I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  Au g u s t 2 0 2 0 ,   p p .   1 7 3 ~1 9 2   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e. v 9 . i2 . p p 1 7 3 - 1 9 2          173       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   Series a ctive  po w er f il ter   su pplied  by  f uel c ell    for   mitig a ting po wer quality   iss ues       Abda lla h B e n Abde lk a der,   O t hm a ne  Abdelk ha lek ,   Yo u s s ef   M o ulo u di,    M o ha m ed  Am ine H a rt a ni,  B ena bid   Sli m a ne   F a c u lt y   o f  Tec h n o l o g y ,   U n iv e rsit y   o f   Tah ri  M o h a m m e d   Be c h a r,   Alg e ria       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 5 ,   2 0 1 9   R ev is ed   Feb   1 9 ,   2 0 2 0   Acc ep ted   Ma r   3 ,   2 0 2 0       In   th is  p a p e r,   th e   c o m b in a ti o n   o f   th e   se ries   a c ti v e   p o we r  fi lt e r  ( S APF )   with     a  fu e l  c e ll   (F C)  so u rc e   is  d e li b e ra ted .   Th e   FC   b a se d   o n   t h e   S APF   a ims   to   c o m p e n sa te  v o lt a g e   d e v iatio n s  o r  d istu r b a n c e s  th a t  o c c u r  in   t h e   sy ste m   c a u se d   b y   p o we r  q u a li t y   issu e s.  Th e   p ro p o se d   s y ste m   c o n sists   o f   a   fu e l  c e ll   so u rc e   c o n n e c ted   to   th e   DC  l in k   th r o u g h   two   DC - DC   c o n v e rter s,  th e   first   e x t r a c ts   t h e   m a x i m u m   p o w e r   o f   t h e   F C   s o u r c e   t h r o u g h   p u l s e   w i d t h   m o d u l a t i o n   ( P WM )   si g n a ls  g e n e ra ted   fro m   t h e   m a x imu m   p o we r  p o i n t  trac k e r  ( M P P T )   c o n tro ll e r.   T h u s,   th e   se c o n d   c o n v e rter  is  u se d   to   re g u late   th e   h i g h   v o lt a g e   sid e   o f  th e   c o n v e rter  th ro u g h   c lo se d   c o n tr o l  lo o p s,  i n   a d d i ti o n   t o   a   v o lt a g e   s o u r c e   i n v e r t e r   ( V S I )   a n d   a   s e r ie s   i n j e c t i o n   t r a n s f o r m e r .   De s p i t e   o f   f lu c t u a t i o n s   o f   t h e   D C   l i n k   d u r i n g   t h e   c o m p e n s a t i o n   o f   t h e   n e e d e d   e n e r g y ,   M P P T     a n d   c l o s e d   c o n t r o l   l o o p s   g e n e r a t e   P W M   s i g n a l s   t o   t h e   s w i t c h i n g   d e v i c e s   o f  DC - D C   b o o s t   c o n v e r t e rs   i n   o r d e r   t o   e x t r a c t   m a x i m u m   f u e l   c e l l   p o w e r   a n d   t o   m a i n t a i n   t h e   b u s   v o l t a g e   w i t h i n   i t s   l i m i t s   a n d   a r o u n d   i t s   r e f e r e n c e   v a l u e s  r e s p e c t i v e l y .   T h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   i s   s i m u l a t e d   i n   M A T L AB / S i m u l i n k   s o f t w a re ,   w h e r e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s  s h o w   t h a t   t h e   p r o p o s e d   F C   b a s e d   S A P F   c a n   e f f i c ie n t l y   r e d u c e   p r o b l e m s   o f   v o l t a g e   s a g s - w e l ls   a n d   h a r m o n i c s .   K ey w o r d s :   DC - DC   co n v er ter s     DC   lin k     Fu el  ce ll   M ax im u m   p o wer   p o i n t tr ac k er   P u ls e  wid th   m o d u latio n   Ser ies ac tiv e  p o wer   f ilter   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ab d allah   B en   Ab d elk a d er ,   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  o f   E n g in ee r in g ,   T ah r i M o h am m ed   B ec h ar   Un i v er s ity ,     B P 4 1 7   R o u te  d eKe n ad s a,   0 8 0 0 0   B ec h ar ,   Al g e r ia.   E m ail:  Ab d allah b en a b d elk ad e r @ y ah o o . f r .       1.   I NT RO D UCT I O N   Giv en   th e  d em an d   o f   im p r o v in g   th e  p o wer   q u ality   es p ec ially   in   in d u s tr y ,   wh er e  th e  cr itical  eq u ip m en t   an d   s en s itiv e  lo ad s   ar e  wid ely   u s ed   an d   th e ir   p o wer   s u p p ly   s h o u ld   n o t   in ter r u p ted .   