In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  1, Mar ch 20 19,  p p.  178~ 1 9 4   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v10 . i 1.pp 1 78- 19 4           178     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Unified pow er quality c ondi tion er supplie d by fuel cell system  via SEPIC conve r ter       Bena b i d S l i m a n e,   A bdelk h a l e k   O t hma n e,  B en   A b d elk a d e r   Abda lla h   Depart m e nt  o f Elect ri cal  o f E ngin eeri n g , Tah ri Mo h am m e d Bech ar  Universit y , A l g eria      Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Jun  22 ,  2 0 18  Re vise d S e pt 3 0,  201 8   Ac ce p t ed  Oc t  1 5 ,  2 018      Th is   p a p er  p res e nt s  a  co mb in ed  operat i o n   o f   t h e  Unified   P o w e r  Q uality  Condi t ioner  (UPQC)  w ith  F uel  cell  sy s t e m   ( FC ) .   T he   p r o po se d   sy s te m   con s i s t s   o f  a  series  i nv erter,  a   s h u nt   i n v ert e r  an d  a   F u el   cell   t hat   is  c on nected   w i t h   t h e  D C   l i n k  o f   U P Q C  t h r o u g h   a  b a c k  b o o s t  c o n v e r t e r ,   w h e r e   it  i s   a   S E P I C  con v ert e r.  T h e   m ean  p urpo se  f o r   u sing  t h e  S E P I C  co nv e r t e r  i s   ens u ri ng  a  cons tan t   D C  li nk  vo lt age  val u e  an d  to   m ak e  t h e  F C   s y st e m   in terv enin g  on ly  i n   th e  case  w h en   t h e   D C  lin k  energy   i s   i n suffi ci ent.  Ex cept i ng   t his   c a se,   t h e  F C   s ystem   will  b e  in   t he  s t a ndb y  s t a t e .  To   v alidat e  th e  pro pos ed  t o p ol ogy ,   s e veral  s a gs   o f   so urce  vol tage  h ave  b e e n   a pp li ed,  at  the   po in t  o f   c o mmo n  c o u p l i n g   ( PCC).  Th e   simu la tio n  r e su lt s  fr om   MATLAB / SI M U LINK a r e   di sc u s se d   to  v e r ify   th e   pro p o s e d  top olog y.   K eyw ord s :   Fu el  c el l   sy stem  ( FC S )   SEPIC   Series AP F    S hun t A P F   UPQC   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Be nab i d S l im ane ,    D e pa rtme nt   o f  El e c t rica l   of E ng i n ee ri ng,   Tahri  Mo ha mm ed  B e c har   Uni v er si t y ,  BP  417  Ro u t e  de K enadsa,   08 00 0 Bec h ar,   A l ge ria.  Em ail:  bena b i d e tt @ y ah o o .fr      1.   I N TR OD U C TI O N   The   e x i s t i ng p o w e r   dis t r i bu t i on  netw orks fa c e  huge  p o o r p o w e r q ua li ty pr o b l em s an d rea c ti ve pow e r   requ ire m e n t  d u e  t o   i ncre as ed  u se   o f  n o n li ne ar  a n d   i nd uc t i ve   l oa d s   [ 1]– [ 4] .  N e vert heles s ,   t h e   sam e   adva nc em en t  i n  pow er  e lec t r o n i c   de v i c e s o f fer s   s o l uti o n s   f or  r e ac tive   p o w er   c ompe nsa t i o n  a n d pow e r   qua l i t y   impro v e m e n t  in  t he   f or m  of  a c tive   pow er   f il t e rs  ( A P F s ).  T he  t w o  t y p e s  o f   A P F s  a r e  s h u n t  a n d  s e r i e s   A P F .   T h e   s h u n t   A P F s  a r e  u s e d   t o   m i t i g a t e  c u r r e n t  h a r m o n i c s  a n d  r e a c t i v e  po we r  co mp en sati on .  Th e   s e ri e s   A PFs   are   use d   t o  c o m p en sate   v ol tage  r e l ate d   p rob l em s,   s u c h   as  vol ta g e   h a rm oni c s ,  sags ,  sw ells,  un ba lanc e s ,   fl ic ker , e tc.   Th e  UPQC   i s  t h e  mo st   w id ely   u s ed   a c t iv e   po we r  f i lt e r   i n   di st ri b u t i o n  ne tw or ks  t o  so l v e   bo th  c urrent   and  vo l t age  r e l a ted  di st u r ba n c e s   s im ul t a neo u s l y  [5].  I t  i s   t he  inte gr at ion  of  s hu n t   a n d   s e r ies  A P F s   t hrou g h   a   com m on  D C   l i n k  capa c i tor.  