TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 2677 ~ 2 6 8 2   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4817          2677     Re cei v ed Se ptem ber 9, 2013; Re vi sed  Octob e r 17, 2 013; Accepte d  No vem ber  6, 2013   Resear ch on Control Strategy of Improved   Single-phase Active Power  Filter      Gang Hu 1,2 *, Chua n Zang 1, 2 , Ya-jie Ma 1, 2 , Zhi-guo Xiao 1,2 ,Wei-li Dai 1,2     1 Coll eg e of IOT  Engine erin g, HoHa i Un iversi t y , Cha ngzh ou  213 02 2, Chin a   2 Jiangs u Provi n cial K e y   La bo rator y   of Po w e r   T r ansmissio n  Equi pment T e chno log y , C han gzho u 21 302 2,   Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : hug_ 58 10@s ohu.com       A b st r a ct   Unip ol ar sin g le -phas e active  pow er filter co ntro l strateg i es  nee d to the transfor m ers a n d  ad ders .   Moreov er, the circuits to fulfill  the  contro l strategy are  mor e  complic ated.  In  order to solv e  abov e pro b le ms ,   an  i m pr oved u n ip olar mo dul a t ion  contro l strategy has  bee n perfor m e d  in  th is pap er. T h e  princi ple of co ntrol   strategy w a s ana ly z e d  in d e tail i n  this p a per an d rel a te d si mul a tio n  h a s be en fin i sh ed. T he resu lts of   simulati on s h o w  that this impr oved c ontro l strategy ca n si mplify the struct u r e of circu i t w i thout affecti ng t h e   system p e rfor ma nce i ndex.     Ke y w ords : one-cycle c ontrol under  unipolar  m o dulation,  active  power  filt er (APF), im pr oved control  strategy     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  One-cy cle co ntrol (O CC)  t heory  i s  pa rticula r ly suitabl e for the  co ntrol of  switchin g ci rcuit,  whi c h  ba sic  con c e p t is to  force th e av erag e of  the  co ntrolle d  switch -vari able  to be  e qual  or  prop ortio nal to the average  of the control  refere n c e in  each clo ck  cycle [1, 2]. Its advantag es a r e  simple  circuit  stru cture, fast  dynami c  resp on se an d  good  stabilit y without ha rmonic  dete c tion.  Mean while,  one-cycl e co ntrol tech nol ogy can aut omatically el iminat e the stationa ry and  transi ent erro rs in a  cycle,  wi thout e rro r  synthe sis [3 -5]. Thus,  one -cy c le control  technol ogy can  be adapte d  to the control  appli c ation which requi re s high pre c isi o n, high spe e d  and high a n ti- jamming.   Active po we r filter (APF ) i s  a  ki nd  of n o vel e quipme n t for dynami c   h a rmo n ic  sup p re ssion  and rea c tive power co mpe n satio n .  Due to  lackin g co ntrol strate gie s ,  the one -cycle   control which  is appli ed to  single - p h a s e  shu n t APF exits the pro b l e ms of la rge  ripple  and  DC   comp one nt o f  AC current.  In re ce nt years,  m any scholars have dedi cated  to   the stu d y of  APF   with OCC, a nd propo sed  variou s imp r oved  cont rol  method [6-9], but most of them just  comp en sate  the DC  com pone nt, with out improvin g the ri pple  size. Uni pola r  mod u lation  that  contai ns th e  idea of m u l t ilevel active  power  filter can  co mpe n sate th e DC compo nen t and  redu ce  ripple .  Howeve r, the circuit structure  is mo re  compl e x [10, 11].This pap er presents a n   improve d  co n t rol method to  optimize  ci rcuit desig n of one-cycl e co ntrol.      