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 .   4 Dec em b er   2 0 1 8 ,   p p .   1 6 7 6 ~ 1 6 8 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 . i 4 . pp 1 6 7 6 - 1 6 8 4          1676       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   Sing le   Phas Pow er Genera tion  Sy ste m   f ro m  F ue l Ce ll        Na g esw a r a   Ra o   K ud it hi,  Sa kd a   So m ku n   S c h o o o f   Re n e w a b le E n e rg y   Tec h n o lo g y ,   Na re su a n   Un iv e rsit y ,   P h it sa n u lo k ,   T h a il a n d       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   25 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Sep   13 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Sep   18 ,   2 0 1 8       P o w e c o n d it i o n in g   c ircu it a re   r e q u ired   f o t h e   f u e c e ll   sy ste m s   d u e   to   it s   n a tu re   in   e n e rg e ti c   sta te.  T h is  p a p e p ro p o se d   th e   sm a ll   si g n a a v e r a g e   m o d e ll in g   o f   a   d u e a c ti v e   b rid g e   (D A B)  DC - DC  c o n v e rter  w it h   LC  f il ter,  to   g e n e ra te  th e   sin g le  p h a se   A p o w e b y   u sin g   th e   H1 0 0 0   f u e c e ll   s y ste m .   T h e   c o n tro ll e is  d e sig n e d   f o th e   sta b le  o p e ra ti o n   o f   th e   s y ste m .   Im p le m e n ted   th e   c o n tr o ll e r,   w h ich   g iv e th e   c o n sta n o u t p u v o lt a g e   to   DC - b u f ro m   th e   DA DC - DC  c o n v e rter,  th is  DC - b u v o l tag e   f e d   to   th e   in v e rter,  w h ich   in v e rts  th e   DC - b u v o lt a g e   to   sin g le  P h a se   A p o we w it h   th e   L C - f il ter.  T h e   p ro p o se d   sy ste m   si m u late d   in   t h e   M A TL A B/S i m u li n k .   K ey w o r d :   DC - DC   c o n v er ter s   Fu el  ce ll   Du al  a cti v b r id g e   E x ten d ed   s y m m etr ic  o p ti m u m   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 :   Nag es w ar R ao   Ku d it h i ,   Sch o o l o f   R e n e w ab le  E n er g y   T ec h n o lo g y ,     Nar esu a n   Un iv er s it y ,     P h its an u lo k ,   T h ailan d .   E m ail:  n ag n it w 2 0 0 6 @ g m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   No w ad a y s ,   r en e w ab le  e n er g y   s o u r ce s   h a s   a n   i m p o r tan t   r o le  in   p o w er   g e n er atio n   ar ea .   I t   h a s   m an y   ad v an ta g es  an d   en v ir o n m e n tal   f r ien d l y   as  w ell  [ 1 ] .   W h en   w e   ar u s in g   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   w r eq u ir ed   an   e f f icie n p o w er   co n v er ter s   a n d   s to r ag e   ele m en t s .   So   r ec en tl y   p o w er   e lectr o n ic  co n v er ter s   p la y s   a n   i m p o r tan r o le   i n   e n er g y   d i s t r ib u tio n   a n d   s to r ag e   [ 2 ] .   I n   s u c h   s y s te m s ,   w h e n   s to r in g   an d   ex p lo iti n g   t h en er g y ,   t h p o w er   co n d itio n i n g   cir cu i ts   ar in v o lv ed   a s   a n   i n te g r al  p ar o f   th e   s y s te m .   Her th e   DC - D C   co n v er ter   ac ts   as a   p o w er   co n d itio n in g   cir c u it.  T h er ar m a n y   to p o lo g ies ar p r o p o s ed   in   th liter at u r es,  s u c h   as  No n - I s o lated   an d   a n   I s o late d   w it h   f u l l - b r id g a n d   h al f - b r i d g to p o lo g ies.  Ou t   o f   t h ese,   f o r   th m ed i u m   a n d   h ig h   p o w er   ap p licatio n s   w h e r th v o ltag e   lev e tr an s f er   r atio   is   h ig h er ,   t h to p o lo g ie s   w it h o u t   g al v a n ic  is o latio n   ar to   b av o id ed   in   p r o tectio n   v ie w   p o in t t h is   m o t iv ates t h D A B   to p o lo g y   f o r   th is   p ap er   [ 3 ] - [ 5 ] .   R en e w ab le   en er g y   s o u r ce s   s u ch   as  Fu e l - C ell s ,   P h o to - Vo l taic  ( P V)   ar r ay s   ar i n cr ea s i n g l y   b ei n g   u s ed   in   a u to m o b ile s ,   r esid en ti al  an d   co m m er cial  b u ild in g s   [ 6 ] .   Fu el  ce lls   ar e   e m er g i n g   t ec h n o lo g y   a n d   th e   m o s t   p r o m is i n g   s o u r ce s   o f   s ta n d alo n s y s te m   ap p licatio n s   a s   s m all   as   ce ll  p h o n e s   to   a s   la r g as   u tili t y   p o w er   g en er atio n ,   w it h   h i g h   ef f icie n c y   b ec a u s o f   d ir ec en er g y   co n v er s io n ,   s ca lab ilit y   an d   lo w   e n v ir o n m e n ta l   i m p ac [ 7 ] .   