I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 8 ,   p p .   114 ~ 125   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v 9 . i 1 . pp 1 1 4 - 125          114       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   Desig n of  O pti m a l LLCL  F il ter  w ith  a n I m pro v ed C o ntrol  Strategy  f o r Si ng le P ha se  G rid  Con nected  P V  Inv ert er       K.   Arul k u m a r 1 ,   D.   Vij a y a k u m a r 2 ,   K .   P a la nis a m y 3   1 De p a rtme n o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   M a d a n a p a ll e   In stit u te  o f   T e c h n o lo g y   a n d   S c ien c e ,   M a d a n a p a ll e ,   In d ia   2, 3 S c h o o o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   V IT   Un iv e rsity ,   V e ll o re ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 2 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J an   1 0 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   J an   1 5 ,   2 0 1 8       T h e   th ird   o r d e L L C L   f il ter  is  g a in in g   m o re   a tt ra c ti v e   in   g rid   c o n n e c ted   P in v e rter  in   term s   o f   m a teria c o st   sa v in g   th a n   L C L   f il ter.  S e v e r a a c ti v e   a n d   p a ss iv e   d a m p in g   tec h n iq u e p re v a il   in   m it ig a ti n g   th e   re so n a n c e   p r o b lem   f o r   mai n tain in g   t h e   g rid   p o w e q u a li ty   sta n d a rd s.  In   t h is  p a p e a n   im p ro v e d   p a ss iv e   d a m p in g   is   e x a m in e d   with   re d u c ti o n   o f   p o w e lo ss   f o th e   LL C f il ter.  P a rti c u larly ,   it   re d u c e th e   s w it c h in g   rip p le  m u c h   b e tt e th a n   L CL  f il ter,  w it h   a   d e c re a se   in   v o lu m e   o f   th e   i n d u c tan c e .   T h e   f il ter  d e sig n   is  a lso   d e v e lo p e d   f o th e   o p e ra ti o n   o f   stiff   g rid .   M a th e m a ti c a o p e ra ti o n a n d   tran sf e f u n c ti o n   a re   d e riv e d   w it h   f re q u e n c y   re sp o n se   f o th e   a c c u ra c y   o f   th e   f il ter  d e sig n .   In   a d d it io n ,   c o m p a ra ti v e   a n a l y sis  o f   p a ss iv e   a n d   im p ro v e d   p a ss iv e   d a m p in g   c o n tro l   is  p ro p o se d .   T h e   c o n tro l   stra teg y   is  im p ro v e d   w it h   f e e d b a c k   li n e a riza ti o n   in   o rd e to   a v o id   th e   g li tch e in   in v e rter   c o n tro a n d   is  v e ri f ied   w it h   p ro t o ty p e   g rid   c o n n e c ted   P V   in v e rter.   K ey w o r d :   Da m p in g   lo s s   Feed b ac k   lin ea r izatio n     Gr id   P in v er ter   L L C L   F ilter   Co p y rig h ©   201 In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   K. A r u lk u m ar ,     Dep ar te m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g ,   Ma d an ap alle  I n s ti tu te  o f   tech n o lo g y   an d   s cie n ce ,   Ma d an ap alle,   5 1 7   3 2 5 ,   A n d h r ap r ad esh ,   I n d ia   E m ail:  k ar u leee @ g m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   W ith   t h i n cr ea s i n   d is tr ib u ted   p o w er   g e n er atio n   s y s te m s   ( DP Gs)  it  h as  b ec o m m a n d ato r y   to   s u p p l y   e x ce s s   p o w er   to   th ex is t in g   g r id   w it h   th s ta n d ar d   g r id   co d es  [ 1 ] .   Fig u r 1 .   s h o w s   t h g e n er ic   s tr u ct u r o f   s i n g le  p h a s g r id   co n n ec ted   P i n v er ter   w it h   c o n tr o lled   L C L   f ilter   d esi g n .   T h i n ter co n n ec tio n   b et w ee n   DC   co n v er ter   an d   i n v er ter   is   o p er ated   b y   d c - l in k   ca p ac ito r .           Fig u r 1 .   C o n tr o l stru ct u r o f   s in g le  p h a s g r id   co n n ec ted   P in v er ter     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   o f O p tima l LLC L F ilte r   w ith   a n   I mp r o ve d   C o n tr o l S t r a teg fo r   S in g le  P h a s Gri d   ( K .   A r u lku ma r )   115   T h p o w er   f r o m   th p h o to v o l taic  ( P V)   is   in j ec ted   in to   th g r id   th r o u g h   th v o ltag s o u r ce   in v er ter   ( VSI ) .   Am o n g   m a n y   to p o lo g i es  [ 2 ] - [ 4 ] ,   tr an s f o r m er le s s   in v er ter s   h av attr ac ted   d u to   its   p h y s ical  s ize  w it h   less   s p ac r eq u ir e m e n t s   an d   f e asib le  co s co n s tr ai n ts .   T h p u ls w id th   m o d u latio n   ( P W M)   co n tr o is   ac h ie v ed   b y   clo s ed   lo o p   cu r r e n co n tr o w ith   t h c u r r en t   h ar m o n ic s   les s   th a n   5 %   [ 5 ] .   