U P Q C  has  b e e n   w ide l y  stud ie d  t o   e lim i na te  o r  m i t i ga te   t he   d isturb a n ces   p r op a g a t e d   from  t h e  sou r ce   s i d e  an d t h e  oth e r  l o ad s  i n t e rc on n e c t e d [6] .  In the   n o rm al o pe rati on   o f U P Q C ,   t h e  shu n t  A P F  con t ro l  c i rcui t  ca lc ul a t e s   t he   h a r m o n i c   c u rre n t s   com p en sat i on   a n d   g en e r a t e s   t h e   i nv ert e r  p u ls es  t o  pow er   c ircu i t s   (shun t  A P F ) .  The  ser i e s   A PF   c om pens ate s   t he   h arm on ics  a nd  t h e   all  othe r  v o lta ge  di st urba nces.   The  arr a ngem e n t   o f ser i es a nd  shu n t   f i lte rs a re  i n t erch a n g eab l e .   I n   g eneral,   when a UPQC  is use d  i n  a  p ow er  dis t r ibu t io n s y s t em ,  the  ser ie s fil t e r  is ins t a lle d a h ea d o f   the   s h u n t   f i l t er.   The r e  are   m a ny   c o n t r o l   s t r a teg i es   r ep orted   in   t he   l i t e r at u r e   to   c on tro l   t he   U P Q C  for  po w e r   qua l ity  i mpr ove me nts,   t he   m os t  c o mm on  o f   w hi c h   a re  t h e   i nsta nt a ne ou s  a c ti ve  a n d   r ea cti v e  pow er  t heo r y   (P Q   me t h o d )  pr opose d   b y   F u j i t a  a nd  A k a g i,  s ym me tric  c om po ne nt   t r a nsform ati o n,  s ync hro n ous  r e f e r enc e   fra m e   ( S RF)  theory,   and  u n it  te mplat e   t ech n i que  ( U TT)  e tc.  The   ser i e s   A P F   s ystem s   n ee d  cer t a i n t y   t o  p r o v ide   ac ti ve   pow er   i nto  the   pow er   s yste m  t o   m a i n t a i n  the  loa d   v o l t a ge  l e v el  dur in g  v o lta ge   s a g .  A t   t he  s a m e   ti m e ,  th e  power  f l ow  i n  the  se ries  A PF  syst em  h as  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       U n i f i e d p o w er qu a l i t y  c o n d i t i one r sup p l ie d   by  f u e l  ce ll  syste m  v i a   SEPIC c onve r ter  (Ben ab i d  Sl im a n e)   17 9 drast i ca ll y  inc r ea se d  d u r i n g   t he  s o u r ce  v o l t a g e  sa g.  T h u s,  a dd i t i o n al   e ner g y  s ourc e s   ne e d   t o  be  a dde d  i n to  t he   series  A PF   s yste m  D C -l in k.  I n  t h e   la tes t   d ec ade  d u e   to   t he  e xtr em e  r i se  i n  the  pr ice  of   f ossil   f u els  and  env i ro nm en tal  po l l u tio n a s soc i a t e d  w it h t h e  use of n uc le ar  a nd  f o ss i l  fue ls  [ 7].     A  fuel  c el l  is  a   d ev ice   t h at  d i r ec tly  c o nvert s   the  c h em i c a l   e ne rg y  of  f ue l  to  e le ctr i c  e n ergy.   R e c e n t   adva nc es   i n   th e   fue l   c e l l   t e c h n o l o gy  s i gn i f ica n tly   i m p ro v e d  t h e   t ec hni c a l   a n d   eco no mi ca l  ch ara c t e ri st i c s  o f   th i s   t e c h no l o g y .   Env i ro nm enta l  frie n dli n e ss,   p ra ctica l l y   n o i se  free   o p er at i o n,   a nd  very  h i g h  effic i e n c y   com b i n e d   w i t h   t he  f ore c a s te d  sh ift  t o   g a s e o us  f ue l s   m a k e  fue l   c e lls   a   v e r y  so un d  c o mpe t i t or  o n  t h e  fu tur e   elec tr ici t y  m a r k et s  [ 8 ],  [ 9].  Howe ver,   F C  ca n   c a u se  t he  n e g at iv e   effec t s  on  the   e x i s ti ng   pow er   s ystem s .  That   is,   som e   p ote n t i a l   p r o b l em s  m i gh t   be  o c c ur red  suc h   a s  vo l t ag e  v ari a ti o n ,  pro t ec ti on,  h arm o n i cs ,  an d   perso nne l  sa fe ty.   T h e  F C   i s   i n t e rfa c e d   i n   the   A C   a n d   D C  di st r i b ute d   s ys tem   b y   u si ng   p ow e r   e lec t ro ni c   circ u i ts.  