- 2 5 0 00 . 5 0 0 . 5 2 0 . 5 4 0 . 5 6 0 . 5 8 [ S I 06 0

F i g . 1 0 . O u t p u t c u r r e n t o f i n d i v i d u a l AFU.

39 5

5 t h v o l t a g e ( V )7 t h v o l t a g e ( V )

THD ( % )

8/12/2019 2030117030004

6/7

1 : 15

Q

1 A F 2

F i g . 1 1 . T e s t b e n c h .

b a l a n c e v o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n o f b o t h A F U s . A f t e r b o t hAFUs r e a c h s t e a d y s t a t e , t h e v o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n S i a n dS 2 a r e a l m o s t e q u a l d u e t o t h e d r o o p c o n t r o l . T h e s t a r t i n gt r a n s i e n t o f AFU1 i s g i v e n i n f i g u r e 1 4 ( b ) .

V . CONCLUSIONSM u l t i p l e i n s t a l l a t i o n o f s m a l l - s i z e d v o l t a g e d e t e c t i o n a c t i v ef i l t e r s i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r . AFUs o p e r a t i n g a s a h a r m o n i cc o n d u c t a n c e c a n s u p p r e s s t h e h a r m o n i c r e s o n a n c e r e s u l t i n gf r o m t h e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n c a p a c i t o r a n d t h e s y s t e mi n d u c t a n c e . T h e d r o o p r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e h a r m o n i c c o n -d u c t a n c e command a n d v o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n i s d e v e l o p e d

t o a c c o m p l i s h d e - c e n t r a l i z e d o p e r a t i o n a n d e v e n - s h a r i n g o f t h eh a r m o n i c s v o l t - a m p e r e c o n s u m p t i o n among A F U s .C o m p u t e r s i m u l a t i o n s a n d l a b o r a t o r y t e s t r e s u l t s v a l i d a t et h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d v o l t a g e d e t e c t i o n a c t i v e f i l t e rs y s t e m s . T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e v o l t a g e h a r m o n i c s c a nb e s u p p r e s s e d e f f e c t i v e l y , e v e n u n d e r t h e w o r s t s c e n a r i o o fs t r o n g h a r m o n i c e x c i t a t i o n f r o m s o u r c e a n d l o a d a n d w i t h o u ta n y d a m p i n g f r o m l i n e a r l o a d s . T h e d r o o p c o n t r o l e f f e c t i v e l yd i s t r i b u t e t h e h a r m o n i c f i l t e r i n g w o r k l o a d e v e n l y among AFUsa s i l l u s t r a t e d b y t h e t e s t r e s u l t s . B a s e d o n t h e p r o p o s e da p p r o a c h , v a r i o u s s m a l l - s i z e d a c t i v e f i l t e r s c a n o p e r a t e i n am o r e f l e x i b l e a n d e co n o mi ca l manner t h a n a s i n g l e b u l k ya c t i v e f i l t e r t o r e d u c e t h e h a r m o n i c d i s t o r t i o n i n i n d u s t r i a lf a c i l i t i e s .

REFERENCES[ 1 ] R . H . S i m p s o n , M i s a p p l i c a t i o n o f p o w e r c a p a c i t o r s i n d i s t r i b u t i o ns y s t e m s w i t h n o n l i n e a r l o a d s x t h r e e c a s e h i s t o r i e s , IEEE T r a n s a c t i o n so n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , v o l . 4 1 , n o . 1 , p p . 1 3 4 - 1 4 3 , 2 0 0 5 .[ 2 ] E . J . C u r r e n c e , J . E . P l i z g a , a n d H . N . N e l s o n , H a r m o n i c r e s o n a n c ea t a m e d i u m - s i z e d i n d u s t r i a l p l a n t , IEEE T r a n s a c t i o n s on I n d u s t r yA p p l i c a t i o n s , v o l . 3 1 , n o . 4 , p p . 6 8 2 - 6 9 0 , 1 9 9 5 .[ 3 ] C . P o n g s n w a t a n d S . P r e m r u d e e p r e e c h a c h a r n , H a r m o n i c r e s o n a n c e a s -s e s s m e n t i n l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n s y s t e m , i n I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo n P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y , v o l . 1 , 2 0 0 4 , p p . 2 6 4 - 2 6 9 .[ 4 ] G . L e m i e u x , P o w e r s y s t e m h a r m o n i c r e s o n a n c e - a d o c u m e n t e d c a s e ,IEEE T r a n s ac ti on s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , v o l . 2 6 , n o . 3 , p p . 4 8 3 - 4 8 8 ,

1 9 9 0 .[ 5 ] R . L . A l m o n t e a n d A . W . A s h l e y , H a r m o n i c s a t t h e u t i l i t y i n d u s t r i a li n t e r f a c e : A r e a l w o r l d e x a m p l e , IEEE T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i -c a t i o n s , v o l . 3 1 , n o . 6 , p p . 1 4 1 9 - 1 4 2 6 , 1 9 9 5 .