Her e,   u n in ter r u p ted ,   clea n   an d   r eg u lated   p o wer   s u p p ly   is   r eq u ir e d   wh en   f ee d in g   lo ad s   th at  h a v e  im p o r tan t  task s .     I n   o th er   h a n d ,   m o s t  co m m o n   v o ltag e  d is tu r b an ce s   ap p ea r   in   alter n ativ e  cu r r en t  ap p lian ce s   AC   p r o v id in g     a  r ed u ctio n   in   v o ltag e  a m p litu d e  k n o wn   as  s ag .   T h u s ,   s ag   an d   in te r r u p tio n s   p r o v id e  m o s t  o f   th e  i n d u s tr ial   p r o b le m s   ( 9 0 %)  th at  af f ec t  th eir   s u p p ly   q u ality   [ 1 ] .   Oth er ,   s well  p r o b lem   is   also   am o n g   d is tu r b an ce s   th at   af f ec t  th e  p o wer   q u ality ,   wh i ch   is   d ef in ed   b y   a  r is in g   in   v o ltag e  am p litu d e  ab o v e  its   n o m in al  v alu e  [ 2 ] .     I n   ad d itio n ,   h a r m o n ic  d is to r ti o n   ca n   p r o v id e  h u g e  p r o b lem s   in   th e  wh o le  o f   th e  p o wer   co n v er s io n   ch ain   s u ch   as  h ea tin g   th e  s y s tem   co m p o n en ts ,   m ec h an ical  o s cillatio n s ,   u n p r ed ictab le  b eh a v io r   o f   p r o tectin g   d e v ices,     an d   m ay   ca u s e  d am ag e   [ 3 ,   4 ] .   Du e  to   th ese  p r o b lem s ,   it  is   n ec ess ar y   to   ap p r o v e  p r o tectin g   d ev ices  an d   e f f ec tiv e  s o lu ti o n   to   s o lv e   s u ch   d is tu r b an ce s .   I n   th is   p ap er ,   we  f o cu s   o n   s er ies  ac tiv e  p o wer   f ilter   SAPF   in   o r d er   to   m itig ate  s ag - s wel l   an d   h ar m o n ics  [ 5 - 8 ]   th at  af f ec t  o u r   s y s tem .   SAPF   h av e  th e  s am e  to p o lo g y   as  th e   ac tiv e  f ilter ,   with     an   ex ce lle n t  d y n a m ic  ca p ab ili ty   to   r esto r e  th e  lo ad   v o ltag e  to   i  n o m in al  v alu e  with in   a  f ew  m illi s ec o n d s   as   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  Au g u s t 2 0 2 0 :   1 7 3   –   1 9 2   174   well  p r o v id in g   p o wer   d is r u p tio n   to   th e  s u p p lied   lo ad s .   I n   o th er   r esear ch es,  th e  s er ies   to p o lo g y   aim s   t o   co m p en s ate  th e   s ag   with   ac t iv e  p o wer   [ 9 ].   I n   p o wer   q u a lity   d o m ain ,   v a r io u s   p a p er s   h as  u s ed   class ical    an d   in tellig en t  co n tr o ller s   in   o r d er   to   im p r o v e  th e  s tab ilit y ,   r o b u s tn ess   an d   ex ce llen t  d y n am ic  r esp o n s e  o f     th e  APFS   as m en tio n ed   in   [ 4 ,   10 - 12 ].   T h e  s er ies  AP F  s y s tem s   n ee d   ce r tain ty   to   p r o v i d e  ac tiv e  p o wer   in to   th e  p o wer   s y s tem   to   m ain tain     th e  lo ad   v o ltag e  lev el  d u r in g   v o ltag e  s ag .   At  th e  s am e  tim e ,   th e  p o wer   f lo w  in   th e  s er ies  SAPF   s y s tem   h as  d r asti ca lly   in cr ea s ed   d u r in g   t h e  s o u r ce   v o ltag e   s ag .   T h u s ,   ad d itio n al  en e r g y   s o u r ce s   n ee d   to   b e  ad d ed   i n to     th e  s er ies  APF  s y s tem   DC - lin k .   Ho wev er ,   FC   ca n   ca u s e  th e   n eg ativ e  ef f ec ts   o n   th e  ex is tin g   p o wer   s y s tem s .   T h at  is ,   s o m e  p o ten tial  p r o b lem s   m ig h t  b e  o cc u r r e d   s u ch   as  v o ltag e   v a r iatio n ,   p r o t ec tio n ,   h a r m o n ics,     an d   p e r s o n n el  s af ety .   T h e   FC   is   in ter f ac ed   in   th e  AC   an d   DC   d is tr ib u ted   s y s tem   b y   u s in g   p o wer   elec tr o n ic  cir cu its .   T h e  DC   v o ltag e   m u s t  b e  lim ited   with in   a n   ac c ep tab le  r an g e  d u r in g   s tead y   s tate  an d   d y n am ic   co n d itio n s   b y   u s in g   s u itab le  co n tr o l  s tr ateg ies.   T h is   p ap er   p r o p o s es  a  co m b in ed   o p er atio n   s y s tem   o f   SAP F  an d   f u el  ce ll,  wh ich   is   co n n e c ted   to   th e   d c  lin k .   