The   D C   v olta g e   m us t  be  lim i t e d   w i t h i n  a n   a c c e pta b le  r a nge   duri n g   stea d y   s tate  a nd  d y n am ic  con d i t i on s by  usin g  su ita b l e  con t ro l strate g i es.   Th is  p aper   p r opos e s   a   c omb i ned   o p era t ion  sys t e m   o f  U P Q C   a nd  fue l   cel l ,   w hi ch   i s  con n ect ed   t o  th e   dc  l i n k.  T he  a dva n t age   of  t h e   p ro po sed  sys t em   o ver  t h e  U P Q C   i s  to   c omp e n s at e  t h e  vo l t a g e   i nt erru pt ion ,   a s  w e ll  a s   t he   v o l t a ge   s a g ,   ha rmon ics.   T he  o p e rati on   o f  the   p r op os ed   s yste m   w a s  verifie d   t hr o u g h   s im u l atio ns  w ith  M A TLA B/S i m u l i n k.  F ig ur e  1   sh ow s gene ral  co nfi gur ati o n of  t h e  UPQC – F C  syst e m.          F i gur e 1.  G e n era l  conf igura tion  o f  t he  U P Q C  –   F C  system       2.   T H E COMPREHE NS IVE   THEO RETICAL   B AS IS   2.1.   Mod e lin g  a n d   ch aract eristic s  of FC  stac k   A   fuel  c e ll  i s   a n  elec troc he m i ca l   de vi c e   t hat  c o n v er t s   c he mic a l   e ner g y  int o   e lec t ric a l  ene r g y ,  by   me ans  o f   a   c he m i cal  r e act i o n   i n   a n  elec tro l y t e,   g enera t ing  wa t e r  [1 0],   [1 1 ]   a nd  he a t   a s  w a ste  [ 1 2].  Th er e  ar e   ma ny  ty pes  of  f ue l   ce lls,   di ffe r e n t i ate d   m ai n l y   b y   t he   e lectr o l y t e  used.  A  s c hem a t i c  d i a g ra m  of  a   g ene r i c   f ue l   ce l l   i s  show n  i n   F igure   2.           F i gure  2.  S che m a t ic  d iagra m  of  fuel c el l [10 ]       I n   t he  p r o p o se d  sy s t em ,  a  P E M F C  i n   t he   O h m ic  P olariz at io n  Re g i o n  [13]  i s  used bec ause   t he y  sh ow   ade qua te  o p e r a ti on  c h ar acte r i s t i cs  f or  t he   vol ta ge ,  c u rre n t   a n d   pow er   l e v el s  un der   co n s i d era tio n.   P EMF C   i s   em ergin g   a s  o n e   o f   t h e   m os t  prom isin g  te c h n o l o g i es  w he n  dea l in g   w i t h   t he  r ep lac e m e nt  o f  foss il   f ue l s   f or  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I nt  J  P ow   E l e c  &  Dr i  S y st,   Vol.   10,   N o.   1 ,  Mar c h  2 0 1 9   :     17 8  –   194   18 0 el ec t r i c  p o w e r   g e n erat ion .   T he   f ue l   ce ll   c on si st s  o n   t h e   s t a ck   o f  90 0   e l emen ts  w i t h   a  n o m i n al   p o w er  o f  50  k W  at   a   n o m i n al   v o l t a g e   o f   625   V   w i t h   a  maxi mu m  ef f i c i en cy   o f   55 % .   T he   m a t h e m a ti c a l   m ode l  is  d eve l ope d  in   the   to o l b o x   “ Si m P o w erS y st e m s”   o f  Ma t l ab /  Sim u lin k  [14 ] .  The   PEM FC  i s  p r ef e r re d   op e r a t ed   i n  th e  Oh mi c  r e gi on  beca u s e   of  t he  b e tter   eff i c i e n c y   [ 15] .   O n e   di sa dva nta g e  of  t he   f uel  ce lls  i s  tha t   t he   v o l ta ge   i s  n o t   co n s t a n t  b u t  v ar i e s   w i t h  th e   c u r r e n t  t ak en  f r o m  t h e   c e l l .   The n ,   t h e   use  of   p ow er   e lec t r o n i c s   c on ver t e r s  is  e s s en t i al   t o  i n t erf a ce  the   PE M F C   wi th   t h e   e l e c t ric  sys t em s  r e ga r d less  o f   t he  cel l   oper a t i ng  po i n t.   T he   M C S I   all o w s   t o  ad j u s t   t he   c ur r e n t   t a k en  f r o m   the  c e l l   t o   ge t  as  c l o se  a s   p o ss ib le  t o  th e  zo ne  o f  m a x i mum   eff i c i e n cy  [ 1 6 ] .   The   F C s  ar e  c o n n ec te d  in   s eries  t o   g iv e   suff i c ie n t   D C  vo lta ge,  i t   r esu lts  i n  a   F C   s tac k .   