I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 ,   p p .   922 ~ 9 3 5   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 16 .i 2 . p p 9 2 2 - 935           922       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   H a rmo nic  re ducti o n in power  grids :  i mplem enting a   four - leg g ed multilevel  inv erte r as  an a c t iv e power f ilter  u sing  mo del  predictive  contro l       Asep An da ng 1 ,  F irm a ns y a h M a ula na   Nurs uwa rs 2 ,   Andr i   Ulus   Ra ha y u 1 ,   I m a m   T a ufiqurra hm a n 1 ,  E rv a n  P a ry o no 1   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t a s  S i l i w a n g i ,   T a si k m a l a y a ,   I n d o n e s i a   2 D e p a r t me n t   o f   I n f o r mat i c s ,   F a c u l t y   o f   En g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t a s   S i l i w a n g i ,   Ta si k ma l a y a ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   5 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Ma r   1 2 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Ma r   2 9 ,   2 0 2 5       Th is  stu d y   e x p l o re s  th e   im p lem e n tatio n   o f   a   fiv e - lev e l  c a sc a d e d   t h re e - p h a se   fo u r - wire   i n v e rter  a s  a n   a c ti v e   p o we r  fil ter  t o   m it i g a te  h a rm o n ics   in   p o we r   g rid s.   Ha rm o n ic  c o m p o n e n ts  i n   t h e   lo a d   c u rre n t  a re   tran sf o rm e d   a n d   f il tere d   to   c re a te  a   re fe re n c e   c u rre n t,   wh ich   se rv e s  a s  th e   fo u n d a ti o n   f o r  d e sig n i n g   th e   i n v e rter’s   sw it c h i n g   p a tt e r n .   Th e   p re d icte d   c u rre n t,   g e n e ra ted   t h ro u g h   c ircu it   m o d e li n g ,   is  c o m p a re d   w it h   t h e   re fe re n c e   c u rre n t  u sin g   t h e   m o d e l  p re d ictiv e   c o n tr o l  ( M P C)  m e t h o d .   T h e   a c c u ra c y   o f   th is  a p p ro a c h   is   e v a lu a ted   u sin g   a   c o st  f u n c ti o n   th a t  m e a su re s  th e   d iffere n c e   b e t we e n   th e   p re d icte d   a n d   re fe re n c e   c u rre n ts.  S im u latio n   re su lt s  re v e a l  th a t  t h e   a p p li c a ti o n   o f   th e   h y b rid   p o we r  fil ter  c a n   e ffe c ti v e ly   s u p p re ss   h a rm o n ics ,   re d u c in g   th e   to tal  h a rm o n ic  d isto rti o n   (THD)  to   b e lo w   5 % ,   t h e re b y   m e e ti n g   p o we r  q u a li ty   sta n d a rd s.  F u rth e r m o re ,   it   a d d re ss e s lo a d   imb a lan c e s,  e n su rin g   th a t  t h e   p h a se   c u rre n ts   a t  th e   s o u rc e   re m a in   n e a rly   e q u a l.   Ad d it io n a ll y ,     th e   h y b ri d   p o we r  fil ter  sig n ifi c a n t ly   d e c re a se s  th e   n e u tral  c u rr e n t,   r e d u c in g   it   to   j u st  o n e - ten t h   o f  i ts  o ri g i n a l  v a lu e .   Wh il e   M P C   h a s  d e m o n stra ted   it s   e ffe c ti v e n e ss   in   c o n tro ll in g   p o we r  c o n v e rters   a n d   m u lt il e v e l   in v e rters ,     it s  a p p li c a ti o n   t o   a c ti v e   p o w e r  fil ters   re m a in s   u n d e re x p lo r e d .   T h is     stu d y   in v e stig a tes   t h e   p o ten ti a l   o f  a   fo u r - leg g e d   m u lt il e v e l   in v e rter  with   M P C  t o   e n h a n c e   p o we r  q u a li t y   b y   re d u c in g   h a rm o n ics   i n   th re e - p h a se   fo u r - wire   sy ste m s.   K ey w o r d s :   Activ e  p o wer   f ilter   Fo u r - leg   m u ltil ev el  in v er ter   Gr id   co n n ec te d   co n v er ter   Har m o n ics r ed u ctio n   Mo d el  p r ed ictiv e   co n tr o l   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 :   Asep   An d an g   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g ,   Un iv er s itas   Sil iwan g i   St .   Sil iwan g i N o . 2 4 ,   T asik m al ay a  4 6 1 1 5 ,   I n d o n esia   E m ail:  an d h an g s @ u n s il.a c. id       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   e l e c t r i c a l  p o w e r   u s e d   in   h o u s e h o l d ,   o f f i c e ,   i n d u s t r ia l ,   c o m m e r c i al ,   t r a n s p o r t a t i o n ,   a v i a t i o n ,   m i l i t a r y ,   a n d   u ti l it y   s y s t e m s   t o d a y   r e l i e s   o n   p o w e r   e l e ct r o n i c s   t e c h n o l o g y   [ 1 ] .   P o w e r   e l ec t r o n i c s   t ec h n o l o g y   c a n   m a k e   t h e   s y s t e m   s i m p l e r   a n d   m o r e   c o m p a c t   [ 2 ] ,   r e s u l t i n g   in   h i g h   e f f i c i e n c y   [ 3 ] ,   a n d   m o r e   r e l i a b l e   a c c u r a c y     [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h e   u s e   o f   s e m i c o n d u c t o r   c o m p o n e n t s   i n   p o w e r   e l e c t r o n i c s   te c h n o l o g y   f o r   v a r i o u s   e q u i p m e n t   i s   i n s e p a r a b l e   f r o m   t h e   s w i tc h i n g   o f   e l e c t r i c a l   p a r a m e t e r s ,   e i t h er   c u r r e n t   o r   v o l t a g e .   T h e   s w i t ch i n g   p r o c e s s   i n   t h e   c o n v e r t e r   c i r c u i t   p r o d u c e s   p o l l u t i o n   f r o m   t h e   p o w e r - s u p p ly   s o u r c e .   T h i s   s e m i c o n d u c t o r   s w i tc h   p r o d u c e s   a  f o l l o w - u p   w a v e   w it h   a   f r e q u e n c y   m u l t i p l e   o f   t h e   i n it i a l   p o we r   s u p p l y   f r e q u e n c y .   W a v e s   wi t h   f r e q u e n c i e s   t h a t  c o r r e l a t e   w i t h   t h e   s o u r c e   f r e q u e n c y   a r e   k n o w n   as   h a r m o n i c s   [ 6 ] .   T h i s   h a r m o n i c   d i s t o r t s   t h e   f u n d a m e n t a l   w a v es  s u c h   t h a t   t h e   p o w e r   s u p p l y   wa v e s   b e c o m e   d a m a g e d   a n d   d o   n o t   b e c o m e   p u r e l y   s i n u s o i d a l.   T h e   m a g n i t u d e   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  r ed u ctio n   in   p o w er g r id s :   i mp leme n tin g   a   fo u r - leg g ed   mu ltil ev el  in ve r ter   …   ( A s ep   A n d a n g )   923   d a m a g e   t o   t h e   p o w e r   s u p p l y   w a v e   d u e   t o   h a r m o n i cs   c a n   b e   d e t e r m i n e d   u s i n g   t h e   t o t a l  h a r m o n i c   d i s t o r t i o n   ( T H D ) ,   w h i c h   is   i n   t h e   f o r m   o f   a   c o m p a r i s o n   o f   t h e   t o t al   w a v e  w i t h   t h e   f r e q u e n c y   o f   g e n e r a t io n   t o   t h e   s i z e   o f   t h e  f u n d a m e n t a l   p a r t   [ 7 ] .   