TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 2474 ~ 2 4 7 9   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4735          2474     Re cei v ed Au gust 19, 20 13 ; Revi sed O c t ober 3 0 , 201 3; Acce pted  No vem ber 1 3 ,  2013   New Multi-function Composite Device Resear ching in  Micro-grid      Li Shengqing*, Li Weizh ou, Xu Wenx iang, Zeng Huan y u e  Hun an Un ivers i t y  of T e chnolo g y Z h uzh ou, Hu nan, Ch in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : lsq19 61@s o hu.com        A b st r a ct   In the v i ew  of  econ o m ic c o n d itio ns to  i m pr ove  th e Micr o- grid  qu ality,  pa per  puts forw a r d a  ne w   type  mu ltifunct i on al c o mp osit e d e vice.  Co mb in ation  th e  cons istent c h aracteristics  of  the  mai n  cir c uit   structure fro m   micr o-gri d  e ner gy st ora ge battery  an d active pow er  filt er, c o mb ini n g  the tw o co mp on ents  o f   mu ltifuncti ona l  compos ite dev i c e, w i th correspon din g  co ntro l to achi eve  a variety of funct i ons. T h is p a p e r   ana ly z e s the w o rkin g princ i p l e  of t he ener gy  storage  battery  and activ e  po w e r filter, w i th  the co mp arativ e   ana lysis of its  structural fea t ures, give n t he co m posit e  princi pl e, deriv ed t he mathe m atic al mode l   of   compos ite dev i c e, by contai ni ng h a rmon i c suppr essio n  li nk  pow er deco u p le d contro l method to  achi e v e   e ffe cti v e  con t ro l .  Sim u l a tio n   sh o w s th a t  th e com p o s i t e  devi c e  e ffe cti v e l y a d j u s ti ng  th e  a c ti ve  po we r and  reactive p o w e r and har monic  suppr essio n  of  Micro-grid,  ver i fy the rationa li ty and vali dity of the composi t e   devic e.     Ke y w ords : mu lti-functio n  co mposite d e vic e , mi cr o-gri d , ene rgy storage b a t t ery, APF    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  As a supple m ent of larg e-scale p o wer g r id,  Micro - g r id  plays a m o re  and mo re im portant  role in  po wer system. But  with num ero u s of n online a r po we r ele c troni c m e mb ers  co ming i n to   the Micro-gri d , which will  inevitably bri ng a lar ge number of harmonics, the  power quality has  been  serio u sl y polluted. A c tive po we r fi lter (APF ) i s   con s id ere d  to  be  one  of th e mo st effecti v e   device s  fo r  h a rmo n ic sup p re ssi on [1],  whi c h  ca n  track  of ha rmo n ic su ppressi on  a nd rea c ti ve   power compens a tion in real-time [2]. Ins t allation  of Energy sto r ag e battery  can  make Mi cr o- g r id  from rigi d to flexible, but its fun c tion h a s  not b een fu lly utilized in t he practi cal a pplication, ev en  many times in the idle state. Therefo r e, APF  and  Energy sto r a ge battery re sea r ch ha s very  pra c tical valu e and si gnificance.  The Referen c e [3] gives  a multifunctio nal c ontrol  st rategy of bat tery ene rgy stora g e   system, n o t only ma ke th e device mai n taining  Micro-g r id p o wer  balan ce, b u t also  co ntrol t h e   harm oni c  current  and  ha rmonic voltag e. It equivale nt to the  unif i ed p o wer qu ality con d itio ner  role, b u t the  implem entat ion of d e vice  is ve ry  diffic u lt; The Referenc e [4]  mak e s  the large  cap a city at p o we r ge ne rat o r an d the  e nergy  st orag e device into  integratio n,  usin g the p o w er   conve r ter top o logy and switchi ng strategy cont rol, to incre a se and enh an ce  the static var  gene rato r pe rforma nce, the devi c e is mainly  used  for Hig h  Vo ltage System . Refere nce  [5]  studie s   on  su percon d u c tin g  coil an d a  l i thium batte ry ca pa citan c e  combi ned  SVG-APF, which  can  prevent  voltage  coll apse ind u ce d by Cho k e  Domi