T h s w i tch i n g   f r eq u en cie s   b et w ee n   2 - 1 5   k Hz  ca u s es  h i g h er   o r d er   h ar m o n ic  d is t u r b an ce s   in   g r id   a n d   lo s s es.  Hig h er   o r d er   h ar m o n ic s   i n to   th g r id   d u to   s w itc h in g   f r eq u en cie s ,   leak a g cu r r en an d   th elec tr o m a g n et ic  in ter f er en ce   ( E MI )   [ 6 ]   n o is ar th s ig n i f ica n t is s u es i n   d esig n i n g   o f   f i lter   cir cu it i n   th P in v er ter .   R ip p les  a n d   h ar m o n ics  in   th e   g r id   c u r r en ca n   b r ed u ce d   b y   f ilter s   co n n ec ted   at  th e   o u tp u o f   t h e   in v er ter   [ 7 ] .   T h f ir s o r d er   f il ter   co n s i s ts   o f   o n e   i n d u cto r   co n n ec ted   in   s er ies   k n o w n   as  L - f ilter   w h ic h   i s   m o s t   co m m o n l y   u s ed   [ 8 ] .   I d o es  n o h av e   r eso n a n ce   p r o b le m   as  co m p ar ed   to   h i g h er   o r d er   f ilter s .   T h in d u cto r   ac h iev e s   r ea s o n ab le  at ten u ati o n   o f   t h cu r r en h ar m o n ic s .   T h atten u at io n   o f   2 0   d B /d ec ad is   ac h ie v ed   f o r   h ig h   f r eq u e n c y   P W co n v er t er s .   Hig h er   o r d er   f ilter s ,   L C   &   L C L   h a v th e   co m b in a tio n s   o f   in d u cto r s   a n d   ca p ac ito r s ,   ca n   g iv b etter   atten u at io n   o f   th h ar m o n ics  w it h   th d is ad v a n ta g es  o f   co m p l ex   d esig n ,   co s an b u lk y   [ 9 ] .   T h L C   f ilter   h as   b etter   d a m p in g   c h ar ac ter is ti cs,  b u s u f f er s   f r o m   p r o b le m   o f   i n f in i te  g a in   a t   r eso n an ce .   I n   g r id   co n n ec ted   s y s te m ,   t h r eso n a n ce   f r eq u e n c y   o f   t h f ilter   v ar ies  w i th   th i n d u cta n ce   v alu o f   th g r id   [ 1 0 ] .   T h co n tr o l o f   L C L   f i l ter   is   d i f f ic u lt c o m p ar ed   to   L   f ilter ,   d u to   th p r ese n c o f   t w o   m o r p o les  an d   ze r o s .   C ar m u s b tak en   to   d esig n   co n tr o ller   f o r   a d d itio n al  p o les  an d   ze r o s   th at  ca n   m a k th s y s te m   u n s tab le  if   p r o p er   d am p in g   i s   n o in tr o d u ce d .   Da m p i n g   o f   th L C L   f ilte r   r eso n a n ce   ca n   b eith er   ac tiv u s i n g   th co n v er ter ,   o r   p ass iv u s i n g   ele m e n t s   lik r esi s to r s ,   ca p ac ito r s   an d   in d u cto r s .   Sev er al   m et h o d s   o f   p ass i v d am p i n g   [ 1 1 ] - [ 1 2 ]   h av b ee n   p r o p o s ed   f o r   s tiff   g r id   o p er atio n . On   t h o th er   h a n d ,   th ac ti v d a m p i n g   m et h o d   is   u s ed   w i th   co s tl y   s e n s o r s   a n d   p o w er   elec tr o n ic s   f o r   w ea k   g r id   an d   d y n a m ic  g r id   v ar iatio n s .   T h is   p ap er   m ai n l y   f o cu s e s   o n   co n tr o s tr u ct u r o f   s in g le  p h a s g r id   co n n ec ted   P in v er ter   w it h   f ilter   d esig n   a n al y s i s .   Sectio n   I I   i llu s tr ates  th e   co n s tr ain t s   o f   t h L C L   f ilter   d es ig n   a n d   i m p o r tan ce   o f   Q - f ac to r   w i t h   s en s iti v it y   an al y s is .   An   i m p r o v ed   L L C L   f il ter   is   i n tr o d u c ed ,   in   o r d er   to   r e d u ce   th to t al  in d u cta n ce   o f   th e   co n v e n tio n al   f ilter .   T h m o d i f ied   L L C L   f il ter   is   d esig n ed   w ith o u a n y   ch a n g i n   t h f r eq u en c y   r e s p o n s e   ch ar ac ter is tic   o f   L C L   f ilter .   Mo r ad v an ta g i n   s u p p r ess i n g   t h r eso n an ce   p ea k   w ith   i m p r o v ed   s tab ilit y   an d   d y n a m ic  r esp o n s e.   T h r ee   ca s es  o f   p ar a m eter   d esi g n   h a v b ee n   d if f er en tiated   an d   a n al y ze d   w it h   s i m u lated   r esu lt s   i n   s ec tio n   I I I .   I m p r o v ed   cu r r en co n tr o s tr u ct u r i s   s ee n   i n   s ec t io n   I b y   i m p l e m en tin g   f ee d b ac k   lin ea r izatio n   f o r   f ast  D C   v o lt ag co n tr o ap p lied   to   PW in v er ter .   A n d   it  is   v er i f ied   b y   m o d eli n g   s i n g le  p h ase  g r id   co n n ec ted   P in v er ter   w it h   s i m u lated   an d   ex p er i m en tal  r esu lts .       2.   