I t   is   f it  f o r   g en er a tin g   elec tr ical  en er g y   w it h o u t   g lo b al  w ar m i n g ,   b u u n f o r tu n atel y   s o m o f   th e   co m p lica tio n s   ar o cc u r r ed   d u to   its   s lo w   r esp o n s in   t h e   d y n a m ic  o p er atio n .   Fu el  ce ll s   ar ca n n o ac ce p t   r ev er s d ir ec tio n   cu r r e n ts   li k e   b atter y ,   d o   n o r e s p o n d   w el f o r   r ip p le  c u r r en t,  it’s  h a v l o w   o u tp u t   v o lta g e   th at  d i f f er s   w it h   c u r r en t   an d   l if ti m e,   it’s  d o   n o h a v ca p ab ilit y   to   r esp o n d   q u ic k l y   f o r   lo ad   ch an g es   an d   m an a g s p ec i f ied   lo ad   [ 8 ] .   So   f u el  ce ll s   ar r eq u ir e d   p r o d u ctiv e   en er g y   tr an s f er   s y s te m   w i th   lo w   p o w er   lo s s es.   T h is   p ap er   th e   S w itc h ed   m o d DC - DC   C o n v er ter s   ar u s ed   f o r   b o o s f u el  c ell  v o lta g f o r   r eq u ir ed   s in g le  p h ase  p o w er   lo ad s   lik g r id ,   elec tr ic  v eh icles  a n d   AC   m o to r s .   S w itc h ed   m o d co n v er ter s   ar w o r k i n g   w it h in   th s o f s w i tch i n g   r eg ain   a n d   w it h   h i g h   f r eq u e n c y   tr an s f o r m er ,   h i g h   p o w er   d en s it y ,   h ig h   e f f icien c y ,   ze r o   v o ltag s w itc h i n g ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S in g le  P h a s P o w er Ge n era tio n   S ystem  fr o F u el  C ell  ( N a g esw a r a   R a o   K u d ith i)   1677   b id ir ec tio n al  p o w er   f lo w ,   an d   g alv a n ic  is o lat io n   w h ich   i s   f u l f il  th lo w   v o ltag f u e ce ll   p o w er   g e n er atio n   s y s te m   r eq u i r e m en t s ,   t h to p o lo g y   ill u s tr ate  in   Fi g u r 1   to   m i n i m ize  t h o v er all  lo s s es  o f   s y s te m ,   w h er t h e   f u tu r es   o f   ze r o   v o lta g s w itc h in g   ( Z V S)  ca p ab ilit y ,   b id ir ec ti o n al  p o w er   f lo w   an d   h i g h   f r e q u en c y   tr an s f o r m er   f o r   g al v an ic  is o latio n   is   ad ap ted   [ 9 ] - [ 11 ] .   T h is   f ea tu r p r o v id es  t h e f f ec tiv e   co n v er s io n   o f   p o w er ,   s m all   v o lu m a n d   lo w   w e ig h co n s tr u ctio n .   I n   ad d itio n ,   s m all  s ig n a m o d el  f o r   th s y s te m ,   th r elate d   co n tr o l   d esig n   o f   th co n v er ter   an d   o p en   lo o p   s y s te m   w it h   r esis ti v an d   in d u cti v lo ad   in v er ter   ar d ev elo p ed   an d   also   w h ic h   r ed u ce   th co s t o f   t h s y s te m   as  w el [ 12 ] .       V p V s 1         :         n Φ P ha s e - s hi f t e d P ow e r  f l ow i i i p L k H i gh f r e que nc t r a ns f or m e r v fc C i C o i fc s 2 s 4 s 1 s 3 s 7 s 8 s 6 s 5 s 9 s 10 s 12 s 11 I c I L I Av V o - + - + L f C f S i ng l e  P has e  A C  L oad H yd r og e s up pl y W a t e r  out A i r   s up pl y     Fig u r 1 .   Sin g le  p h ase  p o w er   g en er atio n   cir cu it  w i th   f u el  ce l l       2.   CIRCU I T   D E SC RIPT I O N   Fu el  ce ll  s y s te m s   ar g en er all y   r ated   w it h   th p o w er   r an g o f   1 0   W     5 k W   w it h   th v o lt ag r an g e s   7 . 8     7 2   V.   T h r ee   p h ase  o f   o p er atio n al  r eg io n s   w er e   in   f u el  ce ll  w h ic h   ar ac ti v atio n ,   Oh m ic,   a n d   co n ce r tatio n   as  s h o w n   i n   th p o lar izatio n   cu r v [ 13 ] .   T h o p er atin g   p o in s h o u ld   ch o o s i n   th O h m ic  r eg io n   f r o m   th d ata  s h ee o f   f u el  c ell  to   ex ten d   th li f ti m e.   I n   cr itical  ap p licatio n s   s u c h   as  s in g le  p h ase  AC   p o w er   g en er atio n   s y s te m   w it h   DC - DC   co n v er ter s .   Fu el  ce ll  s y s te m   is   co n n ec ted   w it h   t w o   f u l b r id g e   is o lated   DC - DC   co n v er ter s   a s   s h o w n     in   Fi g u r 1 ,   w h ic h   ar co n n ec ted   w ith   h i g h   f r eq u e n c y   tr an s f o r m er   ( T f )   an d   ex tr e m a s m all  lea k a g e   in d u cto r   ( L lk )   ,   t h e   elec tr o l y tic  ca p ac ito r   ( C i )   as  th en er g y   b u f f er   in   t h p r i m ar y   H - b r id g ( p o r t - 1 ) ,   to   r ed u ce   th lo w   f r eq u e n c y   cu r r en r ip p le  in   th in p u s i d co n n ec ted   to   DC - b u s   v o lt ag ( Vd c)   w h ic h   is   co n n ec te d   to   a   s in g le  p h ase   v o ltag s o u r ce   in v er ter   f o r   th co n v er s io n   o f   t h DC - AC   f o r   th AC   lo ad s   o r   Gr id   co n n ec tio n .   