no Effect; it ca n a l so  be h a rm onic  elimination. B u t the device  of DC si de to the inst allat i on of the su percon d u c tin g  coil o r  lithium  battery, whi c h co sts too  much. Ba se d  on the  re se arch a bove, the en ergy st orag e b a ttery and   active power  filter combin a t ion con s ide r  in a grid environment, so i m pleme n tatio n  "one machi n e   can b e  more function", the  device can b a lan c e the a c tive power a n d  rea c tive po wer, ha rmo n i c   sup p re ssion   purp o ses of  Micro-g r id. In  additi o n , co mposite  devi c e  ca n im prove the  ene rgy  stora ge batte ry utilization rate, and achi eve  together  more e a sily, also, lo w co st s.      2. Energ y  Storage  Batter y   and APF  2.1.   Energy  Storag e  Ba tter y   Figure 1 is  a comm on structu r e of micro- g r id, which mai n ly comp osed of  a main  gene rato r, di stributed  po we r, en ergy  sto r age  batte ry a nd  lo ad s.  En ergy storage  battery  in clu d e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Multi-fun c tion Com posite Devi ce  Re sea r ching in  Micro-g r id (Li Shengqi ng)  2475 an e nergy st orag e d e vice  and  an i n ve rter  brid ge.  Whe n  the  mi cro - g r id  wo rking  con nect e d in   power  network, it can  ab so rb ex ce ss en ergy;  When  islandin g  op era t ion, it ca n rai s e th e dyn a m i c  respon se  spe ed of mi cro-g r id throug h th e ene rgy o u tput, also  kee p s the  bal an ce of th e a c tive  power a nd re active po we r  regul ation of  micro-g r id, e n su re a  stabl e ope ration  o f  powe r  net work  [6].       Figure 1. Structure of Typi cal Micro-g r id       Do  as an i n terface  circuit  whi c h  conn ects  the  ene rgy sto r a ge  device  to mi cro - g r id,   inverter  bri d g e  ca n reali z e the e nergy stor age  dev ice  DC en ergy and  ele c tric  ene rgy fl ow  betwe en  ea ch othe r. Pro per adju s tme n t of  conv e r ter to  control  the  ene rgy  stora g e  batte ry  voltage ampli t ude an d ph ase  angle, th en can real i z e the exchan ge of the a c t i ve power a n d   rea c tive power between e nergy sto r a g e  battery and  micro-g r id  system   [7].    2.2.   Activ e  P o w e r Filter  The workin g prin ciple  of Active po wer fi lter ca n be  seen in the lit eratu r e [8]. T he APF  stru cture of the main  circuit is  simila r to the ene rgy  stora ge b a ttery, the only difference is t hat  the DC  side  of APF is ca pacito r , but the ene rgy st orag e battery  is DC p o wer. Compa r ed  with   energy  stora g e  batte ry, APF control  i s  m o re  comple x,  also  its high e r  real -time  re quire ment. Fi rst  detectin g  sig nal of cu rre nt and voltage,  then a se rie s  of com p lica t ed ope ration , finally obtains  the instructio n sign al, sele cting a suitab le modul atio n  to drive inverter outp u t a set of harmo nic  curre n t, whi c h is th e  sam e  amplitu de,  contrary p h a s e to th e di rection  of the  cu rre nt si gn al to   eliminate the  harm oni c.      3. Principle  and Mathem atical Model  of Compo s ite Dev i ce  3.1. Compos ite Dev i ce Pr inciple  The mai n  fun c tion of APF  is restrainin g  harm oni cs  a nd compe n sa ting rea c tive  power.  Most   ca se s,   A P F  wo rk s in  t he  cha r a c t e rist ic s  of  ha r m onic  s upp re ssi on,  if   com pen sat i ng  re a c t i v e   power at the same time  will cost mo re. From t he an alysis b e fore, th e output from  energy sto r a g e   battery is DC, it need a large capa city inverter  to transfo rm i t  into three-p hase altern ating  curre n t. Cont rastin g the t w o st ru cture s , the main   circuit st ru ctu r e are simil a r, both in clu d ing   voltage invert er, DC  side v o ltage an d so  on.         