2. The Stud y  of Unipolar  Modulation  Con t rol Stra teg y   2.1. Single-phase Shun t APF       Figure 1. Single-p h a s e Sh unt APF Circuit Diagram   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2677 – 2 682   2678 A ssu me t h at  v s  is A C  i n put voltage,  v dc  is DC  ou tput voltage,  v ab  is inve rt er  output  voltage, v L  is  the voltage  a c ro ss th e in d u ctor,  i s   i s  so urc e  cu rr ent ,  i c  is  output  cu rre nt of filter,   R s   is sam p ling resi stan ce, d is duty ratio o f  switchi ng d e vice and f s  =1/ T s  is switching freq uen cy.  The main  circuit is sho w n i n  Figure 1.    2.2. One-cy c l e Contr o l Strategy  under  Unipolar Mo dulation   Comp en satio n  idea  of on e-cy cle  cont rol st rategy u nder unip o la r modulatio n  is that  singl e-p h a s e  active po we r  filter is individ ually co ntrolle d in po sitive a nd ne gative h a lf cycle  of the  power.  Ho we ver, in  ea ch  half cy cle, o n ly two  switches work  at  high f r equ en cy, as Ta ble  1   sho w s.       Table 1. Swit chin g Status of One-cycle  Control Strategy unde r Un ipolar M odula t ion    vs( t) >0   v s ( t )<0  0< t < dT s   dT s < t < T s  0< t < dT s   dT s < t < T s   S 1  Off On On Off S 2   On Off Off On   S 3   Off On S 4   On Off     The inve rter circuit of o ne-cycle  co n t ro l und er  u n ipola r  mo d u lation  conta i ns the  multilevel thought. In each  cycle, there  are thr ee ki n d s of output l e vels an d the output voltage  redu ce s by h a lf. So, reduce the size of curre n t  ripple .  In addition, only two switche s  working  at  high freq uen cy, one-cycl e control strate gy under  uni polar mo dulat ion gre a tly reduces  switchi ng  loss. Du e to  needi ng tra n sformer  equi p m ent and l ogi c  control  ci rcuit, the ci rcuit  stru cture of  one- cycle  control unde r unip o la r modul ation i s  relatively co mplex.      3. Impro v e Unipolar Mod u lation Co ntrol Strate g y   3.1. The Mod e l of Impro v ed One - c y cle Con t rol Str a tegy  under Unipolar Mo dulation    Swap the  se q uen ce of swit chin g statu s   of S 1  and S 2  in the wo rk proce s s of sin g l e -ph a se   shu n t active  power filter,  whi c h i s  with  one -c y c le control strate g y   under unip o lar m odul ation.  That is, wh en  v s > 0, 0 ~ dT s  is turn-on time of S 1 ; when v s  <0,  0 ~  dT s  i s  o f  S 2 . Equivalent  ci rcuit  is sh own in Figure 2.         (a)  v s   >0, 0 < t < dT s  (b)  dT s < t < T s   (c )  v s   <0,0< t < dT s   Figure 2. Equivalent Circuit  of Improved  Unip olar M o d u lation On e-cycle Co ntrol  APF    Ti me  Sw itching  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Control Strategy of Im proved Single - ph ase Acti ve Po wer Filte r  (G a ng Hu )  2679 The output  cu rre nt of the filter inverte r  ci rcuit ca n be o b tained fro m  Figure 2(a ) .     00 11 () () [ ( ) ( ) ] tt cL d c s it v t d t v t vt d t L L                                     (1)     Whe n  vs>0, obje c tive equ ation of one-cycle co ntrol can be a c hiev ed throu gh a nalysi s   and de rivatio n .    () * ( ) ms s dv t R i t                                                         (2)     Similarly, wh en vs <0, obj ective equ ation of one-cycle control ca n  be dedu ce d.    () * ( ) ms s dv t R i t                                                         (3)     Control o b je ctive eq uatio n of im prov ed  singl e-p h a se  APF  wi th one -cycle  co ntrol  strategy un de r unipol ar mo dulation  can  be got by  con s olid ating Eq uation (2 ) an d Equation (3 ).    () * | () | ms s dv t R i t                                                       (4)     Equation (4) sho w s that  in the impro v ed uni pola r   modulation cycle control,  control   strategi es  of positive and  negativ e half cycle   a r e sy mmetrical. Convert a  n e g a tive  half cycle  to   the po sitive a nd  comp are  the a b solute  values of  currents.  