The  FC  s ta c k   c an  b e  m o de led  as  a   c o n t r o lle d  v o l ta ge   s o u r c e  E  in se r ies w ith a  c onstan t   r esista nce   Rfc  as sh o wn  i n  Figure   3.          F i gur e   3.   F u e l  ce ll   s t a ck  m od e l       The  co ntr o l l e d   v o l t a ge  s our ce  ca n  be  r epr e sente d   a s  :    EE  N∙A ∙l n              ( 1 )     a nd  F C   s ta c k   o ut p u t  v o l t a ge  a s     V fc E R fc ∙i fc             (2 )     wh ere  E 0c   i s   the  open  cir c u it  volt a ge,   N   i s  the  nu mbe r   o f  cells  i n  the  sta c k,  A   i s  the  Tafe l  slo p e ,   i 0  i s   t h e   ex ch a n g e   c u rren t   r es ulti ng   f ro m  t h e  con tin u a l   b ack wa rd   a nd   f o r w a r d  f l ow   o f  e l ec t r ons  f r o m   a n d   to  t h e   el ec t r o l yt e   at  n o   l o ad .  R fc   i s  t h e   inter n a l   r e s is tan c e   of the  F C stack.   i fc  is th e  FC  s tac k  cu r ren t  an d   V fc  is th e FC  stac k  vo l t a g e.   T he  T af e l   S lo pe ,   exc h a nge   c ur r e nt   a n d   t he   ope n  c ir cu i t   v ol ta ge  a r e   a ffe cted   by  var i a t i ons   i n   tem p er at ur e  and  par t ial  pr ess u r e s  of   h y d r oge n  and  o x y g e n.     The y  ca n  be   re presen te d as :     E OC K ∙ E n               ( 3 )     i 0 z∙ F∙ kP H2 P O2 R∙ h exp   ∆ G RT                 ( 4 )     A ∙ ∙ ∙                 ( 5 )     wh ere  E n   i s  the   Ne rnst  v o l ta ge ,   t h e   t h e r m o d yna mic s   v ol ta ge   o f  the  ce ll s   a n d   d epe n ds  o n  t h e  tem p era t ur e  and  pa r t i a l  pr e s s u r e s  of  r e actan ts  i ns ide  t h e   stac k  and  is  g i v e n   a s :    E n 0 , 2 2 9 T 298 44,43 z∙F R∙ T z∙ F ln   P H2 ∙P O2 1 2         ( 6 )     wh ere  α   i s  the  c h ar ge  t r a nsfer   coe f fic i e n t ,   w h i c h   d e p e nds  o n   the  t ype   o f   u sed e l ectro de s an d  cata l ys ts.  T  i s   t h e  ope r a ti n g   t em per a t u r e   o f  t h e   ce ll ,   P H2   i s  the  par t i a l   pr essur e   o f  hydr oge n  inside   t he   s tack,   P O2   i s   t h e  p a rt ial  pr essur e   o f   ox yge n  i n s i de  t h e   s ta ck,   F   i s  th e  Bo ltzm a nn’ s   c o ns tan t   ( 1, 3 8   x   1 0- 2 3   j / K ) ,   h   i s  t h e  P l an k’s  c o n s ta nt  ( 6, 62 6  x  1 0 - 34  Js) .   ∆G   i s  the  size  of  t he  a c tiva tio n  ba r r i er ,   w h ic h   depe n d s  o n   t h e   t y pe   o f   e l ectro de  a nd  ca ta l y st  u s e d,   z   i s  the  n u m b er   o f  m oving  elec t r o n s  and  K   i s  t h e   vo lt age  con s ta n t   a t   nomi n a l   oper a t i n g   c o n d it i on.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       U n i f i e d p o w er qu a l i t y  c o n d i t i one r sup p l ie d   by  f u e l  ce ll  syste m  v i a   SEPIC c onve r ter  (Ben ab i d  Sl im a n e)   18 1 The mode lin g of  P EMF C  is  b a sed  o n  t he  ( 1)  ~   ( 6). The exp e r i m e nt a l   m easured  voltage-c urrent   ( V- I )   cha r ac t e ris tic  o f  N e dS tac k   1 00  k W   P EMF C   i s  use d   t o   d r ive   t h e  Ma tla b/Sim u l i n k   m o d el  o f  the   F C   s tac k .  Fi g u r e 4   sho w s t h e V-I an d   P-I ch a r ac t e ri sti c  o f FC  St a ck .           F i gure  4.  T he vo l tage- c urr e nt  and  pow er- c urr e nt c h a rac t eri s ti c   o f   f ue l  cel l stac k       F our  p o i n t s  a r e  t a ke n  o n   t h e   V - I   c urve  f or  d eter mi ni n g   t he   p ar a m e t e r s  E o c , i o , N ,  A  a n d  R f c .   T h e s e   po int s  c orre spo n d t o   c ur rent  a nd   v o l t a ge  at   m a xim u m o p era tin g p oi nt   (Ima x ,  Vmi n   a nd  to   cu rre n t  and   vo lt ag e  at  n om ina l   o pe ra t i ng  po i n t  (Inom ,  V nom) ,   a nd  vo l t a g e  a t   0 A   cur r ent  (E o c )  a nd  v o lta g e   a t   1A   c ur rent  ( V 1 ) .   