Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol .   6 ,  No . 2,  J une   2 0 1 5 ,  pp . 26 8~ 27 3   I S SN : 208 8-8 6 9 4           2 68     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  T Source Inverter Based Shunt Ac tive Filter with LCL Passive  Filter f o r th e 415V 50 Hz Distribu tion Sys t e ms       S. Sellakum ar *,  M.  Vi jayak u mar **  *Departm ent  of  Ele c tri cal  and  E l ectron i cs  Eng i ne ering,  J e ppi aar  E ngineer ing Col l e g e, Ch enna i,  Ind i a   **Jawaharlal Nehru Tec hnological Univ ersity   (JNTU), Anantpur , India      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Nov 7, 2014  Rev i sed   Feb 9, 20 15  Accepte Mar 2, 2015      The inver t er to polog y  is  be in g us ed as  an act ive fil t er to  reduce th e   harm onics  in th e power s y s t em . Th e tr aditional voltag e  source or curr en source inverters are having th e disadvant ag es of limited output voltage rang hence it may  n o t be  able to su pply  enough  co mpensating curr ents during   heav y s w it chin g s u rges , Vuln erabl e  to  EM nois e  and  th devic e s  get s   damaged in  eith er open  or short cir c uit conditio ns and th e main  switching   devic e  of VS an d CS I are  not  int e rchang eab le.  T h e a c tiv e f ilt ers   are  the  t y pe   of DC-AC  sy stem with wide range of  voltage r e gulation and in tegration of  energ y  stor ages  is often  requir e d .  Th is cannot b e   achieved with  convention a inverters and hence the impedan ce sour ce inver t ers have been suggested. Th T source inver t ers are basically impe dance sou r ce  inverters which can b e   us ed as  an a c tiv e fil t er in  the p o wer s y s t em . T h e M A TLAB s i m u lation i s   done and  the r e sults ar e discu ssed in th is paper for bo th  th e ty p e s.  The  proposed dampening s y stem is fully   char acterized b y   LCL bas e d passive  filters and  T sou r ce  invert er b a sed shunt  activ e f i l t er. Th e disturb a nces in  the  supply  voltage and load current  due to  the non linear lo ads are observed in   the simulation .  The same is st udied after con n ecting the designed h y brid   shunt active f ilter in the distribu tion  s y stem. The  simulation results obtained  from the propos ed method prov es that it giv e comparativ ely  b e tter THD   value. Keyword:  Distribution sy ste m   Hyb r i d  shu n t  activ e filter   Shunt active fil t ers  Tot a l  ha rm oni c di st o r t i o n   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r S. Sellakum a r,    Depa rtem ent of Electrical a n d  El ect ro ni cs E n gi nee r i n g,   Jeppiaar E n gineering Colle ge,  R a ji Ga nd hi  s a l a i ,  C h en nai   - 6 0 3 2 1 0 ,  Tam i lnad u,  I n di a.   Em a il: sellak u m arin @g m a il.co m       1.   INTRODUCTION   Th Harm o n i c in  th d i stribu tio n system   are lead s t o   po or  p o wer quality p r o b l em s.  W ith  t h p r o liferation   o f  n on-lin ear l o ad s in  i n du strial  ap p lica tion s  an d   frequ en t switch i n g   o f  l o ads in  th d i stribu tio syste m s, the com p ensation  of ha rm oni c and reactive powe r is becom i ng in creasi ngly concerne d. T h e passive   filters h a v e  b e en  wi d e ly u s ed  b ecau s of th eir low co st. Howev e r,  th e p e rform a n ces  o f  su ch  filters  are not   sensitive to the variation  of  reactive  power for t h e r ealiz ation of better  powe f actor. He nce the  usage  of  activ e filters yi eld s  th e effectiv e and   d y n a m i c co m p en sa tion   with  t h v a ri atio n   o f  th e curren wh ich cann o t  be  carried out  with passi ve  filters.  