The r ef ore, the  st rat egy of imp r o v ed  one-cycl e  co ntrol u nde r u n ipola r  mo du lation  can  co mpen sate th e DC  com p o nent a nd  red u ce   the si ze of  ri pple a s   sam e  as the  traditi onal  st rategy.  Mean while,  comp ared  with the tra d itio nal  one-cycl e co ntrol un der  u n ipola r  mod u l a tion,  obje c t equatio n of the im proved one-cycl e  co ntrol  is relatively si mple and  circuit desig n of one-cycl e co ntrol is optimi z ed.     3.2. Stead y   State Equ a ti on  Acco rdi ng to  obje c tive Equ a tion (4 ) of o ne-cy cle co ntrol  an d swit ching status of  APF,  in  the one -cycle  cont rol u nde r uni pola r  mo dulation,  swa p  stea dy stat e equ at ion s   of positive a nd  negative half  cycle to obtai n the  improve d  steady stat e equatio ns.   For the st rate gy of improve d  unipol ar  mo dulation o ne-cycle  control, whe n  v s > 0, stability  con d ition of the po sitive  half cycle can  be achieved.     2 md c s ss L vv v TR                                                          (5)     Whe n  v s <0, stability conditi on of the neg at ive half cycl e can b e  achi eved.    2 md c s ss L vv v TR                                                           (6)     Con s oli dating  Equation (5 ) and Equ a tion (6 ),  for the strategy of improved  unipol ar  modulatio n o ne-cycle  cont rol, the total stability conditi on is:     2 md c s ss L vv v TR                                                                                     (7)    Equation  (7 )  sho w s that  stability is relat ed with  v dc  in the strategy  of improve d   unipol ar  modulatio n o ne-cycle  cont rol, a s   same  as the tradi tional  strate g y . However,  the sta b ility of  positive half cycle  i s  sam e  as  th e neg ative  in  th e  strat egy of im proved  u n ipol ar m odulatio n  one - cycle  cont rol.  The larg er t he v dc  is, the more sta b le  the system  is. Thu s , red u ce the d e si gn   requi rem ent of filter induct ance L.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2677 – 2 682   2680 4. Simulation Anal y s is   4.1. Sy stem  Design o f  th e Impro v ed Con t rol Stra teg y   Wo rkin g p r o c ess of imp r o v ed sin g le -ph a se  sh unt A P F with u n ip olar m odul ation is a s   f o llow.  A  sin g le-p ha se  cir c uit  wit h  h a r m onic  so urce  provide s  wo rk e n viron m e n t with harm onic  curre n t. One - cycle  control  circuit i n teg r ates th e volt age i n  d c   si de voltag e o f  conve r ter a n d   comp ares wit h  the volta g e  of  sampli n g  re si st or to  gen erate  co mpare  sign al  to chan ge t h e   workin g  statu s  of the t r igge r. A nd the n  b y  the logic co ntrol  circuit, turn th e outp u t signal  of trig ger  into  the drivi ng sign al  of power switchi ng  d e vice   in  the inverte r   circuit.  Cont rol  on-off statu s  of  the switching  device to  ch ange  the  out put voltage  o f   the inve rter  circuit  with th e d r iving  circuit.  Finally, use  filter indu cto r  to co nvert the  output vo ltag e of the inve rter ci rcuit into  com pen satio n   curre n t whi c h  amplitude i s  equal to th e  harm oni c an d pha se i s  o ppo site. Inject compe n sation   curre n t into  si ngle-pha se  ci rcuit  an d  com pen sate   harm onic current.  Eventually m a ke  the  cu rre n t  that flows int o  the grid to  be close to t he standa rd sine wave. Figure 3 sh ows the overall  stru cture of the system.            