SYST E M   DE SCRI P T I O A ND  CH ARAC T E R I S T I C   2 . 1 .   Cla s s ica M et ho ds   a nd   Co ns t ra ints o n L C L   F ilte D esig n   I n   g r id   p o w er   co n v er ter s ,   s w it ch in g   f r eq u en cie s   at  in ter v al s   3 - 2 0   k Hz  ca u s es  g r ea ter   h ar m o n ics  an d   d is tu r b s   t h elec tr ic  g r id .   I is   th er ef o r ess e n tial  to   atte n u a t th s w itc h i n g   f r eq u e n c y   h ar m o n ic s   an d   r ed u ce   th c u r r en t r ip p les to   f u lf ill t h s tan d ar d s   o f   t h I E E E   1 5 4 7 . 2 .   Hig h   f r eq u e n c y   co m p o n e n cu r r en ts   w o u ld   lead   to   elec tr o m ag n etic  in ter f er en c n o is m ai n l y   d u e   to   th e   p ar asit ic  ca p ac ita n ce   d is t u r b in g   t h b eh a v io r   o f   h i g h   f r eq u en c ies.  T h m et h o d   o f   d esig n i n g   L C L   f ilter s   d ep en d s   o n   r ati n g   o f   p o w er   co n v er ter s ,   f u n d a m e n tal  a n d   s w itc h in g   f r eq u e n c y   a s   in p u t s   w i th   an   i n te g r ated   co n tr o d esig n   o f   f ilter s   as  ex p lain ed   in   [ 1 3 ]   .   Fro m   th e   Fig u r 2   ( a) .   th e   i n v er ter   o u tp u i n d u cto r   L 1 ,   t h f ilter   ca p a cito r   C f ,   a n d   th e   g r id - s id i n d u cto r   L 2   co n s t itu te   th L C L   f ilter   o f   th e   in v er ter .   C o m p ar ed   to   L   f ilter ,   L C L   f il t er   is   p r o v ed   to   h a v b etter   h ar m o n ic  at ten u atio n   f o r   th r ed u ctio n   o f   f ilter   in d u ctan ce   v o lu m [ 1 4 ]   w h ic h   b y p a s s   t h h i g h   f r eq u e n c y   h ar m o n ic s   th r o u g h   th e   ca p ac itan ce   b r an ch .   T h s co p is   to   lo w er   th e   h i g h er   o r d er   h ar m o n ics  o n   th g r id   s id e   an d   to   r ed u ce   th e   o s cillatio n   e f f ec t s .   T h er ef o r e,   in   L C L   f ilter   d esi g n ,   i n d u cto r s   s h o u ld   b p r o p er ly   d esig n e d   in   o b s er v in g   t h cu r r en r ip p le,   f il ter   ca p ac itan ce   an d   d a m p in g   o f   r eso n a n ce   i n   f ilter s .   T h r eso n a n f r eq u e n c y   s h o u ld   b i n   th e   r an g 10ω 0   ω r es   ω sw 2   [ 1 5 ] .   Fig u r 2   ( b ) ,   ( c)   d ep icts   th p ass iv d a m p ed   to p o l o g y   o f   L C L   f i lter .   Fre q u en c y   r esp o n s a n al y s i s   o f   p ass i v d a m p ed   L C L   f il ter s   w it h   d a m p in g   r es is to r s   in   s e r ies  to   atte n u a te  t h e   r eso n an ce   w it h   th tr an s f er   f u n ct io n   as  in   ( 1 )   an d   im p r o v ed   m et h o d s   w i th   p ass iv ele m en ts   as  in   ( 2 )   ar e   s h o w n   in   F ig u r 3.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   114     1 2 5   116       Fig u r 2 .   a) .   L C L   f il ter ,   b )   p as s iv d a m p ed   L C L   f ilter   w it h   R d ,   c) p ass iv d a m p ed   L C L   f ilt er   w it h   R d - C d       T r an s f er   f u n ctio n   o f   L C L   f ilte r :     G v i   i g   ( s ) = i g ( s ) v i ( s ) = 1 L 2   ( S 2 + R d C f Z 2 LC S + Z 2 LC ) ( S 2 + R d C f ω r e s 2 S + ω r e s 2 )             ( 1 )     I f   R d   is   ze r o   th e n ,       G v i   i g   ( s ) = i g ( s ) v i ( s ) = 1 L 2   ( S 2 + Z 2 LC ) ( S 2 + ω r es 2 )           W h er e,     Z 2 LC = [ L 1 C f ] 1       ω 2 r es = L 2 Z LC 2 L         Fo r   i m p r o v ed   p ass iv d a m p i n g ,     G v i   i g   ( s ) = i g ( s ) v i ( s ) = ( R d C d S + 1 ) S ( L 1 L 2 R d C d C f S 3 + L 1 L 2 ( C d + C f ) S 2 + R d C d ( L 1 + L 2 ) S + L 1 L 2 )       ( 2 )     Fro m   Fi g u r 3   it  i s   clea r   t h at  th m a g n i tu d o f   L C L   f il ter   i s   h i g h   w i th   a   r eso n a n p ea k   g ain   o f   2 5 0   d B   at  4 . 6   k Hz.   Ho w ev er ,   i n   p ass i v d a m p i n g   a n d   i m p r o v ed   p ass iv d a m p in g ,   t h atte n u ati o n   is   r ed u ce d   to   1 0   d B   o r   less   th a n   th at  at  2 . 5   k Hz   w it h   s o m p o w er   lo s s   d u to   th r esis to r .           Fig u r 3 .   Fre q u en c y   r e s p o n s o f   L C L   f i lter     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   o f O p tima l LLC L F ilte r   w ith   a n   I mp r o ve d   C o n tr o l S t r a teg fo r   S in g le  P h a s Gri d   ( K .   A r u lku ma r )   117     2 . 2 .   Select io n o f F ilte Ca pa c it a nce  ( C )   T h s elec tio n   o f   ca p ac ito r   [ 1 6 ]   is   d eter m i n ed   b et w ee n   r ea ctiv p o w er   i n   C f   an d   L 1 .   