Figure 2. Fra m e Diag ram  of Compo s ite  Device    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:  2474 – 2 479   2476 Figure 2 i s   a  block  diag ra m of the  co m b i ned  device. The  ene rgy  storage  batte ry and  DC  side  cap a cito r are i n stalle d in parallel, then output  b y  the inverter. Detection  of the micro-g r i d   voltage and  curre n t inp u t to the Powe r an d Harmo n ic  Cal c ulatio n Unit , calculate the   corre s p ondin g  si gnal, th en  the  sign al i s   comp ared  wit h  a  given val ue, finally  co mpare the  ou tput  of the  comm and  sig nal th at three - p h a s e voltage  ref e ren c e  si gnal , usin g volta ge  spa c e  vector  control metho d  control the inverters.     3.2. Compos ite Dev i ce Model  Figure 3 is a  topology of the  device, the stru ctu r e can be b u ilt accordi ng to its mod e l   [11-12].         Figure 3. Structure of  Com posite  Device  Topology       Whe r e, E is  the battery voltage, Supp ose  R r , I r  are  the comp osi t e device e q u ivalent  resi stan ce  of internal  and t he outp u t cu rrent, U dc  is vo ltage of sm oo thing capa cit o r C, L i s  o u tput  indu ctor.   More ove r , three ph ase bri dge und er th e stru cture of two-level, hypothe sis AC  voltage  and current resp ectively are U 1a , U 1b , U 1c , I A , I B , I C , an d modulatio n ratio m=u 1 /u dc .  From Kirchh o ff's voltage la w, there i s :    dc r r UE R i                                                                                                                                          (1)    Assu me the initial phase o f  U s  is 0, phase differe nce betwe en U 1  a nd U s  is  δ . By voltage  law at AC sid e , there is:   1 s di L uu R i dt                                                                                                                                    (2)  By energy co nse r vation, there is:   22 11 1 1 () 2 r r r d c a ab bc c d E iR i C U u iu i u i dt                                                                                (3)  From the a b o v e, we can o b tain the actu al DC  side vo ltage equ atio n.  22 si n ( ) s i n ( ) si n ( ) 33 dc dc ab c rr dU U mm m E it i t i t dt C C C C R C R          (4)  Whe r e,  ω  is  the an gula r  f r equ en cy of  d-q  rotatin g  f r ame,  whi c h   is the   same   with the  three - ph ase voltage.   The mathem atical mod e l for device is:     1 1 2 2 3 3 3 12 2 2 00 2 2 00 2 2 00 1 1 s s a a b b s c c dc dc r r u Rm s L LL u ii Rm s L ii d LL u ii dt Rm s L UU LL ms ms ms E CC C C R CR                                                                                   (5)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Multi-fun c tion Com posite Devi ce  Re sea r ching in  Micro-g r id (Li Shengqi ng)  2477 Whe r e, 1 sin ( ) st  ,  2 2 sin( ) 3 st  ,  3 2 si n( ) 3 st  ,  (1 , 2 , 3 ) k k l =  is   laggin g   δ  ang le than the co rre sp ondi ng  S k  .  On the type  of Park tra n sformation  and fu rth e r  cal c ulatio n, can re alize a c tive and  rea c tive expression   [13].     2 32 2 3 si n 2 2 s q s PU i U Q R                                                                                                                                   (6)      4. Composite Dev i ce Control Stra teg y     Combi ned  wi th the chara c teri stics of t he  whole  de vice, not o n l y  get the fu nction  of  energy sto r a ge b a ttery to control  a c tive and  rea c tive po we r, but reali z e  the h a rm o n ic  sup p re ssion f unctio n  of APF.  There a r e  two op eration  mode s fo r mi cro - g r id :  para llel op eratin g  and  i s land  o peratin g.  