I n   th is   cir c u i t   en er g y   tr a n s f er   o cc u r s   d u t o   th e   p h ase   s h i f b et w ee n   t h t w o   H - b r id g es,  p h ase  s h i f t( ϕ )   m o d u latio n   is   e m p lo y ed   to   p r o ce ed   th e   p o w er   f r o m   in p u p o r t - 1   to   o u tp u t   p o r t - 2   is   d eter m i n ed   b y   p h as an g le  ( ϕ )   b et w ee n   th p r i m ar y   w in d i n g   a n d   s ec o n d ar y   w i n d in g   v o lta g es  o f   t h tr a n s f o r m er ( T f ) ,   th at  i s   g i v en   t h p o w er   f lo ex p r ess io n   a s   [ 14 ] .     P FC = V FC 2 d π w L lk ( π - )      ( 1 )     w h er   V FC     -   is   t h f u el  ce ll D C   o u tp u t v o l tag   d   -   is   t h v o lta g tr an s f er   r atio   r ef er r ed   to   p r im ar y ,   L l k     -   is   t h leak a g i n d u cta n ce   o f   t h tr an s f o r m er ,   Φ   -   is   t h p h ase  s h if t b et w ee n   t h b r id g g ate  s ig n al s .   DC   v o lta g m u s b 2   ti m es  o f   th p ea k   v al u A C   v o lta g r eq u ir ed .   So   th v o ltag co n v e r s io n   r atio   is   v er y   h i g h   f o r   th m ed i u m   an d   h i g h   p o w er   r eq u ir e m en ts   w h er th n ee d   o f   is o lated   D C - DC   co n v er ter   is   ess e n tial  to   m ee th r eq u ir ed   v o ltag le v el  a n d   co n v e n tio n a b o o s co n v er ter s   ca n n o b u s ed   in   s u c h   ca s es.   T h d u al  ac tiv b r id g D C - D C   co n v er ter s   w h ich   w er o r ig in a ll y   p r o p o s ed   w i th   s o f s w itc h i n g   is   b etter   to p o lo g y   a m o n g   o th er s   f o r   f u e l c ell  ap p licatio n s .       3.   M O DALI N G   O F   T H E   S YS T E M   I n   t h liter at u r s o   m a n y   P E f u el  ce ll   m o d el s   ar r ep o r ted   b ased   in   t h t h er m o d y n a m ic  a n d   elec tr o ch e m ical  e x p r ess io n s .   T h f u el  ce ll  m o d el  co n s id er ed   w it h   co n s ta n h y d r o g e n   p r ess u r f lo w   in to   t h f u e l c ell  s tac k s   f o r   d y n a m ic  o p er atio n .   Fu el  ce ll o u tp u t v o lt ag is   e x p r ess ed   as  [ 15 ] .     V fc =E   -   V act   -   V c on c   -   V oh m     ( 2 )     w h er       is   o p en   cir cu it f u el  ce ll  v o lta g ( V oc )   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   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1676     1 6 8 4   16 78   V act       is   ac tiv atio n   v o lta g lo s s e s   at  ze r o   cu r r en t d en s it y   ( I o )   V conc       is   v o ltag d r o p   d u to   co n ce n tr atio n   lo s s es i n   f u el  i n p u   V ohm       is   v o ltag d r o p   o f   Oh m ic  lo s s es    Fro m   th e   ab o v ex p r es s io n   ( 2 )   an d   b ased   o n   th p o lar izatio n   cu r h as  b ee n   o b s er v ed   t h at   f u el  ce ll  ca n   o p er ated   w it h   t h lin ea r   r eg io n   w h ile  ch a n g in g   t h co n s tan i n ter n a r esis ta n ce   w it h   r esp ec tiv o f   o u tp u t   lo ad s .   So   b ased   o n   th is   o b s er v atio n   it c an   b li n ea r ized   b y   u s in g   t h e x p r ess io n   b elo w   ( 3 ) ,     V fc   E   -   R fc I fc     ( 3 )     w h er     R fc   -   is   li n ea r ized   r esis ta n ce     I fc     -   is   f u e l c ell  cu r r en t   So   its   g i v es t h d y n a m ic  o p er atio n   r eg io n   o f   th f u el  ce ll b etw ee n   th lo w er   a n d   u p p er   cu r r en t li m it s .   T h DC   v o ltag e   f r o m   t h e   f u el   ce ll  i s   co n v er ted   i n to   a   h i g h   f r eq u en c y   s q u ar w a v AC   v o l tag e( n o n - s in u s o id al)   at   th e   p r i m ar y   w i n d in g   s id o f   th e   tr an s f o r m er   b y   t h H - b r id g o f   p o r t - 1 .   T h co n v er ted   AC   v o ltag is   s tep p ed   u p   to   h i g h   v o ltag s q u ar w a v e( n o n - s i n u s o id al)   at  s ec o n d ar y   w i n d i n g   o f   th e   tr an s f o r m er   b y   t h H - b r id g o f   p o r t - 2   w it h   d esire d   p h ase  s h i f to   m e et  th r eq u ir ed   lo ad   p o w er .   T h o u tp u o f   t h H - b r id g o f   P o r t - 2   is   h ig h   DC   v o ltag e.   As  s h o w n   i n   Fi g u r 2   w av e f o r m s   o f   th v o lta g e,   cu r r e n ts   i n   p r i m ar y   w i n d in g   a n d   s ec o n d ar y   w i n d i n g s   o f   th tr an s f o r m er .   