I f   t h ca p ac itan ce   is   h ig h ,   t h r ea ctiv p o w er   f lo w in g   i n to   it  is   m o r w h ic h   lead s   to   cu r r en d em an d s   in   L 1 .   I n   t h e   d esig n   co n s id er atio n   lar g i n d u ctan ce   ( L 1 )   an d   s m aller   ca p ac itan ce   ( C f )   lead   to   th v o ltag d r o p   ac r o s s   th in d u cto r   L 1 .   So ,   r ea ctiv p o wer   is   ch o s e n   1 5 o f   r ated   p o w er   as   in   ( 3 )   an d   f r o m   th at   th ca p ac itan ce   v a lu e   ca n   b ch o s en   a s :     C = 15%   P r at ed 3 f l ine V r at ed 2                 ( 3 )     W h er e,   P rated   is   r ated   p o w er   an d   V rated   is   g r id   R MS  v o ltag e.     2 . 3 .   Sig nifica nce  o f   Q - f a c t o Ana ly s is   T h im p o r tan ce   o f   d a m p in g   is   to   lo w er   t h Q - f ac to r   at  th r eso n an f r eq u e n c y   w it h o u a f f ec tin g   th e   f r eq u en c y   r e s p o n s e   at  o t h er   f r eq u en cie s .   I n   Fi g u r e   3   f r eq u e n c y   r esp o n s e   an al y s is   o f   h i g h er   o r d er   f ilter   w it h   an d   w ith o u d a m p i n g   i s   an al y ze d .   T h s er ies  L C   cir cu it  g iv e s   m in i m u m   i m p ed a n ce   at  r eso n an ce   w h ile   p ar allel  L C   cir cu it   g i v es   m a x i m u m   i m p ed an ce   at   th r e s o n an t   f r eq u e n c y .   T h v al u o f   Q - f ac to r   r ed u ce s   i n   p ass iv d a m p i n g   at  d o m in a n t r eso n an f r eq u e n c y   [ 1 7 ] .   T h e   q u a lit y   f ac to r   o f   L f - C f   ca n   b ex p r ess ed   as,     Q = 1 R f L f C f                   ( 4 )     Fo r   r ed u cin g   th p ea k   r eso n a n t,  d a m p i n g   r esis to r   i s   d esi g n ed   w it h   a n   o p ti m al   Q - f ac to r   f o r   th s ti f f   g r id   co n d itio n .   I n cr ea s o f   g r id   in d u cta n ce   ca n   r ed u ce   t h e   p ass i v d a m p i n g   e f f ec a n d   ca n n o ac h ie v t h o p tim a Q - f ac to r .   C o n cu r r e n t l y ,   t h to tal  p o w er   d is s ip ati o n   in   t h d a m p i n g   cir cu it  is   also   an   i m p o r tan t   p ar am eter .       3 .   DE SI G O F   M O DIFIE L L C L   F I L T E R   B ased   o n   th tr ad itio n al  L C L   f ilter ,   s m a ll  in d u cto r   is   in s e r ted   in   th b r an ch   lo o p   o f   th ca p ac ito r ,   co m p o s i n g   s er ies  r eso n a n c ir cu it  at  th s w i tch in g   f r eq u e n c y .   I ca n ,   p ar ticu lar l y ,   atten u ate  th s w itc h in g - f r eq u en c y   c u r r en r ip p le  co m p o n en t s   m u c h   b etter   th a n   th L C L   f il ter ,   s av e s   th to tal  i n d u ctan ce   an d   t h er eb y   lead s   to   s ize  r ed u cti o n .   T h m o s co n v e n ie n p ass i v m et h o d   is   b y   ad d in g   p h y s ical  r esi s to r s   co n n ec ted   eit h er   in   s er ie s   o r   in   p ar allel  w it h   in d u cto r   o r   ca p ac ito r   o f   t h f ilter .   I ai m s   at  r ed u ci n g   Q - f ac to r   at  d o m i n an r eso n an f r eq u en c y .   R ec e n tl y   t o   r ed u ce   th in d u cto r   s ize  n o v el  h i g h er   o r d er   L L C L   f ilter   [ 1 8 ]   is   p r o p o s ed   as   s h o w n   in   F ig u r 4   w i th   tr a n s f e r   f u n ctio n   a s   in   ( 5 )           Fig u r 4 .   Sch e m atic  d iag r a m   o f   L L C L   f il ter       T r an s f er   f u n ctio n   o f i g ( s ) v i ( s )   L L C L   f ilt er   is   g iv e n   as     G v i   i g   ( s ) = i g ( s ) v i ( s ) = L f C f S 2 + 1 ( L 1   L 2   C f + ( L 1 + L 2   ) L f C f S 3 + ( L 1 + L 2 ) S           ( 5 )     Fo r   L L C L ,   ω r es = 1 ( L 1 L 2 L 1 + L 2 + L f ) c f       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   114     1 2 5   118     3 . 1 .   P a s s iv Da m ped Sche m e   o f   L L CL   F ilte r   Mo d if ied   L L C L   f ilter   to p o lo g y   [ 1 9 ]   is   u s ed   to   r ed u ce   th d a m p in g   p o w er   lo s s   an d   h ig h   f r eq u en c y   h ar m o n ic  atten u atio n   as  s h o w n   in   Fi g u r 5   ( a) ,   ( b ) .   B ec au s o f   s er ies  r eso n an cir c u it  L f - C is   at  s w i tch in g   f r eq u en c y ,   t h e   v al u o f   t h i n d u cto r   i s   m u c h   s m aller   t h an   th at   o f   L 1   &   L 2 .   