I f   a n   e l e c t r i c a l   g r i d   h a s   a   l a r g e   h a r m o n i c ,   t h e n   t h e   i n f l u e n c e   o n   t h e   c o n d u c t o r   c a u s e s   t h e   J o u l e   e f f e c t    l o s s e s   [ 8 ] ,   a n d   i n   t r a n s f o r m e r s ,   i t   c a u s es   a n   i n c r e a s e   i n   c o p p e r   a n d   c o r e   l o s s e s   [ 9 ] .   H a r m o n i c   c u r r e n t s   i n   g e n e r a t o r s   c a n   i n c r e a s e   h y s t er e s is ,   e d d y   c u r r e n t s ,   a n d   c o r e   l o s s es   [ 1 0 ] .   I n   e l e c t r i c   m o t o r s ,   t h e   p r e s e n c e   o f   h a r m o n i c s   d e c r e as es   t o r q u e   [ 1 1 ] .   H a r m o n i c s   i n   e l e ct r i c al   g r id   p r o t e c t i o n   e q u i p m e n t   r es u l t   i n   m a l f u n c t i o n s   i n   c i r c u i t   b r e a k e r s ,   f u s e s   [ 1 2 ] ,   p r o t e c t i o n   r el a y s   [ 1 3 ] ,   a n d   c o n t r o l   s y s t e m s .   I n   c o m m u n i c at i o n   s y s t e m s ,   t h e y   ca n   i n t e r f e r e   w it h   c o m m u n i c a t i o n   s i g n a l s   [ 1 4 ] .   H a r m o n i c   r e d u c t i o n   b e g a n   w i th   t h e   d i s c o v e r y   o f   h a r m o n i c   w a v e s   i n   t h e   n e t w o r k .   I n i t ia l l y   p e r f o r m e d   u s i n g   a   p as s i v e   p o w e r   f il t e r ,   th i s   m e t h o d   is   i n e x p e n s i v e ,   b u t  o n l y   w o r k s   o n   s t a ti c   l o a d s   a n d   i s   u n r e li a b l e   w i t h   d y n a m i c   l o a d s   [ 1 5 ] .   T h e   i m p l em e n t a t i o n   o f   p o w e r   e le c t r o n i cs  h a s   l e d   t o   a c t i v e  p o w e r   f i lt e r s   th a t   a r e   w i d el y   u s e d   i n   n e t w o r k s   w i t h   d y n a m ic   l o ad s   f r o m   s m al l   t o   l a r g e   [ 1 6 ] .   T h e s e   f il t e r s   c a n   r e d u c e   t h e   h a r m o n i c s   c a u s e d   b y   n e t w o r k e d   c o n v e r t e r s .   T h e   c o n v e r t e r   g e n e r a t e s   h a r m o n i c   w a v e s   i n   o p p o s i t e   p h a s e s ,   wi t h o u t   f u n d a m e n t a l   w a v e s .   W h e n   a d d e d   t o   t h e   p o in t   o f   co m m o n   co u p lin g   ( P C C ) ,   it   e l i m i n a t e s   h a r m o n i c   w a v es   c a u s e d   b y   n o n l i n e a r   l o a d s   [ 1 7 ] .   W h e n   g e n e r a t i n g   t h is   o p p o s i t e - p h a s e   h a r m o n i c   w a v e ,   th e   c o n v e r t e r   i n   t h e   a c ti v e   p o w e r   f i lt e r   r e q u i r es   a  r e f e r e n c e   w a v e   t o   g e n e r a t e   a  p r e d i c t e d   w a v e   f o r   h a r m o n i c  r e d u c t i o n .   T h i s   r e f e r e n c e   w av e   i s   f o r m e d   f r o m     t h e   e x t r a c t i o n   o f   l o a d   h a r m o n i c   w a v e s   b y   v a r i o u s   m e t h o d s ,   i n c l u d i n g   i n s t a n t a n e o u s   r e ac t i v e   p o w e r   t h e o r y   ( I R P T )   [ 1 8 ]   b y   u t i li z i n g   t h e   r ea c t a n c e   p o w e r   o f   PQ ,   a n d   t h e n   m o d i f y i n g   I R P T   [ 1 9 ]   u s i n g   s y n ch r o n o u s   r ef e r en ce   f r am e  ( S R F )   [ 2 0 ]   b y   t r a n s f o r m i n g   t h e   t h r e e - p h a s e   s y s te m   o f   a b c   i n t o   d q   u s i n g   t h e   C l a r k   a n d   P a r k   t r a n s f o r m a t i o n s .   T h i s   e x t r a c ti o n   m e t h o d   p r o d u c e s   w a v e s   t h at  a r e   u s e d   a s   r e f e r e n c e s   t o   g e n e r a t e   t h e   o p p o s it e - p h a s e   h a r m o n i c   s i g n a l s .   T h e   c o n v e r t e r s   u s e d   i n   a c ti v e   p o w e r   f i l t e r s   v a r y   d e p e n d i n g   o n   t h e   c o n f i g u r a t i o n   o f   t h e   p o w e r   g r i d ,   t h a t  is ,   s i n g l e - p h a s e   c o n v e r t e r s ,   t h r e e - p h a s e   t h r e e - w i r e   c o n v e r t er s ,   a n d   f o u r - w i r e   t h r e e - p h as e   c o n v e r t e r s .   Si n g l e - p h a s e   c o n v e r t e r s   a r e   u s e d   w h e n   t h e   h a r m o n i c s   t o   b e   r e d u ce d   a r e   p r e s e n t  i n   a   s i n g l e - p h as e   l o a d .   I n   c o n t r as t ,   t h r e e - p h a s e   t h r e e - w i r e  c o n v e r te r s   a r e  u s e d   i n   t h r e e - p h as e   s y s te m s   wi t h   t h r e e - p h a s e  l o a d s   o r   l o a d s   b y   a p p l y i n g   a   p h a s e - to - p h a s e   v o l t a g e .   T h e   u s e   o f   t h e   f o u r - w i r e   t h r e e - p h a s e   c o n v e r t e r   i s   w i d e r ,   c o v e r i n g   a   s i n g l e - p h a s e   l o a d ,   t h r e e - w i r e   t h r e e - p h as e   l o a d ,   a n d   f o u r - w i r e   t h r e e - p h a s e   l o a d .     M u l t i le v e l   i n v e r t e r s   o f f e r   a   l o w e r   T H D   o w i n g   t o   t h e i r   h i g h e r   v o l t a g e   l e v e l s ,   w h i c h   a r e   c lo s e   t o   t h e  d e s i r e d   s i n u s o i d al   s i g n a l   i n   A C   w a v e s   [ 2 1 ] .   H o we v e r ,   t h e   m o r e   l e v e ls   t h a t  a r e   g e n e r a t e d ,   t h e   m o r e   s e m i c o n d u c t o r   c o m p o n e n t s   t h a t   a r e   u s e d ,   a n d   t h e   m o r e   c o m p l e x   t h e   e x is t i n g   s wi t c h i n g   m e t h o d s   w il l   b e   [ 2 2 ] ,  w h i c h   w il l   e n c o u r a g e   a   p o t e n t i a l   f a u l t   i n   t h e   s wi t c h ,   s o   t h at   p r o t e c t i o n   i s   n e e d e d   t o   p r e v e n t   i t   [ 2 3 ] .   V a r i o u s   c o n t r o l   s t r a te g i es   f o r   a c t i v e   p o w e r   f i l t e r s   h a v e   b e e n   p r o p o s e d   i n   l i t e r a t u r e .   A n s s a r i   et   a l .   [ 2 4 ]   i n t r o d u c e d   a n   a d a p t i v e   s l i d i n g   m o d e   c o n t r o l  ( S MC )   f o r   P V  s y s t e m s   t o   m i t i g a t e  c h a tt e r i n g   p h e n o m e n a   a n d   h i g h - f r e q u e n c y   o s c i ll a t i o n s   a f f e c ti n g   t r a d i t i o n a l   S MC .   T h e y   p r o p o s e d   a   p a r ti c l e   s w a r m   o p t i m i z a ti o n   ( P SO )   a l g o r i t h m   t o   f i n e - t u n e   t h e   SM C   g ai n s ,   s p e c i f i ca l l y   t o   c o n t r o l   t h e   v a r i a b le   s t e p   o f   t h e   s t a n d a r d   p e r t u r b   an d   o b s e r v e   ( P & O )   a l g o r i t h m .   S u n d a r a m   e t  a l .   [ 2 5 ]   i m p r o v e d   t h e   p r o p o r t i o n a l - i n te g r a l   ( PI )   c o n t r o l le r   t u n i n g   f o r   s h u n t   a c t i v e  p o w e r   f i l t e r   ( S A PF )   i n   s y s t e m s   w it h   co m p l e x ,   d y n a m i c ,   a n d   n o n l i n ea r   l o a d s   u s i n g   a   g e n e ti c   al g o r i th m   ( G A )   a n d   n o v e l   q u e e n   b e e   a s s is t e d   GA   ( Q B GA )   t o   a c h i e v e   o p t i m a l   g a i n   v a lu e s ,   e n s u r i n g   t h e   r a p i d   g e n e r a ti o n   o f   c o m p e n s a t i n g   c u r r e n t s   w it h   m i n i m a l   e r r o r s   t o   n u l l i f y   h a r m o n i c   c u r r e n t s .   S a a d   a n d   Z e l l o u m a   [ 2 6 ]   e n h a n c e d   t h r e e - l e v e l  i n v e r t e r s   u s e d   a s   s h u n t   AP F   b y   l e v e r a g i n g   a d v a n t a g e s   o f   m u l t i l e v el   i n v e r t e r s .   T h e y   i n t r o d u c e d   a   f u z z y   l o g i c   c o n t r o l l e r   f o r   h a r m o n i c  c u r r en t s   a n d   i n v e r t e r   DC   v o l t a g e ,   a d d r e s s i n g   t h e   l i m it a t i o n s   o f   tr a d i t i o n a l   t w o - l e v el   A P Fs .   B a d r a   e t   a l .   [ 2 7 ]   p r o p o s e d   a   b a c k s t e p p i n g   c o n t r o l   s t r a t e g y   f o r   a   t h r e e - l e v e l   f o u r - le g   S AP F  s y s t e m   t o   e n h a n c e   t h e   p o w e r   q u al i t y   b y   c o m p e n s a t i n g   h a r m o n i cs   a n d   z e r o - s e q u e n c e   c u r r e n ts   w h i l e  a c h i e v i n g   a   u n it y   p o w e r   f a c t o r .   M o n r o y - M o r a l es  e t   a l .   [ 2 8 ]   v a l i d a te d   a   n e w  a c tiv e   p o w e r   f i lt e r   ( AP F )   p r o t o t y p e   b a s e d   o n   a   t h r e e - p h a s e ,   t h r e e - le v e l   n e u t r al   p o i n t   c l a m p e d   ( N PC )   i n v e r te r ,   d e s i g n e d   t o   e n h a n c e   p o w e r   q u a li ty   t h r o u g h   s e l e c ti v e  h a r m o n i c   a n d   r e a c t i v e  p o w e r   c o m p e n s a t i o n .   T h e y   i m p l e m en t e d   a   t h r e e - d i m e n s i o n a l   s p a ce   v e c t o r   m o d u l a t o r   ( 3D - S V PW M )   t e c h n i q u e   t o   g e n e r a t e   p r e c is e   c o m p e n s a t i o n   c u r r e n t s .   M e h r as a   e t  a l .   [ 2 9 ]   p r o p o s e d   a   d i r e c t  L y a p u n o v - b a s e d   c o n t r o l   t e c h n i q u e   f o r   a c t i v e   p o w e r   f i l t e r i n g   t o   e n h a n c e   p o w e r   q u a l i t y   a n d   a c h i e v e   a   u n i t y   p o w e r   f a c t o r .   I t   c o m p e n s a t e s   f o r   t h e   h a r m o n i c   c u r r e n t   c o m p o n e n t s   a n d   r e a c t i v e   p o w e r   c a u s ed   b y   n o n l i n e a r   g r i d - c o n n e c t e d   l o a d s   w h i le   e n s u r in g   s e a m l ess   i n t e g r at i o n   t h r o u g h   m u l t i l e v el   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s .   I n   a d d it i o n ,   i n t e l li g e n c e - b a s e d   c o n t r o l   t e c h n i q u e s   h a v e   b e e n   i n t r o d u c e d   to   s t a b il i z e   a c t i v e  p o w e r   f i lt e r s ,   s u c h   as   a r t i f i c i al  n e u r a l   n e t w o r k   ( AN N )   [ 3 0 ] ,  r e c u r r e n t   n e u r a l   n e tw o r k   ( R NN )   [ 3 1 ] ,   d e e p   l e a r n i n g   [ 3 2 ] ,   a n d   l o n g   s h o r t - t e r m   m e m o r y   ( L S T M )   [ 3 3 ] .    S e v e r a l   d i s c u s s i o n s   r e l a t e d   t o   M PC   i n   a ct i v e   p o we r   f i lt e r s   h a v e   b e e n   wi d e l y   c o n d u c t e d   b y   v a r i o u s   r e s e a r c h e r s .   S a h l i   et   a l .   [ 3 4 ]   p r o p o s e d   a   m o d i f i e d   p a c k e d   U - c e l l   f i v e - l e v e l   i n v e r t e r   ( MPU C 5 )   wi t h   an   MPC   s t r a t e g y   f o r   s i n g le - p h a s e   A PF   a p p l i c a t i o n s   a n d   t o   e l i m i n a t e  h a r m o n i c   c u r r e n t s   a n d   c o m p e n s a t e   r e a ct i v e   p o w e r   at  t h e   PC C ,   a d d r e s s i n g   t h e  is s u es  c a u s e d   b y   l o ca l   n o n - l i n e a r   l o ad s   c o n n e c t e d   t o   t h e   g r i d .   A d am   e t   a l .  [ 3 5 ]   d e v e l o p   a   f i n i t e   c o n t r o l   s et   MPC   t e c h n i q u e   f o r   c o n t r o l l i n g   v o l t a g e   s o u r c e   i n v e r t e r s   ( VS I s )   i n   AP F   a n d   t o   e n h a n c e  h a r m o n i c   c u r r e n t   m i t i g a t i o n   a n d   e l i m i n a t e   a s y m m et r i c a l   lo a d s   i n   p o w e r   d i s t r i b u t i o n   n e t w o r k s   a f f e c t e d   b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   9 2 2 - 9 3 5   924   n o n l i n e a r   l o a d s ,   d is t r i b u t e d   g en e r a t i o n ,   a n d   r e n e w a b l e  e n e r g y   s o u r c e s .   S k j o n g   e t   a l .   [ 3 6 ]   e v a l u a t e d   a   d is t r i b u t e d   c o n t r o l   h i e r a r c h y   wi t h   r e al - t i m e   M PC   i m p l e m e n t at i o n   f o r   d y n a m i c   s y s t e m s ,   s p e c i f ic a l l y   f o c u s i n g   o n   h a r m o n i c  m i t i g a ti o n   i n   p o w e r   s y s t e m s   an d   a d d r e s s i n g   t h e   c h al l e n g es   as s o ci a t e d   w i t h   i m p l e m e n ti n g   M PC   i n   f as t  d y n a m i c  s y s te m s ,   i n c l u d i n g   h i g h   c o m p u t a t i o n a l   l o a d s   a n d   l i m i t e d   f l e x i b i li t y   i n   e m b e d d e d   d e v i c e s .   H o w e v e r ,   t h e  d e v e l o p m e n t   o f   t h i s   m et h o d   f o r   a c t i v e   p o w e r   f il t e r s   r e m a i n s   o p e n .   W i t h   m o r e   a d v a n c e d   e m b e d d e d   t e c h n o l o g y ,   t h e   i t e r at i o n   p r o c e s s   r e q u i r e d   f o r   M P C   w il l   b e   ea s i e r .   T o   th e   b e s t   o f   o u r   k n o w l e d g e ,   t h e   u s e   o f   m u lt i l e v el  i n v e r t e r s   as   a c ti v e   p o w e r   f i lt e r s   i n   t h e   M PC   m e t h o d   is   s t i ll   v e r y   l i m i t e d .   T h e   m a i n   p r o b l e m   a d d r e s s e d   is   t h e   r e d u c t i o n   o f   h a r m o n i c   d i s t o r t i o n   i n   t h r e e - p h as e ,   f o u r - w i r e   p o w e r   g r i d s ,   w h i c h   i s   c r it i c al   f o r   m a i n t a i n i n g   p o w e r   q u a l i t y .   H a r m o n i c s   f r o m   n o n l i n e a r   l o a d s   a n d   p o w e r   e l e c t r o n i c  c o n v e r t e r s   c a u s e   i s s u e s   s u c h   a s   i n c r e as e d   l o s s es ,   e q u i p m e n t   o v e r h e a t i n g ,   a n d   m a l f u n c t i o n i n g   o f   p r o t e c t i v e  d e v i c e s .   