T h in s tan ta n eo u s   v al u o f   th p r im ar y   cu r r e n at  an y   g iv e n   in s tan o f   θ’   a s   f o llo w s   t h ex p r ess io n s   ar e,     i ( θ ) = {     i ( 0 ) + ( V i + V o wL ) θ,                                       0 <w t< i ( ) + ( V i - V o wL ) ( θ - ) ,   <w t < π   ( 4 )     T h ex p r ess io n   ( 4 )   ca n   b d ed u ce d   to   g et  t h v al u es  o f   t h c u r r en ( i p )   in   t h p r i m ar y   s id o f   th tr a n s f o r m er   ex p r ess ed   as,     i P ( 0 )    = - V fc w L lk [ d - π* ( 1 - d ) 2 ] i P ( )   V fc w L lk [ + π* ( 1 - d ) 2 ]                                         }     ( 5 )     W h er th f ir s t z er o   cr o s s in g   p o in t ( y )   o f   i p   f o r m   F ig u r 2   is   g iv en   a s       y= 2d ( 1 - d ) 2 ( 1+ d )        ( 6 )       V 2 V p Φ wt wt wt V fc V 0 - V fc - V 0 i p Φ i i i o A ve r age π  wt wt y     Fig u r 2 .   Vo ltag an d   C u r r en W av ef o r m s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S in g le  P h a s P o w er Ge n era tio n   S ystem  fr o F u el  C ell  ( N a g esw a r a   R a o   K u d ith i)   1679   T h b o u n d ar y   co n d itio n s   [ 16 ]   o f   th H - b r id g i n   t h p r im ar y   w i n d i n g   s id v o ltag e( L V)   an d   H - b r id g in   t h s ec o n d ar y   w in d i n g   s id v o ltag e( HV)   f o r   Z er o   v o ltag e   s w itc h i n g   ( Z VS)   ar f o u n d   to   b i p   ( 0 )   0   an d   i p   ( ϕ )   0   r esp ec tiv el y .   T h is   ca n   b f o u n d   b y   s u b s tit u ti n g   i p   ( 0 )   0   an d   i p   (ϕ)   0 ,   w h ic h   w ill  e n s u r n eg at iv c u r r en in   t h L H - b r id g th r o u g h   th d io d es  cla m p in g   th v o ltag ac r o s s   t h e   s w i tch e s   to   b th n eg l ig ib le  f o r w ar d   v o lta g d r o p   ac r o s s   th e m   e n ab lin g   al m o s t   ze r o   v o ltag at  th ti m o f   t u r n   ON.   Si m ilar l y ,   p o s itiv cu r r e n i n   th H H - b r id g m a k es  th d io d es  co n d u ctio n   e n s u r in g   al m o s ze r o   v o ltag ac r o s s   t h e   s w itc h es a t   th e   ti m o f   tu r n   O N.   Du r i n g   th e   tu r n   O FF   p r o ce s s ,   t h ca p ac ito r s   ac r o s s   th e   s w itc h e s   s to r t h O N   s tate  v o lta g an d   e n ab les t h Z VS a t t h ti m o f   t u r n   OF F.  W h ich   w i ll g r ea tl y   r ed u ce   t h s w itc h in g   lo s s es a n d   h en ce   i n cr ea s t h ef f icie n c y .   Av er ag p o w er   tr an s f er r ed   to   th lo ad   f r o m   th f u el  ce ll is   e x p r ess ed   b elo w   a s ,       P FC = V FC I A ve       ( 7 )     W h er I av     V FC d ( π - ) π w L lk   f r o m   th e x p r ess io n s   o f   ( 1 ) ,   ( 4 )   an d   ( 5 ) .   B ec au s o f   th h al f   w a v s y m m etr y   o f   t h w av f o r m   s h o w n   in   Fi g u r 2 .   I t   g iv es  t h av er ag p o w er   tr an s f er   ex p r ess io n   as b elo w     P FC   V FC 2   d ( π - ) π w L lk     ( 8 )     Hen ce   t h a v er ag e   cu r r e n ca n   b u s ed   f o r   m o d ell in g   o f   t h DA B ,   w h ic h   i s   n o n - li n ea r   f u n ctio n   o f   th e   p h ase   s h i f t ϕ   as  g iv e n   b elo w     I a v e = V FC d w L lk K      ( 9 )     W h er         K   ( π - ) π   T h av er ag ed   m o d el  o f   t h D A B   i s   s h o w n   i n   Fi g u r e   3   w h ic h   g i v es  th e   o p en   lo o p   tr an s f er   f u n ctio n   o f   th s y s te m   as      G DA B ( s ) = K C 0 1 s      ( 1 0 )     C dc I a ve I L I C V dc _ + K ϕ 1 / C dc 1 / S V dc I C I a v e I L _ + f ( ϕ )   D c urre nt   s our c e f ( ϕ ) R L     Fig u r 3 .   m o d elin g   cir cu it s   o f   DA B       4.   I NVE RT E W I T H   L C - F I L T E R   T h DA B   co n v er s lo w   D C - v o ltag to   h ig h   D C - v o lta g f r o m   th f u el  ce ll  in   o r d er   to   AC   v o ltag e   as  p ar o f   m u lt is ta g p o w er   co n v er ter   to p o lo g y .   A   s w itc h e d   m o d DC - AC   i n v er ter   is   co n s id er ed   f o r   g r id   o r   AC   lo ad   co n n ec ted   f u el  ce ll   s y s te m s .   T h m a g n i tu d a n d   t h f r eq u en c y   o f   th e   s i n u s o id al  AC   o u tp u ca n   b e   co n tr o lled   in   t h ese  i n v er ter s .   T h o u tp u o f   t h i s   in v er ter   m u s b m atc h ed   w it h   t h m ag n it u d e,   f r eq u e n c y   a n d   p h ase  o f   t h s p ec if ied   AC   lo a d   o r   g r id   v o ltag e,   w h ich   i s   ac h iev ab le  in   t h i s   s w itc h ed   m o d in v er te r .     