T h e  ad v an t ag e  o f   th e  p r o p o s ed   s y s tem   o v er   th e  SAPF   is   to   co m p en s ate  th e   v o ltag e  in ter r u p tio n ,   as  well  as  th e   v o ltag e   s ag ,   h ar m o n ics.  T h e   o p e r atio n   o f   t h e  p r o p o s ed   s y s tem   was v er if ied   th r o u g h   s i m u latio n s   with   MA T L AB /Si m u lin k .       2.   SYST E M   DE SCRI P T I O N   T h e  o b jectiv e  o f   th is   s tu d y   is   to   s u p p ly   th e  SA PF   w ith   a  SOF C   s o u r ce   th r o u g h   d c - d c  b o o s t  co n v er ter s   to   ex tr ac t  th e   m ax i m u m   p o wer   o f   th e  FC   an d   s ta b ilize  th e  o u tp u t  o p e r atin g   v o l tag e  o f   th e   DC   lin k ,   wh ile  co m p en s atin g   v o ltag e  f lu ctu atio n s .   T h e  m o d u le  f r am ewo r k   is   s h o wn   in   F ig u r e  1 ,   wh er e  a  s en s itiv e  th r ee - p h ase  l o ad   is   s u p p lied   b y   a  t h r ee - p h ase  s o u r ce   th r o u g h   a  t h r ee - p h ase  im p e d an ce .   T h e  in jectio n   m o d e  o f   th e  SAPF   is   ac h iev ed   th r o u g h   a  th r ee - p h ase  tr an s f o r m er ,   w h er e  lin e   v o ltag es  o f   th e   lo ad   ar e  r esto r ed   a r o u n d   its   r ef er en ce   v alu es  d u r in g   th e  ap p lied   v o ltag e   d is tu r b an ce   at  th e  g r id   s id e.   T h e  s to r ag e   u n it  ca n   b e  r ep lace d   b y   th e  SOFC   with   its   co n v er s io n   ch ain   as v iewe d   in   th e  Fig u r e  1 .        L O A D                     Vs S o u r c e   V o l t a g e    I n j e c t i n g t r a n s f o r m e r AC V i n j V _ L oa d C f R f L f C 1 C 2 S 1 S 2 S t o r a g e   u n i t       Fig u r e  1 .   Ge n e r al  co n f ig u r atio n   o f   th e   SAPF - FC   s y s tem       2 . 1 .   M o delin g   a nd   cha ra ct er is t ics o f   SO F C   T h e  o p er atin g   p r in ci p al  o f   t h e  FOFC   d ev ice  is   b ased   o n   th e  elec tr o ch em ical  r ea ctio n   b etwe en   h y d r o g en   a n d   o x y g en   ac r o s s   a  s o lid   elec tr o ly te,   in   o r d e r   to   g en er a te  e lectr icity .   E x ac tl y ,   th e  O²  io n s   ar e   co n s tr u cted   at  th e  ca th o d e  s id e,   wh er e  th e  o x y g en   ac ce p ts   e lectr o n s   f r o m   th e  lo a d   cir cu it.   T h e  p r o d u ce d   io n s   ar e  tr an s f er r ed   af ter war d   to   th e  an o d e  th r o u g h   th e  elec tr o ly te,   an d   th en   co m b in ed   with   h y d r o g en   to   f o r m   wa ter .   T h e  r esu lts   o f   th is   r ea c tio n   ar e  t r an s f er r e d   th r o u g h   t h e  lo ad   cir cu it  to   th e   ca th o d e   [ 1 3 ] .   T h e  ess en tial  r ea ctio n s   o f   th e  SOFC   ar e  th e  f o llo wi n g ,   at  th e   ca th o d e:     2 + 4 − 1 →   2 − 2                 ( 1 )     at  th e  an o d e:     2 + − 2 1 → 2 + 2 − 2                 ( 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       S eries   a ctive   p o w er   filt e r   s u p p lied   b y  fu el  ce ll fo r   mitig a tin g   p o w er q u a lity … ( A b d a lla h   B e n   A b d elka d er )   175   th e  o v er all  r ea ctio n   is :     2 + 1 / 2 2 1 → 2                 ( 3 )     th e  d y n a m ic  m o d el   o f   th e  SO FC   is   d etailed   in   r ef er en ce s   [ 1 3 - 1 8 ] .   Fo llo win g   ex p r ess io n   r e p r esen ts   th e  o u tp u t v o ltag e  o f   th e  s tack   d ev ice:      = (  − ℎ −  − )             ( 4 )     T h e  o h m ic  lo s s es   V   o h m   is   ca u s ed   b y   elec tr ical  r esis tan ce   o f   elec tr o d es,  th e   r esis tan ce   to   t h e  f lo w  o f   io n s   in   th e  elec tr o ly te,   wh ich   c an   b e  d e d u ce d   b y   O h m ’ s   law.     2 . 1 . 1 .   O hm ic  lo s s es   T h ese  lo s s es  ar e  d u e  to   th e  o p p o s itio n   o f   elec tr o n s   th r o u g h   th e  a n o d es  a n d   t o   th e  r elo ca tio n   o f   p ar ticles th r o u g h   th e  elec tr o l y te.   