Fro m   t h F ig u r e   5   ( b )   p ass iv e   d am p ed   L L C L 2   Fi g u r 2   ( c )   im p r o v ed   p ass i v d a m p ed   L C L ,   t h v al u o f   d a m p i n g   p ar am eter s   R d   a n d   C d   is   s a m e.   Mo s s i g n i f ica n tl y ,   t h e   to tal  ca p ac itan ce   o f   ( C d +C f )   is   en co u r a g ed   to   b less   t h an   5 o f   ap p ar en r ea ctiv p o w er   at  r ated   lo ad .   Fro m   ( 6 )   an d   ( 7 )   it  is   to   b n o te d   th at  th ad d itio n   o f   p o les  an d   ze r o s   in   s y s te m   g iv e s   r is to   s tab ilit y   i s s u es a n d   ca r s h o u ld   b tak en   i n   d esi g n i n g   th f il ter s .           Fig u r 5 .   Var io u s   p ass i v d a m p ed   L L C L   f il ter s   w it h   R d   a n d   C d   a) .   L L C L 1   b ) .   L L C L 2       B o d p lo o f   th e   tr an s f er   f u n ctio n   o f ( 1 )   &   ( 5 )   is   d ep icted   as  i n   Fig u r 6   a)   an d   it  is   c le ar   th at   an   L L C L   f ilter   b ased   g r id   co n n ec ted   VSI   h as  al m o s s a m f r e q u en c y   r esp o n s ch ar ac ter is t i o f   L C L   f il ter .   I n   Fig u r 6   b )   th p ea k   m a g n it u d lies   w it h i n   2 0   k Hz,   th f ir s t r eso n an t p ea k   o cc u r s   at  7 . 6   k H w it h i n   h alf   o f   t h e   s w itc h in g   f r eq u e n c y   a n d   th e   n ex t   p ea k   o cc u r s   at   2 0   k Hz.   T h d am p i n g   tec h n iq u m i n i m izes   t h r eso n a n t   p ea k   w it h in   th e   r an g e.   An d   it  is   w o r th   m e n tio n ed   th at  co m p ar ed   to   L C L   f ilter ,   t h ad d itio n al  i n d u cto r   L f   d o es  n o t b r in g   a n y co n tr o l d if f icu lti es,  an   ad d itio n al  g r id   i n d u cta n ce   L is   ad d ed   to   w id en   t h b an d w id th .   Tr an s f er   f u n ctio n   o f i m p r o v ed   p ass iv d a m p i n g   L L C L 1     G v i   i g   ( s ) = i g ( s ) v i ( s ) = s 3 A + s 2 B + sC + 1 s 5 a + s 4 b + s 3 c + s 2 d + se             ( 6 )     a = L 1 L 2 L f C f C ;   b = ((L 1 L 2 +( L 1 +L 2 )L f )R d C d C f )   ;   c = ((L 1 L 2 (C d +C f ) +L f   C f (L 1 +L 2 ) )   ;   d = R d C d (L 1 +L 2 )   ;   e = (L 1   + L 2 );   A = L f C f   C d R d   ;   B = L f C f   ;   C = R d C d   ;     T r an s f er   f u n ctio n   o f i m p r o v ed   p ass iv d a m p i n g   L L C L 2 :         ( ) = ( ) ( ) = 3 + 2 +  + 1 4 + 3 + 2 +              ( 7 )     b = ((L 1 L 2 +( L 1 +L 2 )L f )R d C d C f )   ;   c = ((L 1 L 2 (C d +C f ) +L f (C f +C d ) ( L 1 +L 2 ) )   ;   d =R d C d (L 1 +L 2 )   ;   e = (L 1 +L 2 );   A = L f C f   C d R d   ;   B = L f C f   ;   C = R d C d   ;       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   o f O p tima l LLC L F ilte r   w ith   a n   I mp r o ve d   C o n tr o l S t r a teg fo r   S in g le  P h a s Gri d   ( K .   A r u lku ma r )   119           ( a)   ( b )   Fig u r 6 .   a) . Fre q u en c y   r esp o n s an al y s i s   o f   L C L   a n d   L L C L ,   b ) .   Fre q u en c y   r esp o n s a n al y s is   o f d a m p in g   tech n iq u es o f   L C L   an d   L L C L             Fig u r 7 .   Sen s i tiv i t y   a n al y s i s   o f p ar a m eter   v ar iatio n   o f   L f   ( ± 2 0 %)     Fig u r 8 .   Fre q u en c y   r e s p o n s e   an al y s is   o f   p ass i v d am p ed   L L C L       T h b o d p lo o f   L C L   a n d   L L C L   f ilter   p ar a m eter s ,   as  g iv e n   in   T ab le   1 is   p lo tted   in   Fig u r 7 w ith   t h e   s en s iti v it y   a n al y s i s   o n   p ar a m eter   v ar iatio n   o f ± 2 0 %.  T h en lar g v ie w   o f   m a g n it u d o f   L L C L   f ilter   is   al s o   s h o w n . Mo r eo v er ,   ca s I   &   ca s I I I   as in   T ab le  1   atten u ate  th r eso n an ce   b y   - 4 0   d B /d ec ad e, b u t in   ca s I I   it i s   - 6 0   d B /d ec a d as  i n   F ig u r 8 .   T h d esig n ed   L L C L   f il ter   atte n u ate s   r e s o n a n h ar m o n ics   ar o u n d   t h s w itc h i n g   f r eq u en c y   a n d   w el l s u ited   f o r   t h s i n g le  p h ase  s y s te m .       T ab le  1 .   Fil ter   P a r am eter s   in   Desig n   P a r a me t e r s   C a se - I   R d   d a m p e d   L C L   C a se - II   R -   C d a m p e d   L C L   C a se - I I I   R -   C d   d a mp e d   L L C L   L1   1 . 2 mH   1 . 2 mH   1 . 2 mH   R1   0 . 1   0 . 1   0 . 1   L2   1 . 2 mH   1 . 2 mH   0 . 2 2 mH   R2   0 . 0 4   0 . 0 4   0 . 0 1   Lf   -   -   3 2 μH   Rf   -   -   0 . 2     Cf   -   2 μF   2 μF   Rd   4Ω   30Ω   1 6 . 5   Cd   4 μF   2 μF   2 μF             4 .   