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8/7/2019 Adaptive Active Power

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A d a p t i v e A c t i v e P o w e r L i n e H a r m o n i c F i l t e r f o rI n d u s t r i a l a n d C o m m e r c i a l P o w e r D i s t r i b u t i o n S y s t e m sF r a n k C h e n , L i n Wang, W e i d o n g L i u , T o d d M a n d e r , a n d R i c h a r d C h e u n g

A b s t r a c t - - Harmonic d i s t u r b a n c e s c a u s e d b y n o n - l i n e a r l o a d ss u c h a s p o w e r s w i t c h i n g d e v i c e s o f t e n o c c u r i n t h e i n d u s t r i a l a n dc o m m e r c i a l p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m s a n d c a n damage s e n s i t i v ee q u i p m e n t c o n n e c t e d t o t h e s y s t e m s , c a u s i n g t r e m e n d o u sp r o d u c t i v i t y l o s s . T h i s p a p e r p r e s e n t s a n A d a p t i v e - H a r m o n i c -D e t e c t i o n - A l g o r i t h m (AHDA) a c t i v e f i l t e r f o r e f f e c t i v ee l i m i n a t i o n o f h a r m o n i c d i s t u r b a n c e s . T h i s f i l t e r c o n s i s t s o f as t a n d a r d power e l e c t r o n i c i n v e r t e r w i t h s t a t e - o f - t h e - a r t d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( D S P ) c o n t r o l . The AHDA f i l t e r i s e f f i c i e n t d u et o i t s a d a p t i v e h a r m o n i c d e t e c t i o n a l g o r i t h m f o r v a r i o u s p o w e r -l i n e c o n d i t i o n s . The a l g o r i t h m i s b a s e d o n a n ov el n o i s ec a n c e l l a t i o n t h e o r y t h a t w as d e s i g n e d f o r a p pl i ca t io ns o ut s i dep o w e r e l e c t r o n i c s . T h i s p a p e r p r e s e n t s a p r a c t i c a l f o r m u l a t i o n o ft h e a l g o r i t h m t o s i g n i f i c a n t l y s i m p l i f y t h e o r i g i n a l c o m p l e xf o r m u l a t i o n f o r n o i s e c a n c e l l a t i o n s . T h i s p a p e r d e t a i l s t h e DSP-b a s e d h a r d w a r e a n d s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n s o f t h e AHDAf i l t e r . T h i s f i l t e r a c h i e v e d h i g h o p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t y a n d c o s te f f e c t i v e n e s s . S i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r o v i d e d .

I n d e x T e r m s - - A c t i v e f i l t e r s , A d a p t i v e c o n t r o l , H a r m o n i ca n a l y s i s , I n v e r t e r s , P o w er c o n d i t i o n i n g .I . I N T R O D U C T I O NACTIVE p o w e r f i l t e r , i f d e s i g n e d p r o p e r l y , c a n e l i m i n a t et h a r m o n i c d i s t u r b a n c e s c a u s e d b y n o n - l i n e a r l o a d s o np o w e r l i n e s i n t h e i n d u s t r i a l a n d c om m e r c i a l p o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m s [ 1 ] - [ 3 ] . An a c t i v e f i l t e r i s b a s i c a l l y a

p o w e r e l e c t r o n i c i n v e r t e r t h a t c a n e l i m i n a t e t h e p o w e r - l i n eh a r m o n i c s b y i n j e c t i n g c o m p en s a t i n g h a r mo n i c s f o r a n e q u a l -b u t - o p p o s i t e a m o u n t o f t h e o r i g i n a l h a r m o n i c s [ 4 ] , [ 5 ] . T h ef o c u s o f t h i s p a p e r i s t o i n c r e a s e t h e h a r m o n i c e l i m i n a t i o nc a p a b i l i t y o f a c t i v e p o w e r l i n e f i l t e r s b y i m p r o v i n g t h ea c c u r a c y o f t h e i r d e t e c t i o n a b i l i t y p a r t i c u l a r l y f o r r e a li n d u s t r i a l a n d c o mm e rc i a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m s .A . C o n c e p t o f A c t i v e F i l t e r i n g