C o n v e n t i o n a l   p a s s i v e   f i l t e r s   a r e   l i m it e d   t o   s t at i c   l o ad   c o n d i t i o n s   a n d   f a i l   t o   a d a p t   d y n a m i c a l l y .   W h il e  m o r e   e f f e c t i v e ,   a c ti v e   p o w e r   f il t e r s   r e q u i r e   p r e ci s e   c u r r e n t   r e f e r e n c e   g e n e r a t i o n   a n d   a d v a n c e d   c o n t r o l   s t r a t e g i e s .   T h i s   s t u d y   f o c u s e d   o n   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f i v e - l e v el   m u l t i l e v el   i n v e r t e r   as   a   h y b r i d   a c t i v e   p o w e r   f i l te r   c o n t r o l l e d   b y   M P C .   T h e   c h a l l en g e   i s   t o   d e v e l o p   a n   e f f i c i e n t   a n d   a d a p t i v e   c o n t r o l   m e c h a n i s m   t o   m i n i m i z e   T H D  a n d   a d d r e s s   l o a d   i m b al a n c es   wh i l e   e n s u r i n g   a   r o b u s t   a n d   s c al ab l e   s o l u ti o n   f o r   c o m p l e x   p o w e r   s y s te m s .   T h e   m a i n   c o n t r i b u t i o n s   a n d   n o v e l t y   o f   t h i s   s t u d y   a r e   as   f o l l o w s :   i)   T h i s   p a p e r   p r es e n ts   a   h y b r i d   p o w e r   f i l t e r   b as e d   o n   a   f i v e - l e v e l   m u lt i l e v e l  i n v e r t e r   u s i n g   MP C   t o   r e d u c e   h a r m o n i c   d i s t o r t i o n s   i n   a   t h r e e - p h a s e ,   f o u r - w i r e   p o w e r   g r i d .   T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l ts   s h o w   it s   c a p a b i l it y   t o   l o w e r   t h e   T HD   b e l o w   5 % ,   m ee t i n g   p o w e r   q u a l i ty   s t a n d a r d s .   i i )   T h e   p r o p o s e d   s y s te m   r e d u c e s   h a r m o n i c   c u r r e n t s   a n d   a d d r es s es   l o a d   im b a l a n c e s ,   t h e r e b y   s i g n i f i c a n t l y   r e d u c i n g   t h e   n e u t r a l   c u r r e n t   b y   u p   t o   o n e - t e n th   o f   i t s   o r i g i n a l  v a l u e .   T h is   f e a t u r e   i m p r o v e s   t h e  s t a b il i t y   a n d   e f f i c i e n c y   o f   t h e   p o w e r   d i s t r i b u t i o n   s y s t e m s .   i i i)   T h i s   s t u d y   e x p l o r e d   M P C   f o r   a c t i v e   p o w e r - f i l t e r   a p p l i c a t i o n s   i n   m u l ti l e v el   i n v er t e r s ,   a n   a r e a   w i t h   l i m it e d   r e s e a r c h .   T h i s   a d v a n c es   t h e   u n d e r s t a n d i n g   o f   M PC   e f f e c t i v e n es s   i n   i m p r o v i n g   t h e   p o w e r   q u a l i t y   a n d   b a l a n c i n g   l o a d s   i n   c o m p l e x   p o w e r   s y s t e m s .   T h is   p ap er   is   o r g an ized   in to   s ev er al  s ec tio n s   to   s y s tem ati ca lly   d em o n s tr ate  its   co n tr ib u tio n s   an d   r elev an ce .   Sectio n   1   in tr o d u ce s   th e  s ig n if ican ce   o f   p o w er   elec tr o n ics  in   v ar i o u s   ap p licatio n s   an d   th e   ch allen g es  p o s ed   b y   h ar m o n i c  d is to r tio n s   in   p o wer   g r id s ,   em p h asizin g   th e  n o v elty   o f   u s in g   a   f iv e - le v el   m u ltil ev el  in v er ter   with   an   MPC   to   ad d r ess   th ese  is s u es.  Sectio n   2   r ev iews  ex is tin g   h ar m o n ic   m itig atio n   tech n iq u es,  h ig h lig h tin g   th e  lim itatio n s   o f   p ass iv e  f ilter s   an d   tr ad itio n al  ac tiv e  f ilter s ,   wh ile  id en tify in g   r esear ch   g ap s   in   ap p ly in g   MP C   to   h y b r id   p o wer   f ilter s .   Sectio n   3   d escr ib es  th e  r esear ch   m eth o d o lo g y ,   d etails  th e  h y b r id   ac tiv e  p o wer   f ilt er   d esig n ,   th e  u s e  o f   SR F  th eo r y   f o r   r ef er en ce   cu r r e n t  g en er atio n ,   an d   t h e  im p lem en tatio n   o f   MPC   f o r   o p tim izin g   in v er ter   s witch in g   p atter n s   to   r ed u ce   h ar m o n ic  d is to r tio n .   Sectio n   4   p r esen ts   th e  s im u latio n   r esu lts ,   d em o n s tr atin g   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e  p r o p o s ed   s y s tem   in   r ed u cin g   th e  T HD   b elo w  5 %,  b alan cin g   lo ad s ,   an d   m in im izin g   n eu t r al  cu r r en ts   u n d er   b o th   b alan ce d   an d   u n b alan ce d   lo ad   co n d itio n s ,   with   a  d is cu s s io n   co m p ar in g   it  t o   co n v en tio n al  m eth o d s .   Fin ally ,   s ec tio n   5   c o n clu d es  th e   p a p er ,   s u m m ar izes th e  ac h iev em e n ts ,   an d   s u g g ests   f u tu r e  d ir ec tio n s .         2.   M E T H O D   A  th r ee - p h ase,   f o u r - wir e   p o wer   g r id   cir cu it   co n n ec ted   b y   a  n o n lin ea r   lo a d   g en er ated   a  h a r m o n ic  cu r r en t.  T h is   cir cu it wa s   th en   co n n ec ted   to   a  s er ial - m o u n ted   p ass iv e  p o wer   f ilter   with   an   ac tiv e  p o wer   f ilter   at  th e  p o in t  o f   c o m m o n   co u p lin g   ( PC C ) .   I t  h as  an   ac tiv e   p o wer   f ilter   in   th e   f o r m   o f   a  th r ee - p h ase,   f o u r - wir e,   m u ltis tag e  co n v er ter   n etwo r k .   C u r r en t  an d   v o ltag e  s en s o r s   ar e  p r o ce s s ed   u s in g   th e  SR F   m eth o d   to   g en er ate   th e  r ef er e n ce   c u r r e n t  u s ed   in   t h e  MPC   m eth o d .   T h e   f u ll  r an g e  o f   th ese  n etwo r k s   is   illu s tr a ted   in   Fig u r e  1 .   T h e   s im u lated   n etwo r k   was  a  th r ee - p h ase,   f o u r - wir e   v o ltag e  n et wo r k   th at  ac c o m m o d ated   th e   p r esen ce   o f   a  s in g le - p h ase  lo ad   co n n ec ted   to   a   t h r ee - p h ase  n etwo r k .   T h ese  s in g le - p h ase  l o ad s   af f ec t  th e   lo ad   b ala n ce .   T h e   m ag n itu d e  o f   th is   lo ad   im b ala n ce   af f ec ted   t h e  m ag n itu d e  o f   th e  n eu tr al  cu r r en t.     2 . 1 .     M ultilev el  co nv er t er   A  clam p ed   d io d e  ca s ca d e  co n v er ter   is   a  m u ltil ev el  in v er ter   th at  p r o d u ce s   an   o u t p u t  v o lt ag e  with   a  lo w  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( lo w  T HD) .   T h is   in v er ter   u s es  a  co m b in atio n   o f   s em ico n d u cto r   s witch es  an d   s u p p o r tin g   co m p o n en ts   to   p r o d u ce   o u tp u t   v o ltag e   lev els  a p p r o ac h in g   s in u s o id al   wav ef o r m s .   T h is   co n v er ter   h as  f o u r   s em ico n d u cto r   s witch es  clam p ed   with   a  d i o d e  o n   ea ch   ar m .   