I n   ad d itio n ,   th e  in te r co n n ec tio n s   o r   b ip o lar   p lates o f   th e  F C   s o u r ce   ar e  ad d ed   to   th e  o h m ic  lo s s es [ 1 3 - 1 5 ] .     ℎ =                    ( 5 )     wh er e  r   is   th e  in ter n al  r esis tan ce   an d   i fc   is   th e  f u el  ce ll st ac k   cu r r en t.     2 . 1 . 2 .   Act iv a t i o n lo s s es   T h is   lo s s   is   ca u s ed   b y   th e  s lu g g is h n ess   o f   ch e m ical  r ea ct io n   th at  tak es  p lace   o n   th e  s u r f ac e  o f   elec tr o d es.  A  d r o p   v o ltag e  p r o d u ce d   b y   th e  f u el   ce ll  is   ca r r y i n g   th e  r ea ctio n   f o r wa r d ,   wh ic h   tr a n s f er s     th e  elec tr o n s   to   o r   f r o m   th e  ele ctr o d e  [ 1 3 ] .   T h e  ac tiv at io n   lo s s   v act   is   g iv en   b y :      =  2  ln (  )                 ( 6 )     wh er e  R   is   th e  id ea l  g as  co n s tan t,  T   i s   th e  tem p er atu r e,   an d   F   is   th e  Far ad ay   co n s tan t.  T h e  co ef f icien t  α  r ep r esen ts   th e  elec tr o n   tr an s f er   o f   t h e  r ea ctio n   at  th e  elec t r o d e,   a n d   i fc0   is   th e  e x ch an g e   cu r r en t   o f   t h e  f u el     ce ll st ac k .     2 . 1 . 3 .   Co ncent ra t io n lo s s es   T h ese  lo s s es  ar e  k n o w n   as   m ass   tr an s p o r t  l o s s es  an d   ar e  ca u s ed   d u e  to   th e  r e d u ctio n   i n     th e  co n ce n tr at io n   o f   r ea ctan ts   in   th e  r eg io n   o f   th e  elec tr o d e  wh en   th e  f u el  is   co n s u m ed .   T h e  co n s u m p tio n   o f   r ea ctan ts   at  r esp ec tiv e  elec tr o d es,  i.e .   h y d r o g e n   at   th e  a n o d e  an d   o x y g en   at   th e  ca th o d e  lead s   to   a  s lig h t   r ed u ctio n   in   th e  r ea ctan ts   co n ce n tr atio n s ,   wh ich   ca u s e  a  d r o p   in   p ar tial  p r ess u r e  o f   g ases   r esu ltin g   in   a  d r o p   v o ltag e  th at  p o r tio n   o f   th e   elec tr o d e  ca n   p r o d u ce   [ 1 3 ] .   T h e  c o n ce n t r atio n   lo s s   v conc   is   d ef in ed   b y   ( 7 ) :      =  2 ln ( 1 −  )                 ( 7 )     wh er e  if cl  is   th e  lim itin g   cu r r e n t.   T h e  Ner n s t   eq u atio n   is :      =   −  2 ln ( 2 √ 2 2 )             ( 8 )     wh er e  v   s tan d ar d   is   th e  o p en - cir cu it  p o te n t ial  at  th e  s tan d ar d   p r ess u r es.  p H2   ,  p O2   an d   p H2O   ar e  th e   p ar tial   p r ess u r e  o f   h y d r o g e n ,   o x y g en   an d   wate r   r esp ec tiv ely .   T h u s ,   th ese  p r ess u r es  ar e  d ef in ed   in   ( 5 ) ,   wh ich   ar e  as   f o llo w:     2  = − 1 2 2 + 1 2 2 ( 2  − 2  )             ( 9 )      2  = − 1 2 2 + 1 2 2 ( 2  − 2  )             ( 1 0 )     2  = − 1 2 2 + 1 2 2 2              ( 1 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  Au g u s t 2 0 2 0 :   1 7 3   –   1 9 2   176   wh er e  τ H2   ,  τ O2 an d   τ H2O   a r e  f u e l,  air   an d   f u el  ex h au s t  v alv es  t im e   co n s tan ts   r esp ec tiv ely .   Qin   H2 ,   q in   H 2 O  ar e   th e  in p u t  m o lar   f lo ws  o f   h y d r o g e n   an d   wate r   ac r o s s   th e  an o d e   v alv e  [ k m o l/s ] .   T h e  co n s tan ts   KH 2 ,   KO 2     an d   KH 2 O  a r e  th e   v al v e  m o l ar   f o r   h y d r o g e n ,   o x y g e n   an d   wate r   r esp ec tiv ely   [ k m o l/ ( s   at m ) ] .   Fo r   m o d elin g   p u r p o s e,   a  co n s tan t is d ef in e d   b y   Kr= N /4 F .   T h e  to tal  g en er a tio n   o f   th e   f u el  ce ll is :      =         2 . 2 .   M o delin g   a nd   cha ra ct er is t ics o f   SAPF   T h e  co n t r o l  s tr ateg y   u s ed   to   ex tr ac t  th e  r e f er en ce   v o ltag es   o f   s er ies  ac tiv e  p o wer   f ilter   ( SAPF )   i s   b ased   o n   th e   PQ m eth o d   [ 1 5 ,   19 ] ,   a n d   th e  c o n tr o l sch em e  is   s h o w n   in   Fig u r e  2 .       C 32 P      q L P F u α , u β    C 32 u a u b u c i α , u α    i β , u β    P q P * q * u α    * u β * u af u bf u cf * * * u ac u bc u cc * * * + - - - + + C u r r e n t     Fig u r e  2 .   