T h i s p a p e r p ro po se s a n a c t i v e f i l t e r t h a t o f f e r s e f f e c t i v ee l i m i n a t i o n o f p o w e r - l i n e h a r m o n i c d i s t u r b a n c e s c o m p a r e d t ot h e p a s s i v e h a r m o n i c f i l t e r s u s i n g i n d u c t o r s a n d c a p a c i t o r s .An a c t i v e f i l t e r i s e f f e c t i v e s i n c e t h e a c t i v e f i l t e r o p e r a t e sa d a p t i v e l y t o v a r i o u s p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m c o n d i t i o n s t oo p t i m i z e i t s f i l t e r i n g c a p a b i l i t y a t a n y i n s t a n c e , w h i l e t h ep a s s i v e f i l t e r s ' c a p a b i l i t y i s o f t e n l i m i t e d b y t h e i r f i x e d

F . C h e n a n d T . M a n d e r a r e w i t h U n i v e r s i t y o f T e e s s i d e , U . K . a n d R y e r s o nU n i v e r s i t y , C a n a d aL . W a n g , W e i d o n g L i u , a n d R . C h e u n g ( r c h e u n g e e . r y e r s o n . c a ) a r e w i t hR y e r s o n U n i v e r s i t y , C a n a d a .1 - 4 2 4 4 - 0 5 5 7 - 2 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 2 0 0 6 IEEE

f r e q u e n c y t u n i n g . An a c t i v e f i l t e r b a s i c a l l y c o n s i s t s o f a p o w e re l e c t r o n i c i n v e r t e r c i r c u i t a n d a c o n t r o l c i r c u i t . T h e c o m m o no p e r a t i o n o f t h e a c t i v e f i l t e r i s a s f o l l o w s . F i r s t t h e h a r m o n i c -d e t e c t i n g u n i t i n t h e c o n t r o l c i r c u i t s a m p l e s t h e i n s t a n t a n e o u sw a v e f o r m o f t h e p o w e r - l i n e v o l t a g e a n d c u r r e n t a n d t h e nc o m p u t e s t h e r e q u i r e d c o m p e n s a t i n g c u r r e n t . S e c o n d , b a s e do n t h e c o m p u t e d a m o u n t o f c u r r e n t , t h e c o n t r o l u n i t g e n e r a t e sg a t i n g s i g n a l s t o d r i v e t h e i n v e r t e r p o w e r c i r c u i t . T h i r d ,a c c o r d i n g t o t h e g a t i n g s i g n a l s , t h e i n v e r t e r g e n e r a t e s t h ec o m p e n s a t i n g c u r r e n t a n d i n j e c t s i t i n t o t h e p o w e r l i n e t oc a n c e l i t s h a r m o n i c d i s t o r t i o n .T h e r e f o r e t h e c o n c e p t o f a c t i v e f i l t e r i n g i s s t r a i g h t f o r w a r di n v o l v i n g t w o b a s i c s t e p s : m e a s u r i n g t h e h a r m o n i c s i n t h ep o w e r l i n e , a n d t h e n d r i v i n g t h e i n v e r t e r t o c a n c e l t h e m . I np r a c t i c e , h o w e v e r , i t i s d i f f i c u l t t o e l i m i n a t e a l l h a r m o n i c s i nt h e p o w e r l i n e c o m p l e t e l y . One m a j o r d i f f i c u l t y i s i n a c c u r a t ed e t e c t i o n o f c h a n g i n g p o w e r - l i n e h a r m o n i c s b y t h ec o n v e n t i o n a l d e t e c t i o n m e t h o d s d u e t o t h e i n t e r a c t i o n o f t h ea c t i v e f i l t e r a n d t h e p o w e r e l e c t r o n i c e q u i p m e n t t h a t g e n e r a t e st h e o r i g i n a l h a r m o n i c s [ 5 ] . T h e h a r m o n i c s d e t e c t i o n i s a v e r yi m p o r t a n t s t e p f o r t h e e l i m i n a t i o n o f h a r m o n i c d i s t u r b a n c e s i nt h e i n d u s t r i a l a n d c o m m e r c i a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m s . I fh a r m o n i c s a r e n o t d e t e c t e d a c c u r a t e l y , t h e p o w e r l i n ec o n d i t i o n c a n b e e i t h e r u n d e r - c o m p e n s a t e d o r o v e r -c o m p e n s a t e d .B . M e t h o d s o f A c t i v e F i l t e r i n g