t h e   FC  st a ck  pa r amet ers ex t r a c t ed  f ro m t h e Ne d s t a c k . Th e   fol l o w ing formula tions are  d erived  f rom   ( 1 ) - ( 2)     1   ∙∙ 0              ( 7 )         ∙∙   0   ∙            ( 8 )         ∙   ∙  0   ∙            ( 9 )     S o lv i ng eq ua ti ons ( 7 )  ~ (9), w e  ge t       ∙                                     ( 1 0 )      1          1              ( 1 1 )     0  1                     ( 12)    The r ef ore,   from   the  four  p o i nts  o n   t he   p ola r i z at ion  c u r v e,  t he   va l u es  o f  Io,  R f c  a n d   N. A  a r e  der i v e d.   The  m a ter i a l   p a r am ete r s  K,  Δ G  and  α  a r e  c a l cu la te d  f oun d e d  o n   t he  p o l ar i z at i o n   cur v e  a t   n om i n a l   oper a tin g  con d i t i on s  s i d e w a ys  w i t h  s o m e   a d d i t i ona l  pa ram e te rs,  suc h   a s  t h e  c o m p o s it io n  of  f ue l  an d  a i r ,   s u ppl y   p r e ssu res a n d   t e mp era t u r es, t h e l o w h eat in g   v a lu e   e f fi c i en cy  o f  the  s t ack etc.  [ 17]- [ 19].    2.2.   Mod e lin g  a n d   ch aract eristic s  of U PQC  The   UPQC  d evic e  c o n t a i n s   a   s er i e s  and  s h u n t   a ct ive  po wer   fil t e r  ( A P F )  w i t h   a   m u t u a l  D C   l i n k   ca paci t o r.  T he   c om p e nsa tio n  ca pa bil i t y   o f  U P Q C   d e v ic e   is  d e t e r m i n ed  b y  th e  d e g r e e   o f   DC  l i nk   vo lta ge s tab i lit y.     2.2. 1.Shun t   a ctive  powe r  fi l t er  The   para lle l  ac tive   p o w e r  fil t e r   ( PA PF)  con t rol  s t r a te g y   i s  ba s e d   o n   t h e   S R F   de tec t i o n  me thod  [ 2 0] .  F i gure   5 sh ow s  t h e   P A P F   strate g y   c o n t ro l.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     17 8 –  19 4   18 2     F i gure   5.  T he  P AP F  stra tegy  c o n t r o l      Thi s   m et h o d   i s   a do pt ed   t o  co mp e n sa t e   h armo n i c  c u rre n t s  an d  re ac t i ve   c ur re nt s  a s   w el l  a s   t o  r e g u l at e   the  c o mm on  d c -link  ca pa ci t o r  vol ta ge.   The   pri n ci p l e  of  t h i s  tec h n i q ue  i s   describe d  be l o w .   T he  t hr ee- pha se   l o a d  c u r r e n t s   i L a ,  i L b  a n d  i L c  a re  t r a nsform ed  from   three  phase s  ( a bc)   reference  f r am e  t o   t w o   phase’s(α-β)   st a tio na ry re f e r enc e  fram e   c urr e nts iα a nd i β  us i n g :     i α i β 2 3 1 1 2 1 2 0 √ 3 2 √ 3 2  i La i Lb i Lc                ( 13)    U s in g  a   P LL,   c os( θ e s t )   a n d   s in(θe s t)  can  b e   ge nera t e d  fr om   t he   ph a s e   vo lt ag e  sou r c e   u sa ,  u s b   and  usc.  T he  i α   and   iβ cur rents e x p r essi on  in (d- q) re f e r ence  fram e  a r e   g i v e n   b y:     i d i q si n θ est  c o s θ es t co s θ es t sinθ est  i α i β                    ( 14)    The   c u rrent  i d  i s   t rans form ed  t o D C  a nd  harm onic  com pon e n ts  u si ng  a  l ow p a ss f i lt e r     i d i q i ̅ d i ̃ d i q                     ( 15)    The   e xpr ession   o f the   re fer e nc e   cur r entiα _re f  a nd iβ _refare   gi v en  b y    i α_r e f i β_r e f sin θ es t  c o s θ est co s θ est s i n θ es t 1 i d i q                 ( 16)    i α_r e f i βr e f sinθ est c o s θ es t c o s θ es t sinθ est  i ̅ d i ̃ d i q           ( 1 7 )     The   c o rrespo n d en t r e fe renc e  curre nts  i n  t he ( abc)  fr a m e   a re giv e n   by:     i a_ ref i b_ r e f i c_ ref 2 3 10 1 2 √ 3 2 1 2 √ 3 2  i α_ r e f i β_ re              ( 18)    F i nal l y,  the  c o m pensa t i o n cur r ents ica ,  i c b a nd  icc  are   gi ve n  b y:     i ca i cb i cc i a_r e f i b_ re f i c_re f i La i Lb i Lc               ( 1 9 )     F o r  re gula t i n g   t h e  D C   lin k   v o l t a ge  U dc,   an d  c o m p e n s a ti n g   t he   i n ve rter  l osses,  a   p r o port i on a l   in t e gral (P I )  volta ge c o n tr ol ler is use d. The c on tro l  lo o p  be   m ade   u p  o f the   com p ar i s o n   b e t ween t he  m e a sur e d   vo lta ge  ( U d c 1 +U dc 2)a n d  t h e   refere nce   vol ta ge  U dc_re f .   