[ h l

. .. ..

. . . .

.. I . . . . . . . . .... .... ..I.... I.... I. .., , . . .

. h 32 . 0 .IM . 40 M.00 A l . 3 J ' 1 2.n l I AF i s e n a g d

20.OA I C h 4 I 400V 01 50.00 1( c ) B o t h AFUs ar e e n g a g e d .

F i g . 1 2 . C u r r e n t a n d v o l t a g e w a v e f o r m s .

3 9 6

I s

I s

I s

V p c.

M I C O O M O A l C h 3 X 1 . 2 0

TokEN

0

8/12/2019 2030117030004

7/7

. . . . . . . . . . .

E . 0 v lC 2 .0V IIOO l C XBO1 . 0 . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . -11.40 - M S -

i . i n DS P

i F i n DSP

[ 6 ] H . F u j i t a , T . Y a m a s a k i , a n d H . A ka g i , A h y b r i d a c t i v e f i l t e r f o r d a m p i n go f h a r m o n i c r e s o n a n c e i n i n d u s t r i a l p o w e r s y s t e m s , IEEE T r a n s a c t i o n so n P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l . 1 5 , n o . 2 , p p . 2 1 5 - 2 2 2 , 2 0 0 0 .[ 7 ] S . B h a t t a c h a r y a a n d D . D i v a n , S y n c h r o n o u s f ra m e b as ed c o n t r o l l e ri m p l e m e n t a t i o n f o r a h y b r i d s e r i e s a c t i v e f i l t e r s y s t e m , i n I E E E - I A S 1 3 r dA n n u . M e e t i n g , v o l . 3 , 1 9 9 5 , p p . 2 5 3 1 - 2 5 4 0 .[ 8 ] P . T . C h e n g a n d Z . L . L e e , D i s t r i b u t e d a c t i v e f i l t e r s y s t e m s ( d a f s ) : A n e wa p p r o a c h t o p o w e r s y s t e m h a r m o n i c s , i n I E E E - I A S 3 9 t h A n n u . M e e t i n g ,2 0 0 4 , p p . 9 4 - 1 0 1 .[ 9 ] P . S t e c i u k , K . P u s k a r i c h , a n d W . R e i d , H a r m o n i c c o n s i d e r a t i o n s o n l o wv o l t a g e s y s t e m s , i n T e x t i l e , F i b e r , a n d F i l m T e c h n i c a l C o n f e r e n c e , v o l . 6 ,1 9 9 1 , p p . 1 - 8 .1AF

F i g . 1 3 . S i n g l e AFU c u r r e n t i A F , Y a x i s f o r s i n g a l i n D S P : 7 A / d i v .

T O T

E . . . . . F . . . . . . . . . . . . . S i

S 2

( a ) S t e a d y s t a t e , X a x i s : 0 . 2 s / d i v , Y a x i s : I Q - 1 / d i v o r 4 0 0 V A / d i v .

(b Trnins X ai: . 0 s d i v Yai: 0 :5 1:ir40 Adv

F i g . 1 4 . . . . . a n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

~ ~ ~ ~ ~ ~ . . . . .~ ~ ~ ~ ~ ~ . . . ._ . . L A . - L L * M. Z LL . . A s , X L L * * * : - i.A . . . . .. . . . . . .@ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ . . : |Em2.00Y 1 0 2 1 l . O O V jM120.OM3^C3fs

0 F + - F 1 I 6 0 . 0 0 0 p s l( b ) T r a n s i e n t s , X a x i s : 0 . 0 2 s / d i v , Y a x i s : 0 . 5 Q - 1 / d i v o r 4 0 0 V A / d i v .

F i g . 1 4 . G I a n d S I o f A F U I .

3 9 7