T h e   f o u r   ar m s   co n s is ted   o f   p h ases   a,   b ,   c,   an d   n eu tr al,   as  s h o wn   in   Fig u r e  2 .   Fo r   th e  p o wer   s u p p ly   s u p p lied   b y   V dc ,   th e  v o ltag e  is   eq u al  to   th e  u s e  o f   C 1   an d   C 2   with   th e  s am e  v alu e ,   s u ch   th at  V C1   =  V C2   is   id ea l.   T h er e  wer e   f o u r   I GB T s   in   ea c h   ar m :   S 1a ,   S 2a ,   S' 1a ,   an d   S' 2a .   S 1a   an d   S' 1a  ar e  n eg ativ e   with   ea ch   o th e r ,   an d   s o   a r e  S 2a   an d   S' 2a ,   s o   if   S 1a   h as  a  v alu e   o f   "1 "  th en   S' 1a   h as  a  v al u e  o f   "0 "   an d   if   S 2a   h as  a  v alu e  o f   "0 "   th en   S' 2a   h a s   a  v alu e  o f   "1 . "  Fro m   th e  co m b in atio n   o f   ea ch   ar m ,   3 4   =  8 1   p o s s ib le  s witch es  wer e  p r o d u ce d .   T h e   th r ee   p o s s ib ilit ies f o r   ea ch   ar m   ar e  lis ted   in   T ab le  1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  r ed u ctio n   in   p o w er g r id s :   i mp leme n tin g   a   fo u r - leg g ed   mu ltil ev el  in ve r ter   …   ( A s ep   A n d a n g )   925   Fro m   T ab le   1 ,   two   lev els  o f   p o s itiv e  v o ltag e  ca n   b e  ad ju s te d ,   p lu s   two   lev els  o f   n eg ativ e   v o ltag e,   s o   th at  f iv e  lev els o f   v o ltag e  with   ze r o   ar e  o b tain ed   at  th is   lev el.   W h en   s wi tch in g   co n d itio n s   S 1a   an d   S 2a   ar e  o n ,   a   v o ltag e  o f   Vd c  is   p r o d u ce d ,   wh ich   is   m ea s u r ed   b etwe en   p h ases   a  an d   N.   W h en   S 2a   is   o n ,   V C2   will   b e   m ea s u r ed   b etwe en   p h ases   a  an d   N,   an d   i f   S 1a   an d   S 2a   ar e  o f f ,   th e  v o ltag e  v alu e  o f   p h ases   a  t o   N  will b e  ze r o .   T h e  v o ltag e  g e n er ated   f r o m   p h ase  x   to   p o in t  N  d ep e n d s   o n   th e  s witch in g   s ig n al  o f   ea ch   I GB T   in   ea ch   ar m ; th is   ca n   b e  s ee n   f r o m   ( 1 )   [ 3 7 ] .     [     ] = 1 [ 1 1 1 1 ] + 2 [ 2 2 2 2 ]   ( 1 )     W h ile  th e  p h ase  v o ltag e  x   to   p o in t n   is   g en e r ated   f r o m   ( 2 ) .     [    ] = 1 [ 1 − 1 1 − 1 1 − 1 ] + 2 [ 2 − 2 2 − 2 2 − 2 ]   ( 2 )       3 f   4   W i r e   P o w e r   G r i d N o n - l i n i e r   Lo a d R e f e r e n c e   G e n e r a t o r C ur r e nt   S e ns or V ol t a ge   S e ns or M o d e l   P r e d i c t i v e   C o n t r o l P a s s i v e   P o w e r   F i l t e r A c t i v e   P o w e r   F i l t e r P C C a P C C b P C C c P C C n     Fig u r e  1 .   Po wer   g r id - c o n n ec te d   n o n li n ea r   lo ad s   with   ac tiv e  p o wer   f ilter s       P N V dc 0 a b c n S 1a S 2a S     a S     a S 1b S 2b S     b S     b S     c S     c S     n S     n S 1c S 2c S 1n S 2n C 1 C 2     Fig u r e  2 .   Netwo r k   o f   th r ee - p h ase,   f o u r - wir e  m u ltil ev el  co n v er ter       T ab le  1 .   Switch in g   s tate  o f   m u ltil ev el  co n v er ter   S w i t c h i n g   si g n a l   O u t p u t   v o l t a g e   S 1x   S 2x   S’ 1x   S’ 2x   V xN   ‘ 1 ’   ‘ 1 ’   ‘ 0 ’   ‘ 0 ’   V C1   + V C2   ‘ 0 ’   ‘ 1 ’   ‘ 1 ’   ‘ 0 ’   V C2   ‘ 0 ’   ‘ 0 ’   ‘ 1 ’   ‘ 1 ’   0     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   9 2 2 - 9 3 5   926   2. 2 .    Ref er ence   curr ent   g ene ra t io n   T h e  s y n ch r o n o u s   r ef er en ce   f r a m e  ( SR F)  th eo r y   is   em p lo y e d   to   tr an s f o r m   t h r ee - p h ase  cu r r e n ts   ( i a ,  i b ,  i c )   in to   a  r o tatin g   r ef er en ce   f r a m e  ( dq 0 )   u s in g   C lar k   an d   Par k   tr a n s f o r m atio n s .   T h is   tr an s f o r m atio n   s im p lifie s   th e  an aly s is   an d   co n t r o l  o f   th r ee - p h ase  s y s tem s   b y   co n v er tin g   th e  s in u s o id al  wav ef o r m s   in to   DC   co m p o n e n ts   in   th e  dq 0   d o m ain .   T h e  p r o c ess   b eg in s   with   th e  C lar k   tr an s f o r m atio n ,   wh ic h   p r o jects  th r ee - p h ase  cu r r en ts   in to   a  two - p h ase  s tatio n ar y   r ef er en ce   f r am e   ( αβ ) .   T h is   was a ch iev ed   b y   u s in g   t h e  f o llo win g   eq u atio n :     [ ] = [ 1 − 1 2 − 1 2 0 √ 3 2 − √ 3 2 ] [ ]       wh er e  i α   an d   i β   r e p r esen t  th e   t wo   o r th o g o n al  co m p o n en ts   o f   th e  th r ee - p h ase  c u r r en t   in   t h e  s tatio n ar y   r ef e r en ce   f r am e.   On ce   th e  cu r r en ts   ar e  in   th e  αβ   f r am e,   th e  Par k   tr an s f o r m atio n   is   ap p lied   to   r o tate  th is   s tatio n ar y   f r am e  to   alig n   it  with   th e  s y n ch r o n o u s   r ef e r en ce   f r am e  ( dq ) .   T h is   alig n m en t  is   ac h ie v ed   b y   u tili zin g   th e   s y s tem ’ s   in s tan tan eo u s   an g u la r   p o s itio n   ( θ )   to   p r o ject  th e  c u r r en ts   o n to   th e   r o tatin g   dq - a xis   u s in g :     [ ] = [  −  ] [ ]       h er e ,  i d   r e p r esen ts   th e  d ir ec t  a x is   co m p o n en t,  wh ic h   alig n s   with   th e  s y s tem   v o ltag e,   an d   i q i_ q iq   r ep r esen ts   th e   q u ad r atu r e  ax is   c o m p o n en t  o r th o g o n al  to   i d .   T h ese  c o m p o n en ts   ar e  n o w  DC   s ig n als,  m a k in g   th e m   ea s ier   to   f ilter   an d   p r o ce s s   f o r   c o n tr o l.   T h e  f in al  s tep   is   to   g en er ate  th e  r ef er en ce   cu r r en ts   b y   f ilter in g   th e  i d   an d   i q   co m p o n en ts   u s in g   a  lo w - p ass   f ilter   to   r em o v e  h ar m o n ic  d is to r tio n .   T h e  f ilter ed   id i_ d id   co m p o n en t  is   f u r th er   co r r ec ted   u s in g   a  DC   r eg u lato r ,   wh ile  th e   i q   an d   i 0   co m p o n en ts   ar e   tr an s f o r m ed   b ac k   to   th e   th r ee - p h ase  ab c ab ca b c   d o m ain   v ia   in v er s e  Par k   an d   C lar k   tr an s f o r m atio n s .   T h ese  r ef er e n ce   cu r r en ts   ( i a , ref ,  i b, ref ,  i c, ref )   g u id e   th e  in v er ter   s witch in g   p atter n s   to   in ject  co m p en s atin g   cu r r e n ts ,   en s u r in g   h ar m o n ic  r ed u ctio n   a n d   a  b alan ce d   s y s te m   o p er atio n .   T h e  r ef er en ce   c u r r en ts   to   b e   u s ed   in   th e  MPC   m eth o d   wer e  g en er ated   u s in g   th e  s y n ch r o n o u s   r ef er en ce   f r am e  ( SR F)  th eo r y .   T h e  d ec o m p o s itio n   d ia g r am   b lo ck s   to   g e n er ate  th e  r e f er e n ce   cu r r e n ts   i a(ref) ,   i b(ref) ,   an d   i c(ref)   ar e  s h o wn   i n   Fig u r e  3 .   