The   l o o p   ge nera t e s  c o rresp on d i ng  c u rrent  I dc _r ef  a s  gi ve n by :     I dC_re f K P ∙∆ U DC K I ∆U DC ∙d t             ( 20)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       U n i f i e d p o w er qu a l i t y  c o n d i t i one r sup p l ie d   by  f u e l  ce ll  syste m  v i a   SEPIC c onve r ter  (Ben ab i d  Sl im a n e)   18 3 2 . 2 . 2 . Shu nt  Ac t i v e Pow e r Fi l t er  The   c o n t r o l   s t r a teg y   u sed  to  e xtrac t   t he  r e f ere n ce   v o l tage s  of  se ries  a c t i v e  p o wer  fil t er   ( S A PF)  i s   base d  on t h e  PQ  me t ho d  [21].   Series  activ e  p o w e r  filte r stra t e g y co ntr o l,  a s  show n  i n  F ig u r e   6.          F i gure   6.  S e r ies  acti v e  pow er  f i l t e r  stra t e g y con t ro l       The  gri d  three - pha se  v o lta ge s ourc e   i s  assum e d to be   s y mmetric   an d  no t   d i st orted     ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ ∑ √ 2   ∞ 1 ∑ √ 2   2 3  ∞ 1 ∑ √ 2   2 3  ∞ 1 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤           ( 2 1 )     Whe r e  Un  and  θ n  ar e  r espec t i v e l y  the   roo t  me a n sq uar e  (rms) vol tage  a n d   i ni t i a l p h ase   an gle,   n  i s   the harm oni c  order.   W h en  n=1 ,   it m e a n s  thr e e - phase  f un da m e ntal  v o l tage  source :        ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ √ 2 1    1 √ 2 1     2 3  1 √ 2 1     2 3  1 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤            ( 2 2 )     F r om  ( 22) is  t r ansform e d  i n t o (α- β) refe r e n c e   f ra me     32    √ 3 ∑    ∞ 1 ∑     ∞ 1           ( 2 3 )     32 2 3 1 1 2 1 2 0 √ 3 2 √ 3 2                ( 24)     The  thr ee- phas e   p os it ive   fund a m e n t a l cur r ent te mpl a te  i s  co ns tr ucte d  as:     2 3       2 3    2 3              ( 2 5 )     F r om  ( 25) is  t r ansform e d  t o ( α-β) re fer e nce   fram e      32                     ( 2 6 )     Acc o rdi n g   to t he  i n s ta n t ane o u s   r ea cti v e po we r the o ry [22 ] ,  the n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     17 8 –  19 4   18 4                    ( 2 7 )     Whe r e  A C   a nd  D C  com pon e n t s   a re  incl u d e d                     ( 2 8 )     Whe r e  p an d  q ar e  p a ssed thro ug h  low   pass-fil t er  ( LPF )   a nd D C  c ompone n t   i s  g o tte n by     √ 3 1     1 1    1              ( 2 9 )     A c c o rdi n g   to  R ef.   [24] ,  t r ansform a ti o n  is m a de                       ( 3 0 )     The  D C   c om p one n t s  of    a nd                          ( 3 1 )     The  fu n d am en t a l vo l t ag es  i n( α-β)  refere nce fr am e are:       1             ( 3 2 )     The  thr ee- phas e   f un dam e n t al  v o l tage s  are   spec i f i e d by     u af u bf u c f C 23 u αf u βf √ 2 U 1 si n   ω t θ 1 si n   ω t θ 1 2π 3 si n   ω t θ 1 2π 3           ( 3 3 )     Whe r e    C  ⎣ ⎢ ⎢ ⎡ 10 1 2 √ 3 2 1 2 √ 3 2 ⎦ ⎥ ⎥ ⎤                ( 34)    2.3.   D C   Lin k   V ol t age C on trol   I t   i s  ass u m e d  t h at  t he   D C  b u s   i s  not  c on ne c t e d   t o  a ny  ba tter y   s t o r a ge  s yste m.   