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   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1676     1 6 8 4   1680   T h h ig h   f r eq u en c y   s w itc h i n g   o f   th p u ls w id t h   m o d u lat io n   ( P W M)   in v er ter   r esu lts   f r o m   n o n - s in u s o id al  v o lta g at   th e   o u t p u w it h   h i g h   f r eq u en c y   d i s t o r tio n s .   T h ese  n o n - s i n u s o id al   v o lta g es   ca u s t h e   cu r r en to   b h i g h l y   d is to r ted   w h e n   co n n ec ted   to   th lo ad   o r   th g r id .   An   L C - f ilter   m ad u p   o f   in d u cto r   L f   i n   s er ies  w it h   t h lo ad   an d   ca p ac ito r   C f   p ar allel  to   th lo ad .   I t’ s   p o s s e s s   t h ad v a n ta g es  o f   th L - f il ter   an d   C - f ilter .   A s id f r o m   t h i s   r ip p le  f ac to r   in   L C -   f il ter   is   lo w er   v alu t h an   t h at  ac q u ir b y   e it h er   o n o f   th b o t h   f ilter s   ( L   o r   C )   f o r   th s a m v a lu es.  Fig u r 4   s h o w s   t h u s o f   t h L C - f ilter   f o r   m i n i m izi n g   th r ip p le  f r o m   th e   v o ltag o f   s in g le - p h a s i n v e r ter   o u tp u t.  T h d o m i n an t   h ar m o n ic s   ar s u p p r ess   b y   th e   f i lt er   in d u cto r   ( L F )   an d   th C ap ac i to r   ( C f )   p r o v id es a   s i m p le  w a y   to   t h h ar m o n ic  r ip p le  cu r r en ts   [ 17 ] - [ 19 ] .           Fig u r 4 .   s in g le  p h ase  f u ll b r id g in v er ter   w it h   L C - f ilter       I n d u cta n ce   v al u ( L f )   o f   t h f il ter   is   co m p u ted   s u ch   t h at  t h v o ltag d r o p   in   th in d u cto r   is   n o t m o r th an   3 % to   5 % o f   t h i n v er ter   o u tp u t v o lta g V o .     f o L f I L max   0 . 0 3 * V o L f   0. 03* V o f o I L max           }     ( 1 1 )     W h er e   f o   - is   o u tp u f r eq u en c y   o f   t h L - C   f il ter   5 0 Hz,   L f   -   is   i n d u cta n ce   o f   f ilter ,   I L m a x   - is   m a x i m u m   R MS  ( r o o m ea n   s q u ar e)   o f   lo ad   cu r r en t,   V o     - is   t h o u tp u t v o lta g R M S v a lu e.   C ap ac itan ce   v alu ( C f )   o f   th f ilter   is   co m p u ted   w it h   t h h elp   o f   r eso n an ce   r elatio n   as,      C f = 1 ( f r ) 2 L f      ( 1 2 )     W h er e   f r     is   cu t - o f f   f r eq u e n c y   o f   L C - f i lter .       5.   DE S I G O F   T H E   P I - CO N T RO L L E   No w   s in g le  p h ase  i n v er ter   is   co n s id er ed   to   b as  th lo ad ,   it  s h o u ld   b ch o s e n   s o   a s   t o   li m it  t h e   b an d w id t h   b elo w   t h d o u b le  l in f r eq u e n c y   o f   t h lo ad ,   w h ich   allo w s   d o u b le  li n f r eq u en c y   r ip p le  i n   t h e   v o ltag o f   t h DC - b u s .   A   lo w   p ass   f ilter   is   i n tr o d u ce d   t o   lim it  t h f r eq u e n c y   o f   th r ip p le  cu r r en ex tr ac ted   f r o m   f u el  ce l l.  T h ti m co n s t an T f   o f   th lo w   p a s s   f ilter   is   ch o s en   to   li m it  i n   o n l y   D C   c u r r en e x tr ac f r o m   th f u el  ce ll,  w h ic h   is   g o o d   f o r   th f u el  ce ll  m e m b r a n e.   PI - co n tr o ller   is   co n s id er ed   i n   t h e   s y s te m   f o r   th e   s tab ili t y   i n   t h v o lta g o f   t h DC - b u s   u n d er   t h e   d esire d   s et  p o in an d   d is t u r b a n ce   v ar iat io n s   a s   s h o w n   in   th e   Fig u r 5 .   I n   th is   d esi g n   an   e x ten d ed   s y m m etr ical   o p tim u m   m et h o d   ( E SOM)   [ 20 ]   is   u s ed   i n   t h tu n i n g   o f   th co n tr o ller .   T h g ai n   o f   t h o p en   lo o p   s y s te m   i s   g iv e n   b elo w   a s     G OL ( s )    K p K c ( 1+ T c s ) s 2 ( 1+ T F s )        ( 1 3 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S in g le  P h a s P o w er Ge n era tio n   S ystem  fr o F u el  C ell  ( N a g esw a r a   R a o   K u d ith i)   1681       Fig u r 5 .   DC   li n k   v o ltag lo o p   co n tr o l       T h s y s te m   d er iv f r o m   v ar iab le  g ai n   p r o ce s s   i n   w h ic h   K   =   ( π - ) π     i s   v ar ian t.   Hen ce   t h E SO M   is   s u itab le   f o r   th i s   t y p o f   p l an w i th   v ar iab le  p ar a m eter   Kp   ch o s e n   to   co m p u te  t h p ar a m eter s   o f   t h e   P I   co n tr o ller .   