The c o mpensation of  harm onic a n reactive  power ca n be ac hieve d   dynam i cally in  the case of  SAF. T h e re sea r ch in t h is  fi el d has  bee n  d o n e f o r m a ny  years an d re sea r che r s   pr o pose d  se ve ral  m e t hods  o f  im pro v i n g T HD  val u u p   t o  5%  by  el i m i n at i ng ha rm oni cs sel ect i v e l y  or  redu cing  it  b y   u s ing   d i fferen t filterin g  techniq u e s in   t h e activ e filters. The con tin uou po wer  flow m e t h od  is  im pl em ent e d i n  ST ATC O M   and  TC SC  as t h ei r c ont rol  st r a t e gy  t o  i m pro v e t h p o we r s y st em  phen o m e no an d   vo ltag e  st ab ility [1 -4 ].  A non -lin ear fu n c tion   b a sed   clo s ed  l o op  con t ro l strateg y   (withou t lo ad  cu rren ex traction )  fo r th ree-p h a se SAF with  LC passiv e  f ilter to  en h a n ce th e q u a lity o f  power b y  redu cin g  t h Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   268  –  2 73  2 69  h a rm o n i cs [5 ]. Th Referen c es  p a p e rs  h a v e   rep o rted field test resu lts of act iv e filters  in tend ed   for  in stallatio n   o n  d i stri b u t i o n syste m s. Th activ e filter is  ch aracteri zed   t o  b e h a v e   lik e a  resistor for harm o n i frequen c ies.  Th e propo sed  d i stribu tio n  sy ste m  co n s ists o f  th ree  d i st ributio n  lin es, in stallin g  th e activ e filter o n  th e en d   b u of eac h l i n e i s   effect i v e i n  ha r m oni c dam p i ng. T h po we factor,  reactive  powe r flow, t h e voltage and c u rrent  v a riation s   d u e   to  an non  lin ear lo ad s are  o b serv ed   u s in g   power  qu ality  m e ter and  the same is v e rified   in  th sim u l a t i on. Th e pr op ose d  s h unt  act i v e fi l t er co nsi s t s  o f  a t h ree p h as e pwm  i nvert er w o r k base d o n   instantane ous  powe r the o ry  and yields bet t er res u lts for source c u rre nt THD, reacti v power  and powe factor.       2.    IN STAN TANEOU P-Q THEORY   [ C ON TR OL STRA TEGY]   The insta n tane ous  p-q the o ry has bee n  used in ac tive filters to determ ine  the instanta neous reactive   p o wer th at h a s to  b e  co m p en sated  i n  activ e filters [2 ]-[3 ] In  t h is meth od , th In stan tan e ou real an im agi n ary  p o w e rs ha ve fi rst  b een de fi ne d i n   t h e t i m e   dom ain. Let  t h e t h ree  phase  v o l t a ges  are sense d  at   poi nt   of c o m m on coupl i n g an d de not e d  as ea, eb an d ec. The  l o ad side c u rre n ts are iaL, ibL and icL. T h e three  p h a se vo ltag e s an d  load  cu rren t s can   b e  tr an sfo r m e d  in to   th eir  or tho gonal co  o r d i n a te  eq u i v a len t s as  g i v e n   bel o w.     e 2 3 e 1 2 e 1 2 e   e 2 3 3 2 e 3 2 e   e 2 3 1 2 e 1 2 e 1 2 e   i _  2 3 i  1 2 i  1 2 i    i _  2 3 3 2 i  3 2 i    i _  2 3 1 2 i  1 2 i  1 2 i      The  α - β -0  is a th ree d i m e n s io n a l statio nary  fram e  o f  referen ce  wh ere as th e vo ltag e  an d  cu rren space vectors are  rotating vectors.  