T he refo r e ,   the  t o ta l   ene r g y   n ee de d   for  c o mpe n sa tin g  a  sa g  v o l t a g e  ma y  d i sc harge   t h e  D C   c a p aci t o r.  T his  ene r gy  s h o u ld  b e  con s um ed  f r o m  the   A C   g rid   thro ug h  the   p a r a ll e l   A P F   by  c o n t rol l i ng  th e   signa l  Ic, l os  o r  ID C  a p p r op riate l y .   Ho we v e r,  t h e   D C   bu s  vol t a ge   c on t r o l l e r  go v e rn s  t h e  powe r   P DC_ r e f  tha t   i s  t h e  i m age   of  t he  c ur rent   I c ,   lo s  F i gure   7.          F i gure  7.  D irect   c urr e nt b us c on t r o l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       U n i f i e d p o w er qu a l i t y  c o n d i t i one r sup p l ie d   by  f u e l  ce ll  syste m  v i a   SEPIC c onve r ter  (Ben ab i d  Sl im a n e)   18 5 The   D C   b u s   v olta ge   p asses   t h ro ug h  a   P I   c ontr o l l er  a n d   t h e n  it   i s  a dde d  t o   t he   o sc i l la ti ng   p ow er   o r   curr ent  tha t   c al cula te d  in   t he  s hu n t   A P F   c ont rol  a l g o ri t h m  as  s ho wn   i n   Figu re  5 .  Le t  t h e  v o lt a g e  erro r  ΔVDC   betwee n the  refere nce  DC bu s  vo lta ge  a n d  m ea sured  DC   capa c i t o rs  vo l ta ge  b e de fi ned,   a s  follow s   [ 2 3 ] :    ∆                    ( 3 5 )     Adj u s tin g  t h e  gai n s  of   P I  com p ensa tors,  a  fa st   t ra ck in g   a nd  z e r o  s t e a dy  s t a t e   error s   c an  b e  ach ie ve d.  The  v o lta ge  e rror  h as be e n r e g u la te d  by a  P I  con tro l ler,  then ,   we h av e:      _   ∆   ∆               ( 36)    2.4.   SEPIC  co nv erter mo del ling   A FCS i s   i nt egra t e d   with   S EPIC, wh i c h   c hop s   th e   D C  i np ut   t o   t h e  des ire d  ou t put  v o ltage . The p ow er   circ u i t  of t he  S EP IC is show n   in F igure  7. S ing l e - en de d pri m ary  i n d u c t a n ce  conver t e r ,   a s   s h o w n  i n F i g u re  8.           F i gur e 8.  S i n g l e - ende d  prima r y in d u cta n c e   c on verte r       The   con v erte r  ou tpu t   v o lta ge   i s  c o n t ro l l ed  b y  con t ro lli ng  t h e  d u t y  r a tio  o f  the  sw itc h  1   t ha t   c a n  be   st e ppe d up /d o w n. In thi s  pr o pos ed  t o p o l o gy,   t he   S EP IC  i s desi gn e d   f or  a n  o u t p ut  vo l t a ge vary i ng  fro m  (V D C   -ΔV D C :  V DC  + ΔVDC).      2.5.   Prop osed   m e t h o d   or  mod el  A s   t he   p re sen t   s ys t e m  i s   d es igne d  for   ut iliz i ng  t h e  FC  g e n e r ato r  for  c o ntr o lli n g   t he  D C  vol ta ge   o f  the  U P Q C ,   S E P I C  conve r t er  i s  use d   t o  m a i n ta i n   t he   D C  v o l t a g e  at   t he  r e q u i re d  leve l.  A   P I  c ont r o lle r  is  u sed   for  c o n t ro ll ing   the   S E PIC  ou tp u t   v o l tage.   Whe r e by  t h e r e  is  a ny   cha n ge   i n  t h e  D C   l in k  v o lta ge,  t h e  S E PI C  con v er t e r  w ill i n je c t   t he  d iffe r e nce   be tw ee n  the  refere nce  a nd  th e   m e a s ure d   v olta g e (ΔV D C)   a nd  if  t he re  i s  n o   cha nge   i n  m e a s ur ed  V D C   v o lta ge ,  t h e   P I   c on tro l ler  adj u s t s  the   d u t y  cyc l e   ac cord i n gl y  and  ma in tai n s  V D C  con s ta n t   a cros s  t h e   c a p a c i t or .  In  t his  case ,   t he   o u t pu t  S E P I C  v olta ge  h as  t he   s am e  v o l t a g e  as  t he   D C   l i n k   vo lta ge  t ha t  m e a n s  t h er e  is  n o  exc h a nge  b e t w e en  t he  S EP IC  c o nve rt er  a n d   t h e  UPQC   D C   li nk   cap aci t o r.   There f ore ,   t he   F C  gener a t o r   w ill  be  i n  s t a n d b y   m od e .   T he  M A TLA B   S imuli n k  i m p l em enta ti on  o f   S EPIC  con v er t e r  w i t h   c lo se d l o op c o n t r o l  i s   s how n  in F ig ure   9.           