Ser ies ac tiv e  p o wer   f ilter   s tr ateg y   co n tr o l       T h e  g r id   th r ee - p h ase  v o ltag e  s o u r ce   is   ass u m ed   to   b e  s y m m e tr ic  an d   n o t d is to r ted :     [ ] = [         ∑ √ 2  ( + ) ∞ = 1 ∑ √ 2  ( ( − 2 3 ) + ) ∞ = 1 ∑ √ 2  ( ( + 2 3 ) + ) ∞ = 1 ]                     ( 1 2 )     wh er e  Un   an d   θn   ar e  r esp e ctiv ely   th e  r o o t  m ea n   s q u ar e  ( r m s )   v o ltag e  an d   in itial  p h ase  an g le,   n   is     th e  h ar m o n ic  o r d er .   W h en   n = 1 ,   it m ea n s   th r ee - p h ase  f u n d a m en tal  v o ltag e  s o u r ce .     [    ] = [         √ 2 1    (  + 1 ) √ 2 1    ( (  − 2 3 ) + 1 ) √ 2 1    ( (  + 2 3 ) + 1 ) ]                     ( 1 3 )     T h e   (1 2)   is   tr an s f o r m ed   in to   (α - β)  r ef er e n ce   f r a m e ,     [ ] = 32 [    ] = √ 3 [ ∑    ( + ) ∞ = 1 ∑ ±    ( + ) ∞ = 1 ]           ( 1 4 )     32 = √ 2 3 [ 1 − 1 2 − 1 2 0 √ 3 2 − √ 3 2 ]                 ( 1 5 )     T h e  th r ee - p h ase  p o s itiv e  f u n d am en tal  cu r r e n t te m p late  is   co n s tr u cted   as :     [ ] = √ 2 3 [    (  )    (  − 2 3 )    (  + 2 3 ) ]                 ( 1 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       S eries   a ctive   p o w er   filt e r   s u p p lied   b y  fu el  ce ll fo r   mitig a tin g   p o w er q u a lity … ( A b d a lla h   B e n   A b d elka d er )   177   T he   ( 1 6 )   is   tr an s f o r m ed   to   (α - β)  r ef er en ce   f r am e :     [ ] = 32 [ ] = [    (  ) −    (  ) ]               ( 1 7 )     A cc o r d in g   t o   th e  in s tan tan e o u s   r ea ctiv e  p o wer   th e o r y   [ 1 3 ] ,   t h en :     [ ] = [ − ] [ ]                 ( 1 8 )     wh er e  AC   an d   DC   co m p o n en t s   ar e  in clu d ed :     [ ] = [ ̅ + ̃ ̅ + ̃ ]                   ( 1 9 )     wh er e  p   an d   q   a r e  p ass ed   th r o u g h   lo w  p ass - f ilter   ( L PF )   an d   DC   co m p o n en t is g o tte n   b y :     [ ̅ ̅ ] = √ 3 [ 1    ( 1 ) 1    ( 1 ) ]                 ( 2 0 )     A cc o r d in g   t o   [ 1 5 ] ,   tr a n s f o r m at io n   is   m ad e :     [ ] = [ − ] [ ] = [ − ] [ ]             ( 2 1 )     T h e  DC   co m p o n en ts   o f     an d   :     [ ̅ ̅ ] = [    −  ] [ ] = [ − ] [   ]             ( 2 2 )     T h e  f u n d am en tal  v o ltag es in   (α - β)  r ef er e n ce   f r a m e  ar e:     [   ] = [ − ] − 1 [ ̅ ̅ ] = [ − ] [ ̅ ̅ ]             ( 2 3 )     T h e  th r ee - p h ase  f u n d am en tal  v o ltag es a r e  s p ec if ied   b y :     [ u af u bf u c f ] = C 23 [ u α f u β f ] = √ 2 U 1 [ s in   ( ω t + θ 1 ) s in   ( ω t + θ 1 − 2π 3 ) s in   ( ω t + θ 1 + 2π 3 ) ]   ( 2 4 )     wh er e;     C 23 = [       1 0 − 1 2 ⁄ √ 3 2 ⁄ − 1 2 ⁄ √ 3 2 ⁄ ]         ( 2 5 )     2 . 3 .   M o delin g   o f   DC - DC  bo o s t   co nv er t er   DC - DC   b o o s t  co n v er ter   o r   s tep - u p   v o ltag e   co n v er ter ,   s tep s   u p   i n p u t   v o ltag es,  s tep   d o wn   in p u t   cu r r en ts   o f   th e  DE R s   th r o u g h   th e  cir cu it  as  s h o wn   in   Fig u r e   3 .   V low   an d   V high   ar e   th e  v o lta g e  at  lo w  a n d   h ig h   v o ltag e  s id es  r esp ec tiv ely   an d   d ( t)   is   th e  s witch in g   d u ty   cy cl e.   Gen er alize d   eq u atio n s   o f   th e  p o wer   co n v er ter s   ca n   b e  d er i v ed   f o r   co n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e  C C M  d u e  to   its   s im p licity ,   wh er e  two   s tates  ar e  u s ed .   Star tin g   f r o m   t h e  s tate  s p ac e  eq u atio n s   d u r in g   th e  ON - O FF   s witch in g   s tate s ,   th e  co n v er ter   m o d el  ca n   b e   lin ea r ized   u s in g   an   av er a g in g   m eth o d .   Fo r   th e  u s ed   d c - d c  co n v er ter s ,   wh en   th e  s witch in g   d ev ice  is   tu r n ed   o n ,   it  co n d u cts  f o r   a  r atio   D  o f   a  p er io d   ( 2 6 ) ,   an d   wh en   t h e  s witch in g   d e v ice  is   tu r n ed   o f f ,   th e   d io d e  co n d u cts  f o r   a  r atio   o f   ( 1 - D)   o f   th e   s am e  p e r io d   ( 2 7 ) .