C o n v e n t i o n a l l y , h a r m o n i c s w e r e d e t e c t e d a n d c o n t r o l l e d b yu s i n g f r e q u e n c y - d o m a i n a n d t i m e - d o m a i n c o m p e n s a t i n gm e t h o d s [ 6 ] - [ 9 ] .F r e q u e n c y - d o m a i n m e t h o d s p e r f o r m F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o no n t h e m e a s u r e m e n t s o f t h e d i s t o r t e d p o w e r l i n e c u r r e n t t oo b t a i n t h e h a r m o n i c c o n t e n t s a n d t h e n t o d e t e r m i n e t h ea m o u n t a n d w a v e f o r m o f t h e c o m p e n s a t i n g c u r r e n t . T h e s em e t h o d s u t i l i z e t h e p e r i o d i c i t y o f t h e d i s t o r t e d w a v e f o r m t op r o d u c e t h e c o m p e n s a t i n g o u t p u t . T h e y a r e n o t e f f e c t i v e f o rn o n - p e r i o d i c p o w e r - l i n e d i s t o r t i o n , b u t t h e n o n - p e r i o d i cd i s t o r t i o n s a r e o f t e n f o u n d i n t h e i n d u s t r i a l s i t e s . A n o t h e rd r a w b a c k o f t h e f r e q u e n c y - d o m a i n m e t h o d i s t h a t t h e F o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n n e e d s a l o t o f c o m p u t a t i o n s a n d t h u s i s n o tt i m e - e f f i c i e n t f o r r e a l t i m e c o n t r o l . I n g e n e r a l , f r e q u e n c y -d o m a i n m e t h o d s a r e u s e f u l w h e n t h e p o w e r l i n e h a s a f e wl o w - o r d e r h a r m o n i c s a n d t h e i r m a g n i t u d e s c h a n g e s l o w l y .H o w e v e r , i f t h e p o w e r l i n e h a s a c o n s i d e r a b l e a m o u n t o f h i g h -o r d e r , f a s t - c h a n g i n g h a r m o n i c s , t h e n t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h eh a r m o n i c s m u s t r e q u i r e m a n y s m a l l - s t e p c a l c u l a t i o n s t op r o d u c e a c c u r a t e s i g n a l s f o r d r i v i n g t h e a c t i v e f i l t e r .T i m e - d o m a i n c o m p e n s a t i n g m e t h o d s a r e b a s e d o n t h ei n s t a n t a n e o u s m e a s ur e me n t s o f t h e d i s t o r t e d p o w e r - l i n ev o l t a g e a n d c u r r e n t t o c o m p u t e t h e c o m p e n s a t i n g s i g n a l s . I np r i n c i p l e , t h o s e m e t h o d s c a n c o m p e n s a t e b o t h p e r i o d i c a n d2 8


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n on - p er iod i c p ow er - li n e d i s t o r t i o n s . T y p i c a l t i m e - d o m a i nm e t h o d s a r e : i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r m e t h o d [ 6 ] ,s y n c h r o n o u s d e t e c t i o n m e t h o d [ 7 ] , f l u x - b a s e d c o n t r o l l e r [ 8 ] ,a n d n o t c h f i l t e r m e t h o d [ 9 ] , e t c . T h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e s em e t h o d s v a r i e s d e p e n d i n g o n t h e a s s u m p t i o n s u s e d . Somem e t h o d s a s s u m e t h e t h r e e - p h a s e p o w e r s u p p l y t o b e b a l a n c e d ,t h e s u p p l y v o l t a g e t o b e n e a r s i n u s o i d a l , e t c . T h u s , t h e i ra p p l i c a t i o n s a r e l i m i t e d . T h e i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e rm e t h o d a n d t h e s y n c h r o n o u s d e t e c t i o n m e t h o d a r e p o p u l a r a n da r e u s e d f o r c o m p a r i s o n w i t h t h e m e t h o d p r o p o s e d i n t h i sp a p e r .