F i gure  9. F uel c e ll s y stem  u ni t e s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     17 8 –  19 4   18 6 3.   RESULT S   A N D   ANALY S IS   To  i l l us t r ate  t h e  capa b il i t y  of  t he  U P Q C-F C   f or   v ol t a g e   s ag  m it i g a t i on,   a   t hre e -ph a se   s ys t e m  is  con s i d ere d .  T h e   pr op ose d   U P Q C-P C   m ode l   is   s imu l a t e d   b y  MA TLA B   S imul i n k   is  s h o w n  i n   F i g ure  10,  t o  com p en sate  s e v er al  s a g   v o l t a ge  d ee ps  59% ,  79 %   a nd  9 9 %   a cc ordi ng   t o  the  reference  vol t a g e  ( 2 2 0 V ) .  The  to t a l   si m u la ti on  peri o d   i s  2 s .   In  M A T L A B   Sim u li nk  th e  series  p a rt  o f  t h e  U P Q C   i s  simula te d  t o   b e  in   opera tio n  on l y   w hen   t h e  s u p p ly  v ol ta ge  d i ffers  f r o m  its   nom ina l   v a l ue  ( 2 2 0V ) .   W h e n  the   Fue l   C e lle   S y s tem   (F CS )  gener a te s  exce ssi ve   p o w e r ,  the  sh un t   pa rt  o f  t h e  U P Q C   w i l l   op era t e   to   i nj e c t   thi s   p o w er  i nt o  g r id .  The  si m u lat i on par a m e ters  o f the  pro pose d  sys te m   are  show n Table   1  o n   A ppe nd i x .          F i gure  1 0 . S yst e m  syno ptic  s chem e      A s   p r e sente d   i n  F i g u re   11  th r ee  diff ere n t   sa g  vol ta ge   d ee p s   a r e   a ppl ied  d u ri ng  t h e  pe r i o d   1 s  –  1.6 s   at  t he  s our ce  si de.   The s e  sa gs   a re   a pp li e d   i n   the  ca se   w he n  the   U P Q C  is  s t a nda l one  i s  sh ow n  in  F i g ure  11( a)  and  F i g u re  11( b)  p resents t h e  ca se w he n the  U P Q C  is supp l i ed b y  F C S .           F i gur e 1 1 .   S ource  vol t a ge  ( a) U P Q C  st a nda l one,  (b)  UP Q C   s upp l i e d by  F C  sys tem   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       U n i f i e d p o w er qu a l i t y  c o n d i t i one r sup p l ie d   by  f u e l  ce ll  syste m  v i a   SEPIC c onve r ter  (Ben ab i d  Sl im a n e)   18 7 The   loa d   v o l t a ges  a r e  sh ow n  in  F ig ur e  12.  F rom   the  sim u l a ti on  r es ults,  it  is  o bserve d  t h at  t he  l oa d   vo lta ge s  ar e  u n a f fe cte d   by  the   v o lta ge  v a r i a ti o n   i n  the  c a s e  w h en  t he   U P Q C  i s   f ee ded   by  F C S   is  s h o w n   i n   F i gure   1 2 (b) .   A lmost  th e   sa m e   r e s ul ts  a re   f o r   t he  c a s e  w h en  t he   U PQC  wo r k s  witho u t  FCS  u n l ess  the  case  o f   99 % of t he  vol tage  sa g   i s  sho w n  in F i g ure 1 2 ( a).          (a)         (b)    F i gure   1 2 .  Load  vol tage  (a )  U P Q C standa l o n e ,   ( b ) U P Q C  sup p l ie d  by F C   system      The   Fig u re  13  pr esen ts  t h e   U PQ C   inje cte d   v o l tage s  for  t h ree   sa g   d egre e s   ( 59%,   79%  a nd  99%)   for  the  U P Q C   o pe ra t i on  w h e n   t h e   F CS   i s  conne cted  o r  no t .   A s  c a n  be  seen  f r o m  these  re su l t s ,  the  UPQC-FC S   i s  able   t o   pro d u c e   t h e   re q u i r e d  vol tage   c o m po nen t s   f o r  di ffe r e n t  c a s es  r ap i d ly  i s   s how n  i n   F i gure  1 3 (a ).  T he   F i gure   1 3 (b)  s h ow s  the   sam e   r esul ts  u n l e s s  for  t h e   ca se  o f   9 9 %  th e   UPQC   i s  h a rdly   i nj ec t e d  t h e  n e cessa ry   vo lta ge t o c o m p e n sate t ha t  vo l t a g e   sag.           F i gure   1 3 .   Injec t ed v o l t a ge  ( a)  U P Q C  sup p li ed  by F C   s yste m , (b)   U P Q C  st a n da lo ne   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.