Figure 3. The  Overall St ru cture of the System       4.2. Simulation Circuit  Figure 4  is th e sim u lation   circuit of  sin g l e -ph a se  shu n t  APF with  on e-cy cle  co ntrol un der   unipol ar mod u lation. In the circuit, let in ductive load  K1=0.02 28 a nd cap a citive  load K1=0.0 385,   half is the blo ck  sign al of powe r  voltage  positiv e and  negative half cycle, which i s  gen erate d  by  comp ari s o n  b e twee n the sampling volta ge R s *i s (t) a n d  grou nd.           Figure 4. Improved Shu n t APF Circuit Simulation       Acco rdi ng to  on-off statu s  of  po we r  switching  devi c e of  imp r ove d  si ngle - ph ase shunt   APF with one -cy c le co ntrol  under u n ipol ar mod u lation ,  its filter circu i t is the same  as the strate gy  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Control Strategy of Im proved Single - ph ase Acti ve Po wer Filte r  (G a ng Hu )  2681 of unipola r   modulatio n  with one -cycl e  co ntrol.  Base d on fo rmula (4 ), de sign th e ci rcuit of  improve d  on e-cy cle  cont rol und er u n i polar  mod u la tion wh ere t he integ r al  coefficient of  the   integrato r  i s   K2=10 000,  shown in Fi gu re 5.  Com p a r ed  with o n e - cy cle  control  unde r u n ipo l ar  modulatio n, the ci rcuit of i m prove d  on e - cy cle  control  unde r u n ipol ar mo dulatio n  doe s n o t req u ire  transfo rme r  e quipme n t and  adders an d circuit st ru cture is gre a tly simplified.      Figure 5. Simulation Ci rcuit of Improved One-cy cle Co ntrol Mod u le  unde r Uni pol ar Mod u lation       4.3. Simulation Res u lts Analy s is of Single-ph ase  Shunt APF       (a) Sou r ce cu rre nt waveform before AP F  comp en sat i o n     (b) After com pen sation  with one-cycl e control  strategy un de r unipol ar mo dulation     (c) After com pen sation  with improve d  o ne-cycl e  cont rol strategy u nder u n ipol ar  modulatio n     Figure 6. Source  Cu rre nt Wavefo rms b e fore an d after the Co mpe n satio n  of Inductive Loa d         (a)   Sou r ce cu rre nt waveform before AP F  comp en sat i o n     (b) After com pen sation  with one-cycl e control  strategy un de r unipol ar mo dulation       (c) After com pen sation  with improve d  o ne-cycl e  cont rol strategy u nder u n ipol ar  modulatio n     Figure 7. Source  Cu rre nt Wavefo rms b e fore an d after the Co mpe n satio n  of Ca pacitive Lo ad Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2677 – 2 682   2682 Figure 6 an d  Figure  7 re spectively de scrib e  ind u ctiv e and  cap a ci tive load sim u lation   results, in  which  Figu re  (a) d e scri be s so urce  cu rrent wavefo rms b e fore A P F com pen sation,  Figure (b ) de scribe s the  waveform s afte r co mpen sati on with  singl e - pha se  sh unt APF and Figu re  (c) de scri be s the waveforms afte r com pen sati on wit h   improved single-pha se shunt  APF.  T h e   followin g  con c lu sion s can  be obtain ed from analysi s  o f  simulation result s.  (1) Sin g le-ph a se  shu n t APF with unip o lar mo dulati on or imp r ov ed unip o lar  modulatio n  has the effe cts of com pen sating har moni c and imp r ovi ng po wer fa ctor.   (2) Sin g le-ph a se  shu n t APF with unip o lar mo dulati on or imp r ov ed unip o lar  modulatio n  comp en sate s DC compo n e n t of source  current.  (3) At the  sa me switchi n g  freque ncy, compa r ed  with other  co ntrol strate gie s , sou r ce   curre n t ripple  that is com pen sated by  the stra tegy  of unipolar  modulatio n o r  the improv ed   unipol ar mod u lation is mu ch smalle r.   (4) Co ntrol strategy  of  im proved unip o l ar  mo dulatio n that en sures the  com p ensation   effect of control strategy of  unipol ar mod u lation  optimi z e s  circuit  structure of one -cy c le co ntrol .       5. Conclusio n   The inverte r   circuit of co n t rol strate gy of  unipola r   modulatio n contain s  the multilevel  thought. In e a ch  cycl e, th ere  are  thre e  kind s of   outp u t levels  and  the output vol t age redu ce s by  half. So, redu ce the  size of current ri pple .  Beside s, onl y two swit che s  wo rking at  high fre quen cy,  one-cycl e co ntrol st rategy  unde r uni po lar mo dulat io n gre a tly red u ce s  swit chi ng lo ss.  Due  to   needi ng tran sformer e quip m ent and logi c co ntrol ci rc uit, the circuit  structu r e of one-cycl e co ntrol   unde r uni pola r  mod u lation i s  relatively complex.  Ho wever, control  strat egy of  improved unip o l a r  modulatio n that en su re s  the co mpe n sation effect   of cont rol  strategy of uni polar mod u la tion  optimize s  ci rcuit desig n  of one-cycl e co ntrol.      Referen ces   [1]  Xu M, Z h o u  L,  W ang W ,  et al. A surve y  o n  one- c y c l e co ntrol strateg y  for  singl e-p hase  active p o w e r   filter . Power System  Technology . 2006; 3 0 (2 2): 81-86.   [2]  C Qiao, T  Jin,  Smedl e y  KM.  One-c y cle  co ntrol of  thr ee- p hase  active  po w e r  w i t h  vecto r  modu lati on.   IEEE Transactions on Industrial Electronics . 200 4; 51(2): 45 5-46 3.  [3]  Luo Z F ,  Xie Y X . T e chnica l a nal ysis  of activ e  po w e r filter  w i t h  o ne-c y cl e  unifi ed-co nsta nt integr atio n   control.  Electric Drive Automation . 20 07; 29 (1):1-4.  [4]  Mo L,  Xi e Y X ,  Che n  B. T he c o mparis on  of o ne-c y cl e co ntrol a p p lie d i n   di fferent topo lo gi es of  activ e   po w e r filter.  P o w e r System  Protection  an d  Contro l,  Pow e r Syste m  Pro t ection  and  C ontrol . 20 08 ;  36(1 4 ): 42-4 7 .  [5]  Z hou  Ro ngsh e ng, L i u  Hu iji n,  Che n  Y unp in g, et a l . One  c ycle c ontrol- a  n e w  c ontrol  met hod  of APF .   Electric Power Autom a tion Equipment . 200 4; 27(7): 75-7 8 .  [6]  W ang SJ, L uo  A. A nove l  co ntrol sch eme  of active p o w e r fil t er.  Procee din g s  of the C h i nes e Soci ety o f   Universities for Electric  Pow e r System an d Automatio n . 200 8; 20(6): 12-1 6 .   [7]  Ye P, Hu G, Z han g JB. T he mode l of PF C circuit  as s w itc hed  lin ear s y st em  w i th o ne-c y cl e contr o l.   Electric Mach in es and C ontro l.  2007; 1 1 (2): 1 58-1 61.   [8]  Qian T i ng, Lu  Z heng yu,  Hu  jin, Hu an g Z h ih ong.  D u a l -l oop sc heme f o r unifi ed c o n s tant-freque nc y  integr ation c o n t rol of Active Po w e r F ilter.  Pro c eed ing  of the CSEE . 2003; 2 3 (3): 34-3 7 .  [9]  Liu  Y, T an G. Rep e titive c ont rol i n  th e  app li cations  of H-B r idg e  Active  P o w e r  F ilter.  TEL K OMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (7): 3 886- 389 6.   [10]  Lin B R , H uan g  CH. An al ysis   and  imp l eme n tation   of a  sin g l e-p hase  cap a c itor-clamp ed  i n verter  w i t h   simple structur e.  IEEE Transactions on Electric Power Applications . 20 04;  151( 5): 555- 56 2.  [11]  Met w a l l y  MK,  Ahmed ME.  Vector contr o l of f our s w i t ch three-p has e inv e rter fed  s y nc hro nou s   relucta n ce mot o r driv e inc l ud i ng satur a tio n   and  iron  loss e s  effects base d  ma xim u m to rque c ontrol.   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (11):  634 4-63 51.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.