T h tw o instantane ous real  powe p0 and  p αβ , an d a n  in s t an ta n e ou im aginary power  q αβ  i n  t h ree   pha se f o ur  wi r e  sy st em  are de fi ne wi t h  re sp ect  t o  l o a d  si de  an gi ve bel o w,     p _  e i    p  _   e i  e i    q  _   e i  e i      The syste m  lo ad curre n ts in  α - β -0 co o r di nat e  sy st em  can al so be det e rm i n ed usi n g  abo v e equat i ons  by   fo rm i ng m a t r i x  a n d  t a ki n g  i nve rse t r ans f or m .  The refe re n ce p o we rs a r assi gne d t o  t h e  Loa d   In st ant a neo u s   Po wers  as  foll ows ,     p  p _    p  p _     q   q  _      The c o m p ensa ting c u rrents i n   α - β -0 re fere nce fram e can be calc u lated by using the  refe rence powers   m e nt i oned  i n  t h e a b o v e e q uat i ons  an d a r gi ven  bel o w ,     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       T Sou rce  In verter Ba sed   Sh unt Active Filter with  LCL Pa ssive Filter fo r the 41 5V  5 0  Hz  … (S S e lla kuma r)  27 0 i _ p e  i    i _  e e  .p   e e  .q    i _  e e  .p   e e  .q      Whe r e,   e  e e   The sam e  can  be calculate d i n  a   b   c  refe rence  f r am e usi ng  f o l l o wi ng  e x p r essi ons ,     i  0 . 5 7 i _ 0 . 8 2 i _   i  0 . 5 7 i _ 0 . 4 1∙i _ 0 .707 i _   i  0 .577 i 0 . 4 1∙ i 0 .707 i _     Fin a lly th e resu ltan t  so urce cu rren ts are ob t a in ed   b y  ad d i ng  th e co mp e n s a tin g  cu rr en ts   with  th e lo ad  cu rren ts  as fo llo ws,    i _ i  i    i _  i  i    i _ i  i      Th is t h eory is  i m p l e m en ted  to   p r od u c e gate pu lses  fo r t h e T sou r ce inv e rter  b a sed  shun t activ filters. Th LC L passi ve fi l t e r al so co nne ct ed i n  t h di st ri b u t i on sy st e m  at  PC C .  A non l i n ea r l o a d   of  rect i f i e rs s u ppl y i n g   p o wer fo d i fferen t lo ad s is con n ected  to  the  syste m . Th e same is si m u la ted  in  th e M A TLAB and  th d i ag ra i s  gi ve bel o w.       3.   T SOURCE INVE RTER  Th e aim o f  th is work  is to  sho w  th p o s sib ility o f  realizati o n   o f  SAF u s i n g  T So urce inv e rter sim ilar  t o  Z-s o urce i n vert er  b u t  wi t h  u s e o f  hi g h   fre que ncy   transform e r with  lo w leak ag e inducta nce. T h e o retical  analysis as we ll sim u lation and  experim e ntal results are  s h own  in  t h is pap e r. Th e id ea h e re is to   u s e th is T  so urce i n v e rter in stead  of  vo ltag e  so urce  in v e rter as  an activ e filter in  th d i stribu t i o n  system . Th e two  pos si bl e c o nfi g u r at i o ns a r e s h o w n i n  Fi gu r e  1  a a n d   b.  T h num ber  o f   passi ve  el em ent s   used  i n  T  sou r ce   inve rter less c o m p ared to Z - source inve rter. The s h oot  through state of  s o urce c u rr en t i s  well h a n d l ed in  T   sou r ce i n ve rt er  com p ared t o   Z t y pe. The  pe rf orm a nce of  T-S o u r ce i n ver t er base d S A i s  obse r ve fr o m  t h MATLAB  simu latio n ,  th e resu lts are  g i v e n belo w.          (a)     (b )     Fi gu re  1 T h e t w o  p o ssi bl e co nfi g u r at i o n s ;  a  and  b  eq ui val e nt  ci rc ui t s  o f  T  So ur ce               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   268  –  2 73  2 71  4.   LCL FILTER  Th e LCL filter as Fig u re 2   has co mm o n l b een   u s ed  to  giv e  a b e tter smo o t h i ng  of ou t p u t  cu rren ts  fr om  a vol t a ge  so urce   based   con v e r t e rs c o m p ared t o  ot he r L  an LC  fi l t ers.  