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  Au g u s t 2 0 2 0 :   1 7 3   –   1 9 2   178   { ̇ =  +    [ ̇ ] = [ 0 0 0 − 1  ] [ ] +   [ 1 0 ]    ( 2 6 )     { ̇ = +    [ ̇ ] = [ 0 − 1 1 − 1  ] [ ] +   [ 0 0 ]    ( 2 7 )     T h e  ( 2 8 )   is   u s ed   to   lin ea r ize   th e  ab o v e  s tate - s p ac e  eq u ati o n s   o f   th e  b u ck   co n v er ter ,   wh er e  X  is     th e  s tead y - s tate  co m p o n en t a n d   D  is   th e  s tead y   s tate  o r   DC   co m p o n en t d u ty - r atio .     ̇ = [  + ( 1 − )   ] + [  + ( 1 − )    ]           ( 2 8 )     { [ ̇ ] = [ 0 − 1 − 1 − − 1  ] [ ] +   [ − ]               ( 2 9 )       V H C u r r e n t r e g u l a t o r V o l t a g e r e g u l a t o r I L ( m a x ) * I L * D + - V L L C s I L ( a )     Fig u r e  3 .   C lo s ed   lo o p   b o o s t c o n v er ter   cir c u it       2 . 3 . 1 .   P er t urb a nd   o bs er v e  P& O   T h is   MPPT  m eth o d   is   th e  wid ely   co m m o n   an d   u s ed   d u e  to   its   s im p licity   an d   it s   ea s e  o f   im p lem en tatio n .   T h u s ,   th is   MPPT  m eth o d   p er t u r b s   th e  s y s tem   v ar iab les  ( v o lt ag e  an d   c u r r e n t) ,     an d   co n s eq u en tly   o b s er v es  th e   o u tp u t  g e n er atio n   o f   th e  FC   s o u r ce .   T h e  p r in ci p a l  o f   th is   te ch n iq u e   is   to   ad ju s t    th e  o p er atin g   v o ltag e  o f   th e  s y s tem   ar o u n d   th e  m ax im u m   p o wer   p o i n t  ( ∆P=∆ V> 0 ) ,   ( ∆P=∆ V <0 ) .     T h e  m ath em atica l  ex p r ess io n   th at  r esu m es   th e  o p e r atin g   p r in cip al  o f   th e  P& O  alg o r ith m   is :     ( ) = ( − 1 ) + ∆ .    (   | = − 1 )             ( 3 0 )     T h e  f o llo win g   T a b le  1   ca n   ill u s tr ate  th e  v ar iatio n   o f   th is   M PP T   tech n iq u e   ar o u n d   th e   MPP  o p er atin g   p o i n t  o f     th e  s y s tem .       T ab le.   1   Dis tu r b an ce s   o f   V - P  cu r v e  ( ∆P/∆V )   o f   P& O  MPPT  tech n iq u e   D i st u r b a n c e   C h a n g e   i n   t h e   p o w e r   N e x t   d i st u r b a n c e   P o si t i v e   P o si t i v e   P o si t i v e   P o si t i v e   N e g a t i v e   N e g a t i v e   N e g a t i v e   P o si t i v e   N e g a t i v e   N e g a t i v e   N e g a t i v e   P o si t i v e     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       S eries   a ctive   p o w er   filt e r   s u p p lied   b y  fu el  ce ll fo r   mitig a tin g   p o w er q u a lity … ( A b d a lla h   B e n   A b d elka d er )   179   3.   RE SU L T S AN D  AN AL Y SI S   I n   th is   s ec tio n ,   MA T L AB /S im u lin k   s im u latio n   r esu lts   a r e  p r e s en ted   an d   d is cu s s ed   in   d etails.    T h e  p r o p o s ed   SAPF - FC   m o d el  is   s im u lated   b y   MA T L AB / Simu lin k   as  s h o wn   in   F ig u r e  4 .   T h u s ,   f iv e  p h en o m en a  ar e  s tu d ied   in   th is   p ap er ,   wh er e  th e  SAPF   with   t h e  SOFC   co m p e n s ate  d is tu r b an ce s   o f   th e  v o ltag e   th at  ap p ea r   ac r o s s   th e  s o u r ce   to   av o id   d am ag e  o f   th e  co n n ec ted   lo ad .   Su c h   d is tu r b a n c es  ar e  ap p lied   b y     a  p r o g r am m ab le  AC   s o u r ce ,   wh ich   is   d ef in ed   b y   t h e  f o llo win g   s p ec if icatio n s :    −   R o o t m ea n   s q u ar e  R MS  o f   th e   p h ase - p h ase  v o ltag e:  3 8 0   V   −   Ph ase  an g le:  0 °   −   Fre q u en cy :  5 0 Hz   Nex t sectio n   d ea ls   with   a  d is cu s s io n   o f   th e  a p p lied   p h en o m e n o n   in d ep en d en tly .           Fig u r e  4 .   Sy s tem   s y n o p tic  s ch em e       3 . 1 .   Vo lt a g e  s a g     T h is   p h e n o m en o n   is   a p p lied   b etwe en   [ 2 - 2 . 