So, cont rol  method s d e vice  also  divi de two ki nd s. Figu re  4 i s  the  blo c k  diagram of  P-Q  decompo sitio n  co ntrol,  whi c h  contai ning  harm oni c su ppre s sion li n ks i n  mi cro - g r id wh en  worki n g   in parallel op eration. P, Q  in the diag ra m were a c tive power a nd  rea c tive po wer value afte r th e   cal c ulatio n of the tested, i * abc  is the signal of harmo nic in stru ctio n curre n t. Modulatio n mo de   s e lec t  the Space Vec t or Puls e Width Modu lation (SVPWM),  the mo dulation c a n  reduc e   swit chin g loss and imp r ov e the utilizatio n ratio of DC  voltage [14].          Figure 4. Block  Diag ram o f  P-Q Decoup ling  Co ntrol with Harm oni c Suppressio n  Links      5. Simulation Anal y s is   Simulation  of the d e vice  is b a sed  on t he MA TLAB 7.1,  The mai n   ci rcuit  of si mulation   system i s   sh own i n  Fig u re 2. Fo r  conv enien ce,  the   energy sto r a ge batte ry is  equivalent to   the  DC  sou r ce whe n  establi s h the sim u l a tion syst em,  the system impeda nce is negligible. T he  simulatio n  pa ramete rs a r e  set as  sho w n  in Table 1.       Table 1. Simulation Syste m  Paramete r  Parameter  value  Line voltage of th e s y stem u/V   Grid fr equenc y   f/ Hz  Inductance L/mH   DC side capacitor C/uF   Batter y   output vo ltage u/V  Resistance R/ Ω   380   50  0.5  6800   750  0.2      In the process of simulatio n , the control   system ba sed on the in stantan eou s rea c tive  power meth o d  of i p -i q  to detect the h a rmo n ic  cu rrent, and ge n e rate a  com pen sation  cu rre nt  instruction, DC side voltage will not be  controlled in the process of  simulation.  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:  2474 – 2 479   2478 The sim u latio n  result of harmoni c supp ressi on i s  sho w n in Figu re  5. From the d i agra m ,  the cu rrent of  system i s   se ri ou s di stortio n  before the  0.03s,  curre n t  and voltage  also  doe s n o t  have the  sam e  ph ase. Inpu t device  in th e 0.03 s, it   ca n qui ckly tra c k the  current  cha nge s, real ize   harm oni c co mpen sation e ffectively. Current in 0. 05 s has e s sentiall y become a  sine wave, an d in   the same p h a s e with the vo ltage pha se, the effect is o b vious.       (a) b e fore  co mpen sation     (b) afte r com pen sation     Figure 5. Voltage an d Cu rrent Wave Co mpen sation a nd Simulation  Images fro m  Phase A     Figure 6 i s  th e harmoni c  current compe n satio n   an d spectrum a nal ysis of p h a s e  A. From  the g r ap h  we  ca n  se e, the  cu rrent  disto r tion  ra te  wa s 2 4 .72%  bef ore  the  co mp ensation,  whi l e   the comp en sation ca n red u ce to 2.71%  after the com pen sation.        (a) b e fore  co mpen sation     (b) afte r com pen sation     Figure 6. Harmonic  Cu rre n t  Spectrum A nalysi s  before and after Compen satio n  in Phase A     Figure 7 i s  th e chart  of adj usting  micro - grid  flu c tuatio n effect by th e compo s ite  device.   Micro-g r id occurs active p o we r  va can cy  before   the  10 s, re activ e  po we r al so fluctu ate.  The   comp osite  d e vice i nput s  in the  10 s, it ca n b e   see n  that the  a c tive power fl uctuate  re du ced   signifi cantly, basi c ally sta b l e at 20kW,  reactive po we r reg u lation te nds to 0.         (a) a c tiv e  po wer     (b) rea c tiv e   powe r     Figure 7. The  Regul ation o f  Active Power and Rea c tive Powe r Simulation Effect Diag ram       6. Conclusio n   A new multi-f unctio n   comp osite  device  i s  re sea r ched  und er th e  co ndition of  Micro-grid   in this p ape r, whi c h reali z e  the ene rgy st orag e batte ry con n e c t to the DC si de  with active p o we r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Multi-fun c tion Com posite Devi ce  Re sea r ching in  Micro-g r id (Li Shengqi ng)  2479 filter, to achie v e a variety o f  function s. T he  devi c e  ca n not only  co ntrol  the mi cro harmoni cs, but  balan ce th e a c tive po wer a nd re active p o we r of  mi cro - gri d . Thi s  pa per from the  energy sto r a ge  battery an d  active p o wer filter st ru ctu r e a nd  th e  compo s ite p r i n cipl e, de rived the  dyna mic  mathemati c al  mod e l of  co mposite   syst em, ap p licati on of SVP WM control  me thod, imp r ov e the  pre c isi o n   an d  spee d of control, simu lation  ve rify the comp osit e devi c e  is  rea s on able  a nd  effec t ive.      Ackn o w l e dg ments   This wo rk wa s  supp orted by  the  Nation al  Natu ral Science Fou n d a tion (NO.51 0770 46 )  and the con s truct p r og ram  of the key disciplin e in Hun an provin ce  (NO.20 117 6)  of China.       Referen ces   [1]  GUO Wei-feng, X U  Dian -gu o ,  W U  Jian, et  al.  Nov e l co n t rol metho d  fo r LCL  active  pow er filter .  Procee din g s of  the CSEE. 2010; 30(3): 4 2 -4 8.   [2]  W A NG Cunp in g, YIN Xia ngg en, W E N Min gha o, et  al. A n  Improve d  i p -iq R eactive  a nd H a rmon i c   Current Det e cting Meth od.  T E LKOMNIKA Indo nesi an Jo u r nal of Electric al Eng i ne erin g .  2012; 10( 7):   162 9-16 36.   [3]  YAO Yong, Z HU Gui- pi ng,  LIU  Xi u-che ng.  A b a tte r y  en e r g y  stora ge s ystem to im pro v e the  micr o   po w e r qua lit y   a pplic atio ns.  T r ansactio n s of Chin a Electro te chnic a l Soci ety . 2012; 27( 1): 85-89.    [4]  FEI Wan-min, ZHANG Yan-li,  Lü Zheng- y u .  Invest igation on the integratio n of BESS  w i th ST A T COM.  Autom a tion of Electric Power System s . 20 05 ; 29(10): 41-4 4 .     [5]  SHEN  Xia o -q i ng, LU Gu an g - xi an g. 150kV A  s uperc ond u c ting co il a nd  a lithi um b a tter y  ca pacit ance   combi ned SVG  APF .  Pow e r System Protecti on an d Co ntrol . 2010; 38 (1 6): 34-37.    [6]  HUANG  Xia o - don g, HAO Mu-kai, LU Z h i- gan g, et  al. A  net w o rk s y ste m  of batter y   e nerg y  stor ag e   s y stem a ppl ied  technol og y res earch.  Re new a b le e nergy . 2 0 12; 30(1): 3 8 -4 1.   [7]  Kroeze  RC, Kr ein PT . Electrical b a tter y  m o del for  use  in  d y nam ic el ectri c  vehic l e sim u l a tions.  IEEE   T r ans on Pow e r Systems . 200 8; 23(4): 13 36- 134 2.   [8]  HUANG Wei, ZHOU Li-dan, ZHEN G Yi-hui,  et al. Neur al  net w o rk  PI pe petitive c ontrol l e r for three- phas e three- w i re shunt active  po w e r filter.  Pow e r System Protection a nd C ontrol . 20 12; 4 0  (3): 78-84.    [9]  QU Xu e-ji. El e c tric po w e r fi lte r  technol og y  a nd its  ap plic ati on. Beij in g: Pu blis h i n g  Ho use  of electron ics  ind u str y . 20 08:  40-60.    [10]  GOU Xin-k e , MU Ying, W A NG Ch a ng-Ji a ng, et al. Sim u lati on of sh u n t h y bri d  activ e  po w e r filter.   Pow e r System  Protection a nd  Contro l . 200 9; 37(1 7 ): 13-1 5 .   [11]  Z H ANG W en-li ang, QIU Mi n g , LAI  Xi ao-ka ng. Ap p lic atio n  of e nerg y stor age  techn o l ogi es in  p o w e r   grids.  Pow e r System T e ch nol ogy . 200 8; 32( 7): 1-9.   [12]  Harikris hn a D,  Srikanth  NV.  D y namic  stabi l i t y   enh anc eme n t of po w e r s ystems usin g n eura l -net w o r k   control l ed stati c  compens ato r .  T E LKOMNIKA Indones ia n  Journa l of Electrical En gin eeri n g . 201 2;   10(1): 9-1 6 .   [13]  LUO Che ng-l i a n , JI Yong, LI U Z un- yi. Static s y nchr on ous  com pens ator (ST A T C OM) p r incip l e a n d   Real izati on. Be ijin g: Chi na El e c tric Po w e r Pre ss. 2005.   [14]  LI Feng,  LUO  An, T A NG Ci , et al.  Stud y   on SVPWM c ontrol  strateg y  for curr ent-trackin g  PW M   inverter.  Pow e r  Electronics . 2 008; 42( 4): 77- 79.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.