SYST E M   M O DE L I N G   A ND  CO NT RO L   ST RUCT U RE   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   114     1 2 5   120   4 . 1 .   P r o po s ed  I nv er t er   Curr ent   Co ntr o l St ra t eg y   T h cu r r en in j ec ted   in to   th e   g r id   b y   p o w er   co n v er ter   s h o u ld   k ee p   ce r tain   r elatio n s h ip   w it h   v o ltag at  p o in o f   co n n ec ti o n .   I n   o r d er   to   av o id   th g litch es  i n   th co n tr o o f   in v er ter   it  s h o u ld   b m ad e   m o r r o b u s w it h   t h ac cu r ate  p ar am eter   a n al y s i s .   T h b lo ck   d iag r a m   i n   F ig u r 9   s h o w s   co n v e n tio n al  c u r r en t   co n tr o lo o p   s tr u ctu r [ 1 9 ]   w it h   g r id   s id cu r r en f ee d b ac k   co n tr o l.  W h er e,   G p ( s )   ex p r ess ed   as  p r o c ess   g ai n   &   G C ( s )   d en o tes  p r o p o r tio n al  r eso n an ( P R )   an d   h ar m o n ic   co m p e n s ato r   ( HC )   co n tr o ller   g ai n ,   H( s )   i m p lies   f ee d b ac k   g ai n   o f   g r id   i n j ec ted   cu r r en t,  G inv ( s )   in d icate s   g ain   o f   in v er ter   an d   G v i i g ( s )   d en o tes  tr an s f er   f u n ctio n   o f   L L C L   f ilter ,   g i v e n   b y ( 5 ) .           Fig u r 9 .   I n v er ter   p o w er   co n tr o l lo o p           Fig u r 1 0 .   P r o p o s ed   in v er ter   cu r r en t c o n tr o s tr u ct u r e       T ab le  2 .   C o m p ar is o n   o n   Dif f e r en t Cas e s   P a r a me t e r s   C A S I   L C L   (R d   d a m p e d )   C A S I I   L C L   (R d -   C d   d a m p e d )   C A S III   L L C L   T H D   S i mu l a t i o n   2 . 4 8   %   3 . 5   %   2 . 4   %   Ex p e r i me n t a l   3 . 8 2   %   4 . 0 4   %   3 . 5   %   D a mp i n g L o ss e s (W )   C a l c u l a t e d   2 . 5 1   0 . 8 9   0 . 4 5   M e a su r e d   2 . 5 7   0 . 9 1   0 . 5 2       B y   co n s id er i n g   th e   L L C L   f ilt er   as  s h o w n   in   Fi g u r 4i 1   is   t h i n v er ter   c u r r en t   an d   t h c u r r en f lo w s   th r o u g h   t h ca p ac ito r   i c   is   b ein g   n e g li g ib le  co m p ar ed   to   i 1 .   T h in v er ter   cu r r en co n tr o s t r u ctu r as  i n   Fi g u r e   1 0   ex h ib its   t h ca lcu lat io n   o f   i n v er ter   cu r r e n i 1   f r o m   t h d u t y   r at io   ( D)   n ee d s   g r id   v o ltag ( V g )   th a is   r elate d   to   i 1   b y   t h u n d eter m i n ed   g r i d   i m p ed an ce   ( Z g rid ) .   T o   av o id   th i s   p r o b le m ,   a   n o n li n ea r   co n tr o tech n iq u e   f r o m   m o d er n   co n tr o th eo r y   n a m ed   f ee d b ac k   lin ea r izat io n   s c h e m [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ]   is   p r o p o s e d .   T o   ex h ib it  th e   u n d eter m i n ed   g r id   i m p ed an ce ,   V g   i s   tr ea ted   as  DC   p ar a m eter .   C o m p ar ed   to   in v er ter   cu r r en i 1   th at  is ,   t h cu r r en lo o p   cr o s s o v er   f r eq u en c y   i s   m u ch   h i g h er   t h an   g r id   f r eq u en c y .   T h Fig u r 1 0   also   s h o w s   d u t y   c y cle   ( D)   ca lcu latio n   f r o m   V i   u s i n g   V g   an d   V DC   as   d ef i n ed   i n   ( 8 ) .   W ith   th e   p r o p o s ed   co n tr o th r esp ec ti v p ar am eter   m a k es  t h li n ea r   s y s te m   w it h   r ed u ctio n   in   ca p ac it o r   r ip p le  cu r r en [ 2 2 ]   an d   th er ef o r r ed u cin g   t h e   s ize  o f   t h ec ap ac ito r .   T h in s tan ta n eo u s   cu r r e n r ef er e n ce   is   u s ed   b y   t h c u r r en co m p e n s ato r   w i th   t h e   f ee d b ac k   cu r r e n to   p r o v id d u t y   r atio   to   t h i n v er ter .   T h DC   b u s   v o lta g i s   f ix ed   at  t h d esire d   s et  p o in t   an d   co n tr o lled   cu r r en is   in j ec ted   in to   th g r id .   Her V i   co n tr o ls   th m ai n   in d u cto r   cu r r en I L .   T h in v er ter   cu r r en f ed   i n to   th e   g r id   i s   g iv en   b y   ( 9 ) .   W h er K s   r ep r ese n t s   th e   cu r r en f ee d b ac k   g a in .   H en ce ,   th e   lo o p   g ai n   tr an s f er   f u n c tio n   is   e x p r ess ed   as,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   o f O p tima l LLC L F ilte r   w ith   a n   I mp r o ve d   C o n tr o l S t r a teg fo r   S in g le  P h a s Gri d   ( K .   