3 ]   ( s ) ,   w h er e  th e  v o ltag e   m ag n itu d e   is   s elec ted   5 0 %   eq u iv alen t  to   0 . 5   p u   in   t h e  t h r ee   p h ases .   Fig u r e  5   s h o ws  wav ef o r m s   o f   th e  s o u r ce ,   in j ec ted   an d   th e  l o ad   v o ltag es.   As  illu s tr ated   in   th e  Fig u r e  5 ,   th e  SAPF   h as  in jecte d   th e  co m p lem e n tar y   v o ltag e  o f   0 . 5   p u   d u r in g     th e  s p ec if ied   p er i o d   [ 2 - 2 . 3 ]   ( s )   o f   t h e  th r ee   p h ases   in   th e   s am e  d ir ec tio n   o f   th e  s o u r ce   an d   lo a d   v o ltag es.    I n   ad d itio n ,   th e  cu r v es  o f   th e  in jecte d   cu r r en ts   o f   t h e  SOFC ,   an d   its   DC - DC   co n v er ter s   ar e  v iewe d   in     th e  Fig u r e  5 .   I n   n o r m al  m o d e,   th e  SAPF   n ec ess itate  a  co n s tan t  D C   v o ltag e  o f   7 5 0 V   DC   ac r o s s   th e  c ap ac itan ce   eq u iv alen t  to   th e  in p u t  v o lta g e   o f   th e  in v er te r   3 8 0 V   AC .   T wo   s tag e  DC - DC   b o o s t  co n v er ter s   ar e  s ized   to   s tep   u p   th e  SOFC   v o ltag e  to   th e  DC   lin k   r ef er en ce   v o ltag e  v alu e,   wh er e  th e  f ir s t  b o o s t  co n v er ter   ex tr ac t     th e   m ax im u m   p o wer   o f   t h e  S OFC   th r o u g h   th e  MPPT  co n tr o ller ,   wh e r ea s   th e  s ec o n d   is   a  r eg u lated   o u tp u t   v o ltag e  to   m ain tain   th e  d c  lin k   v o ltag e  co n s tan t  as  s h o wn   in   Fig u r e  6 .   As  o b s er v e d ,   d u r in g   th e  ap p lied   s ag   v o ltag e,   cu r r e n ts   o f   th e  SOFC   co n v er s io n   ch ain   h av e  i n cr ea s ed   b ec au s e  th e  DC   li n k   ca p ac itan ce   h as  in ter v en ed   to   c o m p en s ate   th e   s ag   v o ltag e   d is tu r b a n ce   as  v iewe d   in   Fig u r e   7 .   T h er e f o r e,   th e  ca p ac itan ce   is   r ec h ar g e d   af ter war d   th r o u g h   th e  g en er ated   en e r g y   o f   th e  SAPF   with   th e  SOF C .   Fig u r e   8   r ep r esen ts   th e  ac ti v e  p o wer   o f   th e   SOFC ,   wh ich   is   clo s e  to   th e  d e m an d e d   p o wer   b y   t h e  SAPF   to   co m p e n s ate  th e  ca p ac itan ce   en er g y ,   tak in g   i n to   co n s id er a tio n   co n v er ter   l o s s es d u e  to   th e  s witch in g   d ev ices a n d   r esis tiv e  elem en ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  Au g u s t 2 0 2 0 :   1 7 3   –   1 9 2   180     ( a)       ( b )       ( c)     Fig u r e  5 .   C ase  1 - b ala n ce d   v o ltag e  s ag :   ( a)   g r id   v o ltag es,  ( b )   in jecte d   v o ltag e  ( c)   l o a d   v o ltag e       1 . 6 1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 2 . 6 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800   T i m e   (s )  V   Vo l ta g e   So u r c e   (v )   1 . 9 8 2 2 . 0 2 - 2 0 0 0 200       2 . 2 8 2 . 3 2 . 3 2 - 2 0 0 0 200       1 . 6 1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 2 . 6 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 500   T i m e   (s )  V   I n j e c te d   Vo l ta g e   (v )   1 . 9 8 2 2 . 0 2 - 2 0 0 0 200 2 . 2 8 2 . 3 2 . 3 2 - 2 0 0 0 200 1 . 6 1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 2 . 6 - 4 0 0 - 2 0 0 0 200 400 600 800   T i m e   (s )  V L o a d   Vo l ta g e   (v )   1 . 9 8 1 . 9 9 2 2 . 0 1 2 . 0 2 - 5 0 0 0 500       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       S eries   a ctive   p o w er   filt e r   s u p p lied   b y  fu el  ce ll fo r   mitig a tin g   p o w er q u a lity … ( A b d a lla h   B e n   A b d elka d er )   181       Fig u r e  6 .   DC   v o ltag es   o f   th e  F C   co n v er s io n   ch ai n   in   s ag   v o lt ag e  ca s e           Fig u r e  7 .   C u r r e n ts   o f   th e  FC   c o n v er s io n   c h ain   in   s ag   v o ltag e   ca s e           Fig u r e  8.   Po wer s   of   th e  FC   co n v er s io n   ch ain   in   s ag   v o ltag e  ca s e       3 . 2 .   