A  l o t   of  re search   has  bee n   do ne   in  th e ap p licatio n s  of LCL  filters with   g r i d -co n n ected  inv e rters an d   PWM b a sed rectifiers m a in ly d u e  to  its  ab ility  to   m i n i mize  th e h a rmo n i cs inj ected   in to  th e g r i d  [6 ]-[7 ]. Th e investig atio n s  on   LCL filter n o w h a v e   foc u se d on fundam ental curre nt track i ng a n d  reso na nce da m p i ng fo r m o st l y  sim p l e  gri d  con n ect ed i n v e rt ers   an d   rectifiers. Th e reson a n c e freq u e n c y of LCL filter is  u s u a lly tu n e d  to  b e  at least ten  ti m e s o f  the  fu n d am ent a l  li ne f r e que ncy  f o r  t h e a b o v e m e nt i one d  ap pl i cat i ons.   It  i s  t h e r e f o r not  di f f i c ul t  t o   sim u l t a neousl y  achi e ve t h desi re d co nt r o l  ob ject i v es at  fu ndam e nt al  fre que ncy  usi ng e x i s t i ng c ont rol   tech n i qu es. The Mod e l,  Design  criteria and   perfo r m a n ce of  LCL filter is  d i scu ssed  i n  th e feren ces [6 ] and [7 ].             Fig u re  2 .  LCL  Equ i v a len t  ci rcu it of LCL  filter      5.   SIMULINK MO DEL  OF  PROP OSE D  SYSTE M   Th h ybrid  shu n t  activ e filter con s ists  o f  LCL p a ssi v e  filt er and  im p e d a n ce [T co nn ected ]  sou r ce  in v e rter b a sed   activ e filter. Th e switch i n g   pu lses fo th e activ e filter are p r o d u c ed  u s ing  in stan tan e ous p - th eory b a sed  co n t ro ller. Th p o wer q u ality  p a ram e ters  su ch  as sou r ce curren t THD,  p o wer factor and  reactiv po we r re qui re m e nt s are ob s e rve d  by  M A TLAB  si m u l a ti on a nd t a b u l a t e d. The  val u e s  of t h em  pro v e t h e   effectiness  of  HSAF, as Fi gure  3.        Fi gu re 3.   Si m u l i nk  M odel  of  DS wi t h  SA F       6.   SIMULINK  MODEL OF  T SOURCE B A SED  SHUNT ACTIVE FILTER [SUB SYSTEM 1]   Fig u re  4  sho w s T Sou r ce  b a sed  sh un t activ e filter.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       T Sou rce  In verter Ba sed   Sh unt Active Filter with  LCL Pa ssive Filter fo r the 41 5V  5 0  Hz  … (S S e lla kuma r)  27 2   Fig u re  4 .  T Sou r ce Based Shu n t   Activ Filter       7.   R E SU LTS AN D ANA LY SIS  The FFT a n al ysis is done a n d the s o urce   curren t THD o f  d i d t ribu tio syste m   with ou and  with  HSAF is gi ve n as Figure 5  and  Figu re 6. The other power  quality  para meters such as reactive powe r  and  powe r fact or are also im prove d         Fig u re  5 .  So urce Cu rren t THD  with ou HSAF      Figu re  6.  S o u r ce Cur r e n t TH with  HS AF       8.   CO NCL USI O N   The  powe r qua lity param e ters suc h  as  powe r fact or,  reactive powe r a n d source c u rre nt THD of three   pha se 4 4 0 V  5 0 Hz  di st ri b u t i on sy st em  wi th n on l i n ea r l o ad s ha ve bee n  o b ser v e d  by  M A TLAB  si m u l a t i o n .   They are  ve ry  m u ch above t h eir standard  va lues. T h e sa m e  ha ve been  obs e rve d   with T  s o urce inve rter  base d   HSAF and  power  qu ality v a lu es fou n d  t o   b e   with in  t h eir stand a rd s. Th e so urce cu rren t  THD  h a b een  red u ce d fr om   28 .1 % t o  4. 86 %, t h e react i v e po wer re q u i r em ent  has bee n  red u ce d f r o m  358 0V AR  t o  2 4 7 0   VAR  an d t h po we r fact or i m prove d fr om  0.2 6  t o  0. 