A r u lku ma r )   121      ( ) = ( )         Fo r   th s y n c h r o n izat io n   p u r p o s e,   s ec o n d   o r d er   g en er alis ed   i n teg r ato r   p h a s lo ck ed   lo o p   ( SOGI - P L L )   tech n iq u [ 2 3 , 2 4 ]   is   u s ed   to   s y n ch r o n ize  in v er ter   v o lta g to   th g r id   v o lta g an d   f r eq u en c y .     = ( ) ( ) +                  ( 8 )     = (  )                   ( 9 )     4 . 2 .   E x peri m ent a l a nd   Si m ul a t io n Re s ults   I n   o r d er   t o   v er if y   t h p r o p o s ed   d am p in g tec h n iq u an d co n tr o s tr u ctu r e,   s i m u latio n   i s   ca r r ied   o u u s i n g   M A T L A B /Si m u lin k   s o f t w ar e.   T h p ar am eter s   ar th s a m as  t h d esi g n ed   i n   T ab le  I .   I n   o r d er   to   v er if y   th t h eo r etica an al y s is ,   2 5 0   W   ex p er im e n tal  p r o to ty p as  in   Fi g u r 1 1   b ased   o n   DSP  ( T MS3 2 0 F2 8 0 3 5 )   c o n tr o ller   is   co n s tr u cted .   A   p r o g r a m m ab le  DC   p o w er   s u p p l y   ( c h r o m a   6 2 0 1 2 P - 80 - 6 0 )   is   u s ed   to   e m u late  th e   r en e w ab le   en er g y   s o u r ce s .   T h g r id   c u r r en i s   s en s ed   b y   c u r r en t   s e n s o r   AC S7 1 2 E L C T R - 2 0 A ,   th t y p o f   I GB T s   is   I R FB 4 2 2 7 P B w it h   s w itc h i n g   f r eq u en c y   ( F s )   as  2 0   k Hz.   A   D C   lin k   ca p ac ito r   o f   u n i ted   ch e m i - co n   KXG   s er ie s   4 5 0   V,   1 0 0   μ is   u s ed .   T o tal  h ar m o n ic   d is to r tio n   ( T HD)   is   m ea s u r ed   b y   th e   Flu k e - 434 - P o w er   q u alit y   an a l y ze r   a n d   t h w a v ef o r m   i s   o b tain ed   w it h   a g ile n ( M SO) .   Gr id   v o lta g a n d   f r eq u en c y   ar n o r m a ll y   2 3 0   V,   5 0   Hz.   W ith   th f ee d b ac k   li n ea r izati o n   co n tr o l,  Fig u r 1 2   s h o w s   th s tead y   s tate  ex p er i m en t al  v o ltag e   r esp o n s o f   d c -   li n k   v o ltag e   o f 3 8 8   as  in p u to   th e   i n v er ter .   T h g r id   v o lta g e   an d   in v er ter   o u tp u t   v o lta g e   s y n ch r o n izatio n   in   Fi g u r 1 3   a)   s h o w s   th is   a s   p r o m is i n g   cu r r e n co n tr o s tr u ct u r w i th   g r id   v o lta g an d   in v er ter   v o ltag s y n c h r o n ized   ea ch   o th er .   T h w a v e f o r m s   o f   in v er ter   o u tp u v o ltag 3 8 8   V   b ef o r f ilter i n g   i s   s h o w n   in   F ig u r 1 3   b ) .   W ith   th co n v e n tio n al  L C L   f ilter   p ar a m eter s   th w a v e f o r m   o f   v o l tag an d   cu r r e n is   s h o w n   i n   Fig u r 1 4   w it h   h ar m o n ic s   a n d   s p i k es.  T o   v alid at th e   p r o p o s ed   co n tr o s tr u ct u r an d   f ilter   d esi g n ,   ex p er i m e n tal  r es u lts   o f   b o th   L C L   a n d   L L C L   f i lter   o u tp u w a v ef o r m   is   co m p ar ed   in   Fi g u r 1 5 . a) ,   b ) .   I s h o w s   th at  t h p r o p o s ed   d esig n   o f   L L C L   f ilter   h as   les s   d is to r ti o n   in   t h w av e f o r m   co m p ar ed   to   L C L   f ilter   a s   t h e   T HD  is   3 . 5   w it h   t h p r o p o s ed   L L C L   f i lter   an d   3 . 8 2   w it h   t h co n v e n tio n a L C L   f il ter   as  m e n tio n ed   i n   T ab le  2 .   T h r esu lts   o f   th e   p r o p o s ed   g r id   co n n ec ted   s y s te m   is   s h o w n   i n   e x p er i m en tal   r es u lts   as   in   Fi g u r e   16  p ea k   to   p ea k   v o ltag o f   1 6 4 . 3   an d   g r id   in j ec ted   cu r r en o f   2 . 2   A .   T h to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   o f   th g r id   cu r r en t i n   t h lab o r atar y   i s   T HD = 3 . 5 % a s   s h o w n   in   Fi g u r 1 7   th at  m ee ts   th e   I E E E   5 1 9   s tan d ar d   b y   m ea s u r i n g   w it h   t h p o w er   q u ali t y   a n al y z er   FL UK E - 434.     4 . 3 .   Resul t   Ana ly s is   a nd   Dis c us s io n   Fro m   t h r es u lts   it  i s   to   b th at,   in cr ea s i n g   g r id   i n d u c tan ce   ca n   r ed u ce   t h p as s i v d a m p in g   ef f ec t   an d   in cr ea s es  t h lo s s es  i n   th cir cu it  in   ca s I   &   I I   in   T a b le  I .   H o w ev er ,   in   ca s I I I   r e s o n an p ea k   o cc u r s   w it h i n   t h s w itc h in g   f r eq u e n c y   w it h   li m ited   m a g n itu d at ten u a tio n   a n d   cu r r en h ar m o n ic  ar o u n d   it  s atis f y   I E E E   5 1 9 - 1 9 9 2 .   