I p r o v id es  t h v a lu es   o f   p ar a m eter s   Kc   an d   T at  t h m ed ian   o f   K ϕ,   s o   th at  m a x i m u m   p h a s e   m ar g i n   is   e n s u r ed   a t th g iv e n   cr o s s o v er   f r eq u e n c y   ( w c )   ev e n   if   K ϕ   i s   d is p ar ate.   Fro m   th E S OM ,   P I   co n tr o ller   P ar am eter s   K c   a n d   T c   as     K p K c   1 β β T F 2     an d T c   =  β T F                                               }     ( 1 4 )     W h er β -   is   p ar a m eter   ch o s en   b et w ee n   4   an d   1 6   b ased   o n   r eq u ir ed   s y s te m   p er f o r m an ce   [ 20 ]   s u ch   as  r is ti m e,   p ea k   o v er s h o o t,  an d   s ettli n g   ti m e.   W h e n   β<4   th p h a s m ar g i n    < 36   w h ic h   i s   to o   s m al l   an d   w h en   β  >1 6   th p h ase  m ar g in    > 60   w h er s u ch   h ig h   v a lu e s   ar n o n ec ess ar y .   I n   t h is   s i m u latio n   th p ar a m eter   β is   c h o s e n   as 6   f o r   m ax i m u m   p h ase  m ar g in   o f   45   o f   th o p en - lo o p   s y s te m .   T h o p en - lo o p ( OL )   an d   clo s e d   lo o p ( C L )   b o d d iag r a m s   ar as  s h o w n   i n   t h F ig u r 6 ( a)   an d   ( b ) .   I ca n   f o u n d   th at  t h m a x i m u m   p h ase  m ar g i n   o f   4 5 . 6 o   is   g iv en   b y   th co n tr o ller   at  2 5   Hz   w it h   th lo w - p a s s   f ilter .         ( a)     ( b )     Fig u r 6 ( a)   B o d e - d iag r a m   o f   th O L   s y s te m ( b )   B o d e - d iag r a m   o f   t h C L   s y s te m       Fro m   th e x p r ess io n s   ( 1 3 )   an d   ( 1 4 )   th o p tim al  clo s ed   lo o p   g ain   o f   t h en t ir s y s te m   is       G CL ( s )    =   β T F s + 1 β β T F 3 s 3 β T F 2 s 2 T F s + 1     ( 1 5 )     T h cu t - o f f   f r eq u en c y   w c   o f   t h DC - b u s   v o ltag co n tr o l lo o p   is   s elec ted   f o r   th lo w   p ass   f il ter       w c = 1 β T 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   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1676     1 6 8 4   1682   T h cu o f f   f r eq u e n c y   w is   c h o o s as  2 5 Hz .   T h p h ase  m a r g in   i s   8 9 o   at  3 2 . 9 Hz  o f   th c lo s ed   lo o p   s y s te m   f r o m   t h b o d d iag r am   as  s h o w n   in   t h F i g u r 6 ( b ) .   T h is   en s u r es  t h at   s tab le  o p er atio n   o f   th s y s te m   w it h i n   t h d o u b le  lin f r eq u en c y   o f   t h in v er ter   lo ad   w it h   t h s af r an g o f   r ip p le  cu r r en t i n   th f u el  ce ll.         6.   SI M UL AT I O R E S UL T   Si m u latio n   o f   t h m o d el  i s   d o n w it h   M A T L A B /Si m u lin k   b y   u s in g   t h e   p o w er   s y s te m   b lo ck   s et s   co n n ec ted   to   th t w o   H - b r id g es  w i th   h i g h   f r eq u e n c y   tr an s f o r m er   f o r   d if f er e n lo ad s .   T h co n s tan D C   v o ltag s o u r ce   w a s   c h o s en   with   0 . 3 3 3 o h m   r esi s ta n ce ,   w h i ch   is   eq u al  to   t h d y n a m ic  r esis ta n ce   o f   1 k W   Ho r izo n   f u el  ce ll.  T h s i m u la tio n   w a s   d o n in   t w o   p ar ts ,   t h f ir s p ar w it h o u i n v er ter   o n l y   r esi s ti v lo ad s .     T h s i m u latio n   r es u lt s   ar s h o w n   in   F ig u r 7   f o r   lo ad   v o ltag e   (V o )   an d   lo ad   cu r r en ( I o )   w it h   r esp ec to   th e   lo ad   ch a n g es,  i n p u t   v o lta g ( Vi)   an d   i n p u c u r r en t   ( I i)   as  t h lo ad   d if f er s   f r o m   2 0 0 W   to   1 0 0 0 W   an d   to   4 0 0 W .   T h m a x i m u m   r ip p le  i n   th i n p u c u r r en ( I i)   is   o cc u r r ed   2 A   w h e n   it  is   co n n ec ted   to   f u l lo ad   1 0 0 0 W ,   it  is   s af r an g f o r   f u el  ce l l.  T ab le  1   g iv es t h s i m u l atio n   p ar a m et er s .           Fig u r 7 .   in p u t a n d   o u tp u v o lt ag an d   cu r r en ts   f o r   lo ad   2 0 0 W   to   1 0 0 0 W   an d   to   4 0 0 W       T ab le  1 .   P ar am eter s   a n d   r esp ec tiv v a lu e s   D A B   I n v e r t e r   I n p u t   v o l t a g e ,   V fc   50V   I n p u t   v o l t a g e ,   V s     4 0 0 V   I n t e r n a l   r e si st a n c e ,   R f c   0 . 3 3 3   o h m   O u t p u t   v o l t a g e ,   ( R M S )   V o     2 2 0 V   I n p u t   c a p a c i t a n c e ,   Ci   4 7 0 0   μF   F i l t e r   i n d a c t a n c e ,   L f   0 . 