T h e  c h an g e   o f   p h ase  c u r r en t a b c  to   d q   cu r r en t is d o n e  u s in g   ( 3 ) .     [ 0 ] = 2 3 [         s in (  ) s in (  − 2 3 ) s in (  + 2 3 ) c os (  ) c os (  − 2 3 ) c os (  + 2 3 ) 1 2 1 2 1 2 ]         [ ]   ( 3 )     T h e  i d(ref)   cu r r en t  was  o b tain ed   v ia  i d   f ilter in g   u s in g   a  lo w - p ass   f ilter   an d   co r r ec tio n   f r o m   th e  DC   r eg u lato r .   T h e  c u r r en ts   i q(ref)   a n d   i 0(ref)   ar e  g e n er ated   b y   c o n v er tin g   b y   - 1   o f   i q   an d   i 0 .   I t  was  th en   co n v e r ted   ag ain   to   g e n er ate  th e  r ef er en ce   cu r r en ts   i a(ref) ,   i b(ref) ,   an d   i c(ref)   u s in g   ( 4 ) .     [ ( ) ( ) c ( r ef ) ] = [       s in (  ) c os (  ) 1 s in (  − 2 3 ) c os (  − 2 3 ) 1 s in (  + 2 3 ) c os (  + 2 3 ) 1 ]       [ ( ) ( ) 0 ( ) ]   ( 4 )       a bc dq P L L i a i b i c v a v b v c L P F - + + - V dc V r e f PI dq a bc i d i q i 0 i a( r e f ) i b( r e f ) i c ( r e f ) w i dc i d( r e f ) i q( r e f ) i 0( r e f ) - 1 - 1     Fig u r e  3 .   T h e  m eth o d   r e f er en c e  cu r r en ts   wer e  g en er ated   u s in g   th e  SR F m eth o d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  r ed u ctio n   in   p o w er g r id s :   i mp leme n tin g   a   fo u r - leg g ed   mu ltil ev el  in ve r ter   …   ( A s ep   A n d a n g )   927   2 . 3 .     M o del  predict iv e  co ntr o l   T h e  MPC   is   ch o s en   f o r   g en er atin g   o p tim al   s witch in g   p atter n s   in   m u ltil ev el   in v er ter s   b ec au s e  o f   its   ab ilit y   to   p r ed ict   f u tu r e  c u r r e n ts   i ( k +1 )   b ased   o n   th e  s y s te m   p ar a m eter s   an d   ap p lied   s witch in g   s tates.  B y   lev er ag in g   a  co s t  f u n ctio n   g  =  ∣ i ref  −   i ( k +1 ) ∣ ,   th e   MPC   m in im izes  th e  d if f er e n ce   b etwe en   th e  r ef er e n ce   cu r r en t   ( i ref )   an d   p r e d icted   c u r r en t,   ef f ec tiv ely   r ed u cin g   T HD  an d   en h an cin g   p o wer   q u ality .   I ts   f le x ib ilit y   allo ws  it  t o   ad ap t  to   d y n a m ic  an d   u n b alan ce d   lo ad   co n d itio n s ,   en s u r in g   co n s is ten t  p er f o r m an ce   in   th r ee - p h ase  f o u r - wir e   s y s tem s .   Fu r th er m o r e,   MPC ’ s   co m p u tatio n al  ef f icien cy   o f   MPC ,   en ab led   b y   a d v an ce m en ts   in   em b ed d ed   tech n o lo g ies,  m ak es  it  p r ac t ical  f o r   r ea l - tim e  ap p licatio n s .   T h e  ca p ab ilit y   o f   th e  al g o r ith m   to   h a n d le   m u ltil ev el  s witch in g   with   n u m er o u s   co m b in atio n s   ( e. g . ,   8 1   f o r   a  f iv e - lev el  in v er ter )   en s u r es  an   o p tim al  v o ltag e  o u tp u t  wh ile  m ain tai n in g   p r ec is io n .   T h ese  ad v an t ag es  m ak e  MPC   an   id ea l  ch o ice  f o r   im p r o v in g   co n tr o l a cc u r ac y   a n d   r eliab ilit y   in   m u ltil ev el  in v er ter   ap p licatio n s .   T h e  MPC   alg o r ith m   u s ed   in   th is   s tu d y   is   as f o llo ws:   ˗   I n itialize  p ar am eter s   T h e  in itial  v alu e  o f   i ( k )   ( c u r r en t  at  tim e  k )   is   s et.   W e  d ef in e  th e  n etwo r k   p ar am eter s ,   in clu d in g   R ,  L ,  C ,  an d   th e  s am p lin g   tim e  T s.   ˗   C alcu late  r ef er en ce   cu r r en t   T r an s f o r m   th e   th r ee - p h ase  c u r r en t  ( i a ,  i b ,  i c )   in to   th e   dq 0   d o m ain   u s in g   C lar k   a n d   Par k   tr a n s f o r m atio n s   as  in   ( 5 ) :     [ 0 ] =   T  [ 0 ]     ( 5 )       a p p ly   a  lo w - p ass   f ilter   to   i d   to   r em o v e  h ar m o n ic  co m p o n e n ts   an d   g e n er ate  th e  r ef er en ce   cu r r en t ( i ref ).   ˗   Pre d ict  f u tu r e  c u r r en t   Use th e  s y s tem   eq u atio n   ( b ase d   o n   elec tr ical  cir c u it d y n a m ics)   as sh o wn   in   ( 6 ) .     ( + 1 ) = ( ) + (   −     −   . ( ) )     ( 6 )       C u r r en t  i ( k +1 )   is   p r ed icted   u s i n g   in v e r ter   v o ltag e  ( v inv ).   ˗   E v alu ate  co s t f u n ctio n   C o m p u te  th e  co s t  f u n ctio n   ( g )   as  th e  a b s o lu te  d if f er en ce   b etwe en   th e  p r ed icted   c u r r e n t  i ( k +1 )   an d   th e   r ef er en ce   c u r r en t  ( i ref ) ,  as sh o wn   in   ( 7 ) .     = | − ( + 1 ) |     ( 7 )     ˗   Op tim ize   s witch in g   p atter n   I ter ate  all  8 1   p o s s ib le  s witch in g   co m b in atio n s   f o r   th e   m u ltil ev el  in v er te r .   Select  th e   s witch in g   p atter n   t h at  m in im izes g .   ˗   Gen er ate   s witch in g   s ig n al   T h e  o p tim al  s witch in g   p atter n   is   ap p lied   to   th e  in v er ter   to   p r o d u ce   th e   d esire d   v o ltag e  ( v inv ).   ˗   R ep ea t   th e  p r o ce s s   Up d ate  i ( k )   with   th e  p r ed icted   v alu e  i ( k +1 ) .   Step   3   is   co n tin u ed   f o r   t h e  n e x t sam p lin g   p e r io d .   T o   g en er ate  a  s witch in g   s ig n al  with   th e  MPC   m eth o d ,   a  r ef er en ce   cu r r en t  d er i v ed   f r o m   h ar m o n ic   s ig n al  ex tr ac tio n ,   as  s h o wn   i n   ( 4 ) ,   an d   a  p r ed icted   cu r r e n t  s ig n al  ar e  r eq u ir e d .   T h e  p r ed ic ted   cu r r e n t  is   b u ilt  f r o m   th e   eq u atio n   o f   t h e  s y s tem   s er ies in   th e  f o r m   o f   a   clo s ed   lo o p ,   as sh o wn   in   ( 8 ).     =   + . + 1 ∫      +   ( 8 )     W h er e  v pccx   is   th e  v o ltag e  at  th e  p o in t  o f   co m m o n   co u p lin g   p h ase  x ,   L ,   R ,   an d   C   ar e  th e  v alu es  o f   r esis tan ce ,   in d u ctan ce ,   an d   ca p ac itan ce   o f   th e  p ass iv e  p o wer   f ilter ,   r esp ec tiv ely ,   an d   v inv   is   th e  v alu e  o f   th e  in v er te r   v o ltag e  ac co r d in g   t o   ( 2 )   f r o m   p h ase  x   to   n   o r   a cc o r d i n g   to   ( 9 ) .     =    ( 9 )     T h e  n ex t  p r o ce s s   is   to   d is cr etize   ( 8 ) ,   b o th   d er iv ativ es  an d   in teg r als,  u s in g   f o r war d   E u ler   s o   th at  th e   p r ed ictio n   c u r r en t  u s ed   in   th e   s witch in g   p r o ce s s   is   o b tain ed   as in   ( 10 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   9 2 2 - 9 3 5   928   ( + 1 ) = 1 ( + + ) ( − − ( − ) ( ( ) ) )   ( 10 )     W h er e   i( k+1 )   is   th e   p r e d ictio n   f l o w  u s in g   th e  MPC   m e th o d .   