T h cu r r en h ar m o n ic  ( >= 3 5 th )   is   less   t h a n   0 . 3 o f   f u n d a m e n tal  cu r r e n b y   t h p ar a m eter   d r if o f   L f   in   r an g ± 2 0 b o th   i n   s w itc h i n g   f r eq u e n c y   an d   d o u b le  o f   s w i tch i n g   f r eq u e n c y .   T h p r o p o s ed   i m p r o v ed   co n tr o s tr ate g y   en h an ce s   t h e   p er f o r m a n ce s   b y   i n tr o d u cin g   f ee d b ac k   li n ea r iza tio n   m a k in g   li n ea r   s tr u ct u r in   ad d in g   i n teg r ato r s   to   g et  f as t a n d   ze r o   tr ac k in g   er r o r s   an d   r ed u cin g   t h ca p ac ito r   v alu e   as 1 0 0   μ F.    T h to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n s   o f   t h g r id   s id c u r r en in   t h t h r ee   ca s es  ar m ea s u r ed   u s i n g   s i m u lat io n   an d   e x p er i m e n ts   a n d   ar lis ted   in   T ab le  I I .   I n   ca s I I I ,   L L C L   f i lter   ( L 1 =1 . 2   m H,   L 2 =0 . 2 2   m H ,   L f = 0 . 0 3 2   m H)   ar u s ed ,   o f   w h i ch   t h co n tr o p er f o r m a n ce   o f   th g r id   in v er ter   is   s h o w n   i n   F ig u r 1 7   an d   T HD   is   ca lc u lated   as  2 . 4 i n   s i m u latio n   a n d   3 . 5 in   e x p er i m e n tal.   T h d a m p in g   lo s s   ca lc u la tio n   as  in   [ 8 ] .   T h p o w er   lo s s es  in   t h f ilter   ar m ai n l y   ca u s ed   b y   in v er ter - s id in d u cto r   cu r r en r ip p les  o f   b o th   L C L   a n d   L L C L   f ilter .   T h d am p i n g   p o w er   lo s s   is   m ai n l y   ca u s ed   b y   v o lu m o f   L 2 ,   L f   an d   R w it h   th ca lc u lated   an d   m ea s u r ed   v alu o f   L L C L   f ilter   as 0 . 4 5   W   an d   0 . 5 2   W   less   th an   L C L   f ilter .                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   114     1 2 5   122         Fig u r 1 1 .   L ab o r ato r y   s et u p   o f   g r id   co n n ec ted   P s y s te m     Fig u r 1 2 .   E x p er im e n tal  s tead y   s tate  D C   b u s   v o lta g e               ( a)   ( b )     Fig u r 1 3 .   ( a)   Sy n c h r o n izat io n   o f   in v er ter   v o ltag a n d   g r id   v o ltag ( b )   Si m u lated   in v er ter   o u tp u v o ltag e           Fig u r 1 4 .   E x p er im e n tal  w a v e f o r m   o f v o lta g an d   in j ec ted   cu r r en t   in to   g r id : a )   w it h   L C L   f il ter       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   o f O p tima l LLC L F ilte r   w ith   a n   I mp r o ve d   C o n tr o l S t r a teg fo r   S in g le  P h a s Gri d   ( K .   A r u lku ma r )   123           ( a)   ( b )     Fig u r 1 5 .   E x p er im e n tal  w a v e f o r m   o f v o lta g an d   in j ec ted   cu r r en t in to   g r id : a )   w it h   L C L   f il ter   as in   ca s I   an d   b )   w it h   L L C L   f i lter   as in   ca s I I I           Fig u r 1 6 .   E x p er im e n tal  r es u lt s   o f   th p r o p o s ed   g r id   co n n ec t ed   s y s te m           Fig u r 1 7 .   Sn ap s h o t o f   T HD  m ea s u r e m e n t       5.   CO NCLU SI O NS   Fo r   r ed u cin g   th r eso n an ce   i n   th f ilter   cir cu it,  d a m p i n g   r esis to r s   ar ad d ed   w it h   an   ad d itio n al  in d u cta n ce   i n   L C L   f ilter   w it h   i m p r o v ed   co n tr o s tr ateg y   i s   p r o p o s ed   in   th is   p ap er .   C o m p ar at iv d a m p i n g   an al y s is   o f   L C L   a n d   L L C L   f il ter   is   d esig n ed   w it h   ca s e   p ar am eter s   d e f in ed .   A d d itio n   o f   p ass i v ele m en t s   a n d   v ar iatio n   i n   f ilter   p ar a m eter s   d o es  n o lo s th s tab ilit y .   A   Feed b ac k   lin ea r izatio n   is   u s ed   to   c o n tr o th d u t y   r atio   o f   in v er ter   co n tr o f o r   f ast  d y n a m ic  p r o ce s s ,   b y   ad d i n g   in te g r al  co n tr o to   eli m in a te  s tead y   s tate  er r o r   th at  en h a n ce s   th p er f o r m a n ce   an d   s h o w s   s ati s f ac to r y   b eh av io u r .   T h v o ltag tr an s i en is   i m p r o v ed   to   d ec r ea s o f   cu r r en r ip p le  an d   th s ize  o f   th ca p ac ito r   is   r ed u ce d .   T h r o b u s tn es s   o f   th s y s te m   ar v er i f ied   u s i n g   s i m u lated   an d   e x p er i m e n tal  r es u lt s .   T h w a v e f o r m   o f   o u tp u c u r r en w it h o u an y   d i s to r tio n   s h o w s   t h at   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.