0 5 1   μH   O u t p u t   v o l t a g e ,   V o   4 0 0 V   S w i t c h i n g   f r e q e n c y ( i n v e r t e r ) ,   f s i n v     1 0 k H z   O u t p u t   c a p a c i t a n c e ,   C o   1 0 0 0   μF   C u t - o f f   f r e q u e n c y ,   f r   3 k H z   M a x i m u m   o u t p u t   p o w e r ,   P o   1 0 0 0   W   O u t p u t   f r e q u e n c y ,   f o   5 0 H z   S w i t c h i n g   f r e q e n c y ( D A B ) ,   f s   2 0 k H z   O u t p u t   c a p a c i t a n c e ,   C f     0 . 5 4 8   μF   L e a k a g e   i n d a c t a n c e ,   L lk   1 1 . 7 1   μH           T h s ec o n d   p ar o f   t h s i m u l atio n   r es u lt  i s   s h o w n   i n   Fi g u r 8   ( a)   an d   ( b ) .   ar th f u el  c ell  v o lta g e   an d   cu r r en t   w it h   i n v er ter   i n p u v o lta g ( V dc ) ,   i n v er ter   o u tp u v o lta g e   ( Vs),   i n d u cto r   cu r r en ( i L ) ,   o u tp u t   v o ltag o f   L C - f ilter   ( V o ) ,   an d   o u tp u t c u r r e n t ( I o )   f o r   R ,   an d   R L   lo ad   w it h   u n ip o lar   P W c o n tr o ller .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S in g le  P h a s P o w er Ge n era tio n   S ystem  fr o F u el  C ell  ( N a g esw a r a   R a o   K u d ith i)   1683         Fig u r 8 ( a) .   R esu lt o f   in v er ter   w it h   L C - f ilter   o u tp u ts   f o r   R - L o ad           Fig u r 8 ( b ) .   R esu lt o f   i n v er ter   w it h   L C - f ilter   o u tp u ts   f o r   R L - L o ad       7.   CO NCLU SI O N     Du al  ac ti v b r id g DC - DC   c o n v er ter   co n s id er ed   as  s i n g le   p h ase  g e n er atio n   s y s te m   f o r   f u el  ce l l   ap p licatio n s   a n d   av er a g s m all  s i g n al  m o d el  h as  b ee n   d ev elo p ed   f o r   it.  Si m u la tio n s   ar d o n b y   u s i n g   MA T L A B /S i m u li n k   p o w er   s y s te m   b lo ck   s et s .   A   P I   co n tr o ller   h as  b ee n   p r o p o s ed   an d   d ev elo p ed   f o r   s y s te m   s tab ilit y   u n d er   th d esire d   o u tp u an d   v ar ies  lo ad s   u s i n g   E S OM   w i th   D C   lo ad   v ar iatio n s   o f   2 0 0 W   to   1 0 0 0 W   an d   4 0 0 W   as sh o w n   in   F ig u r 7 .     I m p le m e n ted   th L C - f ilter   w it h   th D A B   to   g et  t h s i n u s o id al  v o ltag e   a s   s h o w n   i n   F ig u r es   8   ( a)   an d   ( b )   f o r   d if f er en lo ad s   b y   ch o o s in g   h i g h   r esi s tan ce   an d   lo in d u cta n ce   i n   t h AC   lo ad   to   g et  t h m ax i m u m   p o w er   o u tp u t.  T h is   s y s te m   d e s ig n   ca n   b u s ed   f o r   t h i m p li ca tio n   o f   t h r ee   p o r b id ir ec tio n al  d c - d co n v er ter   o f   f u el  ce ll a p p licatio n   a n d   u s it a s   s in g le  p h a s A C   p o w er   g en er atio n .       RE F E R E NC E S   [1 ]   D u d ley   B. ,   BP   sta ti st ica re v ie w   o f   w o rld   e n e rg y   2 0 1 5 ,”   L o n d o n ,   UK ,   2 0 1 5 .   [2 ]   Blaa b jerg   F . e a l .,   P o w e e lec tro n ics   a e ff icie n in terf a c e   i n   d is p e rse d   p o w e g e n e ra ti o n   sy ste m s ,”   IEE T ra n sa c ti o n o n   Po we r E lec tro n i c s ,   v o l.   19 ,   p p .   1 1 8 4 - 94 2 0 0 4 .   [3 ]   G o h   H H . e a l. ,   P re d ictiv e   Dire c P o w e Co n tr o ( P D P C)  o f   G rid - c o n n e c ted   Du a l - a c ti v e   Bri d g e   M u lt il e v e In v e rter  (D A BM I) ,”   In ter n a ti o n a J o u rn a o P o we El e c tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms   ( IJ PE D S) v o l.   8 ,   p p .   1 5 2 4 - 33 2 0 1 7 .   [4 ]   Zg h e ib   R .   a n d   Ka m w a   I. ,   Co m p a riso n   b e tw e e n   iso late d   a n d   n o n - iso late d   DC - DC  c o n v e rters   f o b id irec ti o n a E c h a rg e rs ,”   2 0 1 7   I EE I n ter n a ti o n a Co n fer e n c e   o n   In d u stri a T e c h n o l o g y   ( ICIT ) ,   p p .   5 1 5 - 20 2 0 1 7 .   [5 ]   Zh a o   B . e a l. ,   Ov e rv ie w   o f   D u a l - A c ti v e - Brid g e   Iso late d   Bid ir e c ti o n a DC DC  Co n v e rter  f o Hig h - F re q u e n c y - L in k   P o w e r - Co n v e rsio n   S y ste m ,”   IEE T r a n sa c ti o n s   o n   Po we r E lec tro n ics ,   v o l.   29 ,   p p .   4 0 9 1 - 1 0 6 2 0 1 4 .   [6 ]   A th ik k a S . e a l . ,   A   m o d if ied   d u a in p u DC - DC c o n v e rter  f o Hy b rid   En e rg y   A p p li c a ti o n ,   In ter n a ti o n a l   J o u r n a l   o P o we r E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms   ( IJ PE DS ) ,   v o l.   8 ,   p p .   