Vo lt a g e  inte rr up t io n   I n t e r r u p t i o n   p h e n o m e n o n   a p p e a r s   w h e n   t h e   s y s t e m   v o l t a g e   d e c r e a s e   w i t h   9 9 %   o f   t h e   r e f e r e n c e   f u n d a m e n t a l   v a l u e   d u r i n g   a   s p e c i f i e d   p e r i o d   d o   n o t   e x c e e d   6 0   s e c o n d s .   I n - o u r   c a s e ,   s h o w n   i n   F i g u r e s   9   ( a ) - ( c )   r e s p e c t i v e l y   t h e   g r i d   v o l t a g e s ,   i n j e c t e d   v o l t a g e   a n d   l o a d   v o l t a g e .   T h e   S A P F   c o m p e n s a t e   t h e   l a c k   o f   e n e r g y   c a u s e d   b y   t h e   i n t e r r u p t i o n   o f   t h e   g r i d   p o w e r   s u p p l y .   A s   s e e n   i n   p r e v i o u s   s a g   v o l t a g e   p h e n o m e n o n ,   t h e   i n j e c t e d   c u r r e n t s     o f   t h e   S O F C   c o n v e r s i o n   c h a i n   i n c r e a s e d   d u e   t o   d i s c h a r g i n g   t h e   D C   l i n k   c a p a c i t a n c e .   I n   o t h e r   h a n d ,   t h e   i n j e c t e d   p o w e r   w a s   r e m a i n e d   c o n s t a n t   d e s p i t e   t h e   i n c r e a s i n g   o f   c u r r e n t s     a n d   d e c r e a s i n g   o f   v o l t a g e s   d u r i n g     t h e   c o m p e n s a t i o n ,   i . e .   a t   t h e   d c   l i n k ,   t h e   i n j e c t e d   p o w e r   w a s   a b o u t   [ 4 0 0 7 . 5 - 4 3 4 9 . 5 ]   ( W ) ,   e q u i v a l e n t   t o   t h e   p r o d u ct   0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000   T i m e   (s )  I C u r r e n t  (A )   1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 745 750 755   1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 150 200 250   1 . 5 2 2 . 5 3 - 2 0 0 20 40 60 80 100   T i m e   (s )  I   C u r r e n ts   (A )   1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 0 5 10 1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 70 80 90 100 1 . 5 2 2 . 5 3 0 500 1000 1500 2000 2500   T i m e   (s ) P   Po w e r  (w )   P o w e r   B o o s t 2 P o w e r   B o o s t 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  Au g u s t 2 0 2 0 :   1 7 3   –   1 9 2   182   o f   a   c u r r e n t   o f   [ 5 . 3 5 2 - 4 3 . 8 5 ]   ( A ) ,   a n d   a   v o l t a g e   o f     [ 7 4 8 . 8 - 9 9 . 1 9 ]   ( V d c ) ,   r e s u l t i n g   i n   a   p o w e r   l o s s   a n   a p p r o x i m a t e l y   v a l u e   o f   3 4 2   ( W ) .   T h e   v o l t a g e s   c u r v e s   o f   t h e   s o u r c e ,   t h e   i n j e c t e d   a n d   t h e   l o a d   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   9 ,   w h e r e     t h e   i n t e r r u p t i o n   p h e n o m e n a   i s   a p p l i e d   a n d   m i t i g a t e d .   H e n c e ,   t h e   s e l e c t e d   d a t a   s h o w n   i n   F i g u r e s   1 0 - 1 2   r e s p e c t i v e l y   d e s c r i b e s   t h e   v o l t a g e s ,   c u r r e n t s   a n d   p o w e r s   o f   t h e   t w o   b o o s t   c o n v e r t e r s   o f   t h e   P V   c o n v e r s i o n   c h a i n   d u r i n g   n o r m a l   a n d   p e r t u r b e d   o p e r a t i o n   m o d e s .         ( a)       ( b )       ( c)     Fig u r e  9 .   C ase  2 - v o ltag e  in ter r u p tio n : ( a )   g r id   v o ltag es,  ( b )   i n jecte d   v o ltag e  ( c)   lo a d   v o ltag e   1 . 7 1 . 8 1 . 9 2 2 . 1 2 . 2 2 . 3 2 . 4 2 . 5 2 . 6 2 . 7 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300   T i m e   (s )  V   So u r c e   (V)   1 . 9 8 2 2 . 0 2 - 2 0 0 0 200       2 . 2 8 2 . 3 2 . 3 2 - 2 0 0 0 200       1 . 7 1 . 8 1 . 9 2 2 . 1 2 . 2 2 . 3 2 . 4 2 . 5 2 . 6 2 . 7 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300   T i m e   (s )  V   I n j e c te d   (V)   1 . 9 9 2 2 . 0 1 2 . 0 2 - 2 0 0 0 200       2 . 2 8 2 . 2 9 2 . 3 2 . 3 1 - 2 0 0 0 200       1 . 6 1 . 8 2 2 . 2 2 . 4 2 . 6 - 4 0 0 - 2 0 0 0 200 400 600 800   T i m e   (s )  V L o a d   Vo l ta g e   (v )   1 . 9 8 1 . 9 9 2 2 . 0 1 2 . 0 2 - 5 0 0 0 500       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.