Ts   is   th e   tim e  s am p li n g   an d   i( k )   is   th e   ex tr ap o latio n   cu r r en t  at   tim e  k .   T o   d eter m i n e  th e   b est  s witch in g   p atter n   s u c h   th at   th e  p r ed i cted   cu r r en t  is   t h e  s am e  as  th e  r e f er en ce   cu r r en t,   th e  co s t  f u n ctio n   is   u s ed ,   wh ic h   is   th e   ab s o lu te  v alu e   o f   th e  d if f er en ce   b etwe en   th e  r ef er e n ce   c u r r e n t  an d   th e   r ef er en ce   c u r r e n t,  as  in   ( 11 ) .   I n   o n e   s am p lin g   tim e,   8 1   iter atio n s   wer e  p e r f o r m e d   to   o b tain   th e   s m allest  g - v alu e .   T h is   s m allest  G  p r o d u ce s   a   p r ed ictio n   v alu e  th at  is   th e  r esu lt  o f   s witch in g ,   ac co r d in g   to   ( 2 ) .     = | ( ) − ( + 1 ) | + | ( ) − ( + 1 ) | +     | ( ) − ( + 1 ) | + | ( ) − ( + 1 ) |   ( 11 )       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T h e  m o d el  was  test ed   b y   s im u latin g   th e   cir cu its   an d   eq u atio n s   u s in g   MA T L AB   Sim u lin k .   T h e  s im u latio n   h ad   th r ee   m ain   p ar ts :  a  p lan t  with   a   th r ee - p h ase,   f o u r - wir e  s o u r ce   c o n n ec ted   t o   a  n o n lin ea r   lo a d ;  r ef er en ce   c u r r e n t  g en e r atio n   u s in g   SR F  d er iv ed   f r o m   l o ad   cu r r en ts   a n d   v o ltag es;  an d   a   h y b r id   p o wer   f ilter   co m p r is in g   an   L C   p ass iv e  f ilt er   an d   a n   ac tiv e   f ilter   as  a  t h r ee - p h ase  f o u r - wir e  co n v er ter .   Simu lin k   was  u s ed   to   s im u late  th e  cir cu it  f o r   th e  b asic  p ar am eter s   d escr ib ed   in   MA T L AB .   MPC   p r o g r am m in g   is   p er f o r m e d   u s in g   ( 10 ) ,   wh e r e  i( k+1 )   is   th e  p r ed icte d   cu r r en t  o b tain ed   f r o m   t h e  in v e r ter   v o ltag e  v i n v   f r o m   ( 2 ) .   T h e   p r ed icted   cu r r en t  m u s t  b e  clo s e  to   th e  r ef er en ce   c u r r e n t  to   r ed u ce   h a r m o n y ,   as  d eter m i n ed   u s in g   th e   co s t  f u n ctio n   in   ( 11 ) .   T o   ass ess   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  m o d el,   test s   wer e  co n d u cted   u s in g   b alan ce d   a n d   u n b alan ce d   n o n lin ea r   lo a d s .     3 . 1 .     B a la nced  lo a d si m ula t io n   T h e  b alan ce d   lo ad   test   was  p er f o r m ed   b y   c o n n ec tin g   a  t h r ee - p h ase,   f o u r - wir e  elec tr ic al  n etwo r k   with   a  s in g le - p h ase  r ec tifie r   co n n ec ted   to   th e  r esis tiv e  lo ad   R   an d   an   in d u cto r   L   with   a  v alu e  o f   R a  =  R b   =    R c  =  2 5     wh ile  th e  in d u cto r   v alu e  is   7 0   m H.   T h e  lo ad   cir cu it  is   illu s tr ated   in   Fig u r e  4 .   Simu latio n s   ar e   p er f o r m ed   to   ass ess   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  h y b r id   p o wer   f ilt er   wh en   s u b jecte d   to   n o n lin ea r   lo ad s .   Fig u r e  5 ( a)   illu s tr ates  th e  lo ad   cu r r en t,  wh ich   s h o ws  s ig n if ican t  d is to r tio n ,   wh er ea s   Fig u r e  5 ( b )   d ep icts   th e  co r r esp o n d in g   lo ad   v o ltag e.   T h e  p r esen ce   o f   h ar m o n ic   d is to r tio n   ca u s es  th e   lo ad   cu r r e n t  to   d ev iate   f r o m   t h e  id ea l  s in u s o i d al  wav ef o r m .   Sp ec if ically ,   th e  T HD  o f   t h e  lo a d   c u r r en t   was  m ea s u r ed   to   b e   3 2 . 3 4 %,   as  s h o wn   in   Fig u r e   5 ( c ) ,   wh er ea s   th e  lo ad   v o ltag e  ex h i b ited   a  T HD  o f   3 . 1 1 %,  as sh o wn   in   Fig u r e  5 ( d ) .   T h e  lo ad   cu r r en t,  wh ich   c o n ta in ed   h ar m o n ic  d is to r tio n ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  6 ( a) ,   was  an a ly ze d   an d   p r o ce s s ed   u s in g   th e  SR F  m eth o d ,   as  o u tlin e d   in   Fig u r e  3 .   T h is   p r o ce s s   b eg in s   with   th e  C lar k   tr an s f o r m atio n ,   wh ich   co n v e r ts   th r ee - p h ase  c u r r en ts   ( abc )   in to   a  two - p h ase  s tatio n ar y   r ef er en ce   f r am e  ( dq0 ) ,   p r o d u cin g   t h e   s ig n al  d ep icted   in   Fig u r e  6 ( b ) .   T h e  r esu ltin g   dq 0   s ig n al  was  th en   p ass ed   th r o u g h   a  lo w - p a s s   f ilter   to   r em o v e   h ig h - f r eq u e n cy   h ar m o n ics,  y ie ld in g   a  s m o o th ed   r e f er en ce   cu r r en t in   th e  dq0   d o m ain ,   as sh o wn   in   Fig u r e  6 ( c) .   Fin ally ,   th e  r ef e r en ce   c u r r e n t  in   th e  dq0   d o m ain   is   r etr a n s f o r m ed   b ac k   in to   t h e  th r ee - p h ase  abc   r ef er en ce   f r am e  u s in g   in v er s e  C lar k   tr an s f o r m atio n .   T h is   r etr an s f o r m atio n ,   illu s tr ated   in   Fig u r e  6 ( d ) ,   p r o v id es  t h e   r ef er en ce   cu r r en ts   r e q u ir ed   to   g u id e   th e   s witch in g   p atter n s   o f   th e   in v er ter   f o r   ef f ec tiv e   h ar m o n ic   co m p en s atio n   a n d   lo a d   b alan c in g .       a b c n LL a LL b LL c RL a RL b RL c     Fig u r e  4 .   L o ad   cir c u it   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  r ed u ctio n   in   p o w er g r id s :   i mp leme n tin g   a   fo u r - leg g ed   mu ltil ev el  in ve r ter   …   ( A s ep   A n d a n g )   929       ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  5 .   C u r r e n t w av ef o r m   a n d   v o lta g e:  ( a)   lo a d   cu r r en t ,   ( b )   lo ad   v o ltag e ,   ( c )   T HD  cu r r en t ,   an d     ( d )   T HD  lo ad   v o ltag e           ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  6 .   C u r r e n t w av ef o r m :   ( a)   lo ad   cu r r en t in   ab c ,   ( b )   lo a d   cu r r en t i n   d q 0 ,   ( c )   r ef er e n ce   c u r r en t in   d q 0 ,   an d   ( d )   r ef er en ce   c u r r en t i n   ab c       T h e  in jectio n   o f   co m p e n s atin g   cu r r en ts   b y   th e  co n v er ter   v o ltag e  at  th e  P C C   ef f ec tiv ely   r ed u ce d   th e   cu r r en t  d r awn   f r o m   th e   s o u r ce ,   th er eb y   d ec r ea s in g   th e   h ar m o n ic  co n ten t  o f   th e   s o u r ce   c u r r en t.  T h is   r e d u ctio n   in   h ar m o n ics  was  co n f ir m ed   b y   th e  o b s er v ed   d ec r ea s e  in   T HD  o f   th e  s o u r ce   cu r r en t.  F ig u r e  7 ( a )   illu s tr ates  th e  s o u r ce   cu r r e n t  wav ef o r m ,   wh er ea s   Fig u r e  7 ( b )   d e p icts   th e  co r r esp o n d in g   s o u r ce   v o lta g e  wav ef o r m .   