81 - 92 2 0 1 7 .   [7 ]   Ja f ri   N H .   a n d   G u p ta  S . ,   A n   o v e rv ie o F u e Ce ll a p p li c a ti o n   in   tran sp o rtatio n ,”   2 0 1 6   IE EE   T ra n sp o rta ti o n   El e c trif ica ti o n   Co n fer e n c e   a n d   E x p o ,   Asi a - P a c if ic ( IT EC  Asia - P a c if ic) ,   p p .   1 2 9 - 33 2 0 1 6 .   [8 ]   A li   D M .   a n d   S a l m a n   S . ,   A   c o m p re h e n siv e   r e v ie o f   th e   fu e c e ll tec h n o lo g y   a n d   h y d ro g e n   e c o n o m y ,”   Un ive rs it ies   Po we En g in e e rin g   Co n fer e n c e ,   2 0 0 6   UPEC '0 6   Pro c e e d in g o t h e   4 1 st  I n ter n a t io n a l:   IEE E ,   p p .   9 8 - 102 2 0 0 6 .   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   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1676     1 6 8 4   1684   [9 ]   P ra se ty a   T . e t   a l. ,   De sig n   o F u ll - b r id g e   DC - DC  Co n v e rter  3 1 1 - 1 0 0   V   1 k W   w it h   P S P W M   M e th o d   to   G e ZV S   Co n d it io n ,”   I n ter n a ti o n a l   J o u r n a l   o P o we r E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms   ( IJ PE DS ) ,   v o l.   8 ,   p p .   59 - 68 2 0 1 7 .   [1 0 ]   X u e   L . e a l. ,   Du a a c ti v e   b rid g e - b a se d   b a tt e r y   c h a r g e f o p lu g - in   h y b rid   e lec tri c   v e h icle   w it h   c h a rg in g   c u rre n t   c o n tain i n g   lo w   f re q u e n c y   rip p le ,”   IEE T r a n sa c ti o n s   o n   Po we r E lec tro n ics ,   v o l.   30 ,   p p .   7 2 9 9 - 3 0 7 2 0 1 5 .   [1 1 ]   S h a h   S S .   a n d   Bh a tt a c h a ry a   S . ,   L a r g e   &   s m a ll   si g n a m o d e li n g   o f   d u a a c ti v e   b rid g e   c o n v e rter  u sin g   im p ro v e d   f irst  h a r m o n ic ap p r o x im a ti o n ,”   Ap p li e d   Po we r E lec tro n ics   Co n fer e n c e   a n d   Exp o siti o n ,   IEE E ,   p p .   1 1 7 5 - 82 2 0 1 7 .   [1 2 ]   T a o   H . e a l. ,   T ra n s f o rm e r - c o u p led   m u lt ip o rt  Z V S   b id irec ti o n a DC DC  c o n v e rter   w it h   w id e   in p u ra n g e ,”   IEE T ra n sa c ti o n o n   Po we r E lec tro n i c s ,   v o l.   23 ,   p p .   7 7 1 - 81 2 0 0 8 .   [1 3 ]   Ja m e L .   a n d   A n d re w   D. ,   F u e c e ll   sy ste m s e x p lain e d ,”   Ch ich ste r ,   Jo h n   W il e y   &   S o n s L td . ,   2 0 0 3 .   [1 4 ]   Do n c k e R .   W .   A A D . e a l. ,   A   th re e - p h a se   so f t - s w it c h e d   h ig h - po w e r - d e n sity   DC/DC  c o n v e rter   f o h ig h - p o w e a p p li c a ti o n s ,”   IEE E   T ra n sa c ti o n s   o n   In d u stry   Ap p li c a ti o n s ,   v o l.   27 ,   p p .   63 - 73 1 9 9 1 .   [1 5 ]   T re m b la y   O .   a n d   De ss a in L A. ,   A   g e n e ric  f u e c e ll   m o d e f o th e   s im u latio n   o f   f u e c e ll   v e h icle s ,”   Veh icle   Po we r   a n d   Pro p u lsi o n   Co n fer e n c e ,   IEE E ,   p p .   1 7 2 2 - 9 2 0 0 9 .   [1 6 ]   A z ri  M . e a l. ,   F u e Ce ll   Em u lato w it h   M P P T   T e c h n iq u e   a n d   Bo o st  C o n v e rter ,”   In ter n a ti o n a J o u rn a l   o P o we r   El e c tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms   ( IJ PE DS ) ,   v o l .   8 ,   p p .   1 8 5 2 - 62 2 0 1 7 .   [1 7 ]   Bim b h ra   P .   a n d   Ka u S . ,   P o w e e lec tro n ics ,”   Kh a n n a   p u b li sh e rs ,   2 0 1 2 .   [1 8 ]   T a li   M . e t   a l. ,   P a ss iv e   f il ter  f o h a r m o n ics   m it ig a ti o n   in   sta n d a l o n e   P V   sy ste m   f o n o n   li n e a lo a d ,”   Ren e wa b le  a n d   S u sta i n a b le E n e rg y   Co n fer e n c e   ( IRS EC),   2 0 1 4   I n ter n a ti o n a l:   I EE E ,   p p .   4 9 9 - 5 0 4 ,   2 0 1 4 .   [1 9 ]   T e r y i m a   K D . e a l. ,   A   O v e rlap p in g   Ca rrier  Ba se d   S P W M   f o a   5 - L e v e C a sc a d e d   H - b rid g e   M u lt il e v e In v e rter ,”   In ter n a t io n a J o u rn a o P o we r E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms   ( IJ P EDS ) ,   v o l.   7 ,   p p .   3 4 9 - 57 2 0 1 6 .   [2 0 ]   P re it S .   a n d   P re c u p   R E. ,   T e c h n ica Co m m u n iq u e A n   e x ten sio n   o f   tu n in g   re latio n a f ter  s y m m e tri c a o p ti m u m   m e th o d   f o P I   a n d   P ID co n tro l lers ,”   Au t o ma ti c a   ( J o u rn a l   o IFA C) ,   v o l.   35 ,   p p .   1 7 3 1 - 6 1 9 9 9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.