7 2 The ab ov e res u l t s  sho w  t h at  t h e T sou r ce i nve rt er  b a sed   h y b r i d  sh un t activ e filter co nn ected to th d i stribu tion  system  i m p r o v e s th e qu ality o f  po wer.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   268  –  2 73  2 73  REFERE NC ES   [1]   Murat Kale, En gin O ¨   zdem ir,  “Harm onic and  reactive  power com p ensation with shunt active power filter under   non-ideal mains voltage”,  Journ a l of Ele c tric  P o wer  Systems Research, EL SE V I ER,  74 (2005)  363–370, March  2005.  [2]   Em ílio F. Couto ,  Júlio S. Mart ins, João  L. Afonso, “Sim ulation  Results of a Shunt  Active Power Fi lter  with Con t rol   Based on p- q Th eor y ”, Internatio nal  confer ence  o n  renew a ble en ergies and  power   qualities,2003   [3]   Ali I. Maswood, and Fangrui  Liu,  “A Unity - Po wer-Factor Con v erter Us ing th e S y nchronous-R eferen ce-Frame- Based H y steresis Current Contr o l”, in  I EEE Transactions on I ndustry Applications,  Vol. 43 , N o . 2, March/Apr i 2007.  [4]   Haniy e h Maref a tjou and Moha mmad  Sarvi, “Power Flow Stud y  and  Pe rformanc e  of ST AT COM a nd T C SC  in  Improvement Voltag e  Stability   and Loadab il i t y  Am plification  in Power Sy ste m ”, in  International Journal Of  Applied  Pow e Engine ering ( I J APE) , Vol 2 No  1, 2013  pages  15 -26  [5]   Arivarasu A, Muthukumar K and Balasubraman ian R, “Clo sed Loop Non Linear Control of Shunt H y brid Power  Filter for  Harm onics Mitig ation  i n  Industrial  Dist ribution S y stem ” in  In ternation a l Journal o f  Power Electronics  and Drive S y stems ( I JPEDS) , Vol 5 No  2, 2014  pages 185-194   [6]   Yi Tang, Poh Ch iang Loh ,  Peng  Wang, Fook Hoong Choo, Fe ng  Gao, and Fred Blaabjerg, “Generalized D e sign  of   High Perform ance Shunt Act i v e  Power Filter   With Output L C L Filter , in  I E EE Transactio ns on Industrial  Electronics , Vol. 59, No. 3 ,  Mar c h 2012   [7]   Qian Liu,  Li Pen g , Yong Kang , S h iy i ng Tang, Deliang Wu, and Y u  Qi, “A  Novel  Design and Op timization  Metho d   of an LCL Filt er  for a Shunt  Acti ve Power Filter”, in  IEEE Transactions on  Industrial Electronics , Vol. 61, No. 8,  August 2014      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS         S.  Se llakumar  was born in Tam ilnadu India ,  on June  25, 1978. He receiv e d the  B.E (with firs t   class) from Uni v ersity  o f  Madras, M.E (First  class with honors) from  Sath y a bama University Currently  h e  is  doing resear ch in harmonics in   the power s y s t em due to non-linear lo ads and   working as  As s i s t ant P r ofes s o r i n  J e ppia a r Eng i neering  Coll ege ,  Chenna i,  India .  His  res ear ch  inter e s t s  inc l ude   power el ec tronic s , ac tiv e fi lt ering ,  and  con t rol  s y s t em s .        M .  Vijay a kumar , Graduated f r om NB KR Inst itute of  Science and Technol og y ,  Vid y anagar,  A.P, India 1988. He obtained  M. Tech Degree from Regional Engi neering College, Warangal,  India  in 1990.  He receiv ed Do ctoral Degr ee fr om  JNT University  H y d e rab a d,  India  in 2000. 1  Ph.D is awarded under his guidan ce  and guiding 6 Ph.Ds at present. He  is the recipien t of  “Pandit Madan Mohan Malaviya” me m o rial pri ze. Curr entl y he  is  the Director ,  foreign affai r and alumini matters of JNTU An antapur  University , Anan tapur     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.