T h e   T HD  v alu es  f o r   t h e  s o u r ce   cu r r en t   an d   v o ltag e  a r e  p r esen ted   in   Fig u r es  7 ( c)   an d   7 ( d ) ,   r esp ec tiv ely ,   h ig h lig h tin g   th e   im p r o v ed   p o wer   q u ality   ac h iev ed   b y   th e  h y b r id   p o wer   f ilter .   I n   a d d itio n ,   th e  in s tallatio n   o f   th e  h y b r id   p o wer   f ilter   s ig n if i ca n tly   r ed u ce d   th e  n eu tr al  cu r r en t.  B ef o r e  f ilter   in s tallatio n ,   th e  n eu tr al  cu r r en t   at  th e  lo ad   a v er ag es  5 . 5   am p er es;  af ter   th e  f ilter   is   ap p lied ,   th e  n eu tr al  cu r r en t  at   th e  s o u r ce   d ec r ea s es  to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   9 2 2 - 9 3 5   930   ap p r o x im ately   0 . 8   a m p er es.  T h is   r ed u ctio n   u n d er s co r es   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e   f ilter   i n   b alan cin g   th e  lo a d   an d   m itig atin g   t h e  ef f ec t  o f   h a r m o n ic  d is to r tio n s   o n   th e   p o w er   s y s tem .   Un d er   b alan ce d   lo a d   co n d itio n s ,   h ar m o n ic  cu r r en t  g en er ati o n   was  co n s is ten t  ac r o s s   th e  p h ases ,   with   n o   n o tab le  d is cr ep a n cies.  I n   t h e  SR F,  th e  r ip p les  in   th e   i d   cu r r en t  a r e  attr ib u ted   to   h ar m o n ic  d is to r tio n .   T h e   s im u latio n   d em o n s tr ated   th e   co n n ec tio n   b etwe en   h ar m o n ic  cu r r en ts   an d   th e  in cr ea s ed   n eu tr al  cu r r e n t.   I m p lem en tin g   a  h ar m o n ic  p o wer   f ilter   ef f ec tiv ely   r ed u ce s   th e  T HD  in   th e  cu r r en t  o f   ea c h   p h ase,   en s u r in g   a   b alan ce d   r ed u ctio n .   I n   a d d iti o n ,   th e   h y b r id   p o wer   f ilter   s ig n if ican tly   d ec r ea s ed   t h e  n e u tr al  cu r r e n t,  leav in g   o n ly   m in o r   s p ik es c au s ed   b y   t h e  MPC   alg o r ith m   d u r in g   i n v e r ter   s witch in g .           ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  7 .   So u r ce   p a r am eter s :   ( a)   s o u r ce   cu r r en t w av e ,   ( b )   s o u r ce   v o ltag e   wav e ,   ( c )   T HD  s o u r ce   cu r r en t ,   a n d   ( d )   T HD  s o u r ce   v o ltag e       3 . 2 .     Unba la nced  lo a d si m ula t io n   Fo r   th e   u n b alan ce d   lo ad   s im u latio n   with   d if f er e n t  lo a d   v al u es  p er   p h ase,   th e   lo ad   r esis tan ce   p h ase  R L a  =  2 5   Ω   a n d   in d u ctan ce   lo ad   p h ase  L L a   =  7 0   m H,   th e   p h ase  b   v alu es  ar e   R L b   =  1 3   Ω   an d   L L b   =  6 0   m H ,  an d   f o r   p h ase  c,   R L c  =  3 7   Ω   an d   L L c  =  5 0   m H.   T h e  s im u l atio n   p r o d u ce d   d if f e r en t  cu r r e n ts   f o r   ea ch   p h ase:  7 . 9 6   A,   1 4 . 9 6   A,   an d   5 . 6   A   f o r   p h ases   a,   b ,   an d   c,   r esp ec tiv ely .   T h e   d if f er en ce s   in   am p lit u d e  ac r o s s   th e  lo a d   cu r r en ts   ar e  illu s tr ated   in   Fig u r e  8 ( a ) ,   with   p h ase  b   ex h ib it in g   th e  h i g h est  am p litu d e.   Ho wev er ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  8 ( b ) ,   th e  lo ad   v o ltag e   r em ain ed   co n s is ten t  ac r o s s   all  th e  p h ases ,   in d icatin g   n o   s ig n if ican t  v ar iatio n   d esp ite  th e  cu r r en t  am p litu d e  d if f er en ce s .   T h e  T HD  o f   th e  l o ad   cu r r e n t  v ar ied   s ig n if ican tl y   b etwe en   p h ases ,   with   p h ase  b   h av in g   th e   h ig h e s t  T HD  o f   3 8 . 2 5 %,   co r r esp o n d in g   to   its   lar g er   cu r r e n t  am p litu d e.   T h e  h a r m o n ic   s p ec tr u m   o f   th e   lo ad   c u r r en t  i s   d ep icted   in   Fig u r e  8 ( c) ,   w h ich   s h o ws  th e  f r eq u en cy   c o m p o n en ts   co n tr ib u tin g   to   th e  d is to r tio n .   T h e   v o ltag e   h ar m o n ic  s p ec tr u m   s h o wn   i n   Fig u r e  8 ( d )   in d icate s   a  r ela tiv ely   lo w  T HD  o f   ap p r o x im ately   3 %  ac r o s s   all  p h ases ,   with   p h ase  b   s lig h tly   h ig h e r   at  3 . 7 5 %.  T h is   h i g h lig h ts   th e  m o r e   p r o n o u n ce d   h a r m o n ic   d is to r ti o n   in   th e  c u r r en t   co m p ar ed   with   th e  v o ltag e,   wh ich   r em a in s   r elativ ely   s tab le  an d   with in   ac ce p ta b le  lim its .     T h e  d if f er en t  lo ad   c u r r e n ts   o win g   to   im b alan ce ,   ac co r d in g   to   Fig u r e  9 ( a) ,   ar e   tr an s f o r m ed   in   th e   SR F   to   p r o d u ce   th e  cu r r e n t  d q 0 ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  9 ( b ) .   T h e  r ip p les  in   th e  i d ,  i q ,   an d   i 0   cu r r en ts   wer e  h ig h er ,   in d icatin g   a  lo ad   im b alan ce .   T h e  f ilter in g   o f   th e  d q 0   cu r r en t  to   g en er ate  th e  r ef e r en ce   cu r r en t  in   d q 0   is   d ep icted   i n   Fig u r e  9 ( c) .   T h r o u g h   C lar k e  r etr a n s f o r m atio n ,   a  r ef er e n ce   c u r r e n t  in   th e   abc   p h ase  was  o b tain ed   f o r   th e  s witch in g   p atter n ,   as sh o wn   in   Fig u r e   9 ( d ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  r ed u ctio n   in   p o w er g r id s :   i mp leme n tin g   a   fo u r - leg g ed   mu ltil ev el  in ve r ter   …   ( A s ep   A n d a n g )   931       ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  8 .   L o ad   p ar am eter s :   ( a)   lo ad   cu r r en t w av e  p er   p h ase ;   ( b )   lo a d   v o ltag e   wav e  p er   p h a s e ;     ( c)   T HD  lo ad   c u r r en t  p h ase  a,   b ,   an d   c ;   an d   ( d )   T HD  lo a d   v o ltag e  p h ase  a,   b ,   an d   c           ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  9 .   C u r r e n t w av ef o r m :   ( a)   lo ad   cu r r en t in   ab c   ( b ) ,   lo a d   cu r r en t i n   d q 0 ,   ( c )   r ef er e n ce   c u r r en t in   d q 0 ,   an d   ( d )   r ef er en ce   c u r r en t i n   ab c       T h e  in v er ter   v o ltag e  co n n ec te d   to   th e  PC C   p r o d u ce s   th e  s o u r ce   cu r r e n t,  as  s h o wn   in   Fig u r e  1 0 ( a ) .     A  s ig n if ican t  b ala n ce   o f   t h e  p h ase  cu r r e n t  ex is ts   with   m in i m al  d if f e r en ce s :  p h ase   a  =   8 . 2 5   A,   p h ase  b   =   8 . 2 7   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.