I I . A C T I V E F I L T E R A ND O P E R A T I O NT h e b a s i c o p e r a t i o n p r i n c i p l e o f a n a c t i v e f i l t e r c a n b ei l l u s t r a t e d u s i n g F i g . 1

F i g . 1 . A s i m p l e c i r c u i t b l o c k d i a g r a m f o r i l l u s t r a t i o n o f a c t i v e f i l t e r i n gF i g . 1 s h o w s a s i m p l e c i r c u i t b l o c k d i a g r a m f o r i l l u s t r a t i o no f a c t i v e f i l t e r i n g , w h e r e u s i s t h e u t i l i t y v o l t a g e s o u r c e , L , i st h e s o u r c e i m p e d a n c e i n c l u d i n g t h e p o w e r l i n e i m p e d a n c e , i ,i s t h e s u p p l y c u r r e n t , v , i s s u p p l y v o l t a g e , i , i s t h ec o m p e n s a t i n g c u r r e n t , i L i s t h e l o a d c u r r e n t , a n d CT i s t h ec u r r e n t t r a n s d u c e r . T h e n o n - l i n e a r l o a d g e n e r a t e s h a r m o n i c s

i n t o t h e p o w e r l i n e , a n d t h e a c t i v e f i l t e r i n j e c t s c o u n t e r -h a r m o n i c s t o c a n c e l t h e m . T h e n o n - l i n e a r l o a d g e n e r a t e s n o n -s i n u s o i d a l c u r r e n t t h a t c a n b e r e s o l v e d i n t o h a r m o n i cc o m p o n e n t s u s i n g F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n . T h e l o a d c u r r e n tc a n t h e n b e w r i t t e n a s :iL() I , s i n ( c o t + +E I , s i n ( n c o t+()n =2

= i l ( t ) + i h ( t ) ( 1T h e f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t i l c a n b e f u r t h e r d e c o m p o s e di n t o t w o p a r t s :

i l ( t ) = i a ( t ) + i q ( ) ( 2 )w h e r e i a i s t h e a c t i v e c u r r e n t c o m p o n e n t t h a t h a s t h e s a m ef r e q u e n c y ( 6 0 H z ) a n d i s i n p h a s e w i t h t h e s o u r c e v o l t a g e u 5 ,a n d i q i s t h e r e a c t i v e c u r r e n t c o m p o n e n t t h a t i s 9 0 d e g r e e s o u t -o f - p h a s e w i t h i , . E q u a t i o n ( 1 ) c a n b e r e w r i t t e n a s :

i L ( t ) = ' I ( t ) + i h ( t ) = a ( t ) + i , ( t ) + i h ( t ) ( 3 )= i a t + i c o m (

w h e r e i c o m p i s t h e c u r r e n t c o m p o n e n t n e e d e d t o b ec o m p e n s a t e d b y t h e a c t i v e f i l t e r . One c o n t r o l o b j e c t i v e i s t oo b t a i n t h e h a r m o n i c c u r r e n t t h a t i s t h e n u s e d a s a c ur r e n tr e f e r e n c e f o r t h e a c t i v e f i l t e r s w i t c h i n g c o n t r o l . T h i s c a n b ed o n e b y e x t r a c t i n g t h e f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t f r o m t h e

m e a s u r e d l o a d c u r r e n t . T h e r e f e r e n c e c a n t h e n b e o b t a i n e ds i m p l y b y s u b t r a c t i n g t h e m e a s u r e d l o a d c u r r e n t f r o m t h ed e r i v e d f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t . An a c t i v e f i l t e r s i m p l y u s e s ap o w e r e l e c t r o n i c i n v e r t e r t o i n j e c t e q u a l - b u t - o p p o s i t e a m o u n to f h a r m o n i c s , a c c o r d i n g t o t h e r e f e r e n c e , i n t o t h e p o w e r l i n et o c a n c e l t h e o r i g i n a l o n e s .T h i s p a p e r p r e s e n t s a n A d a p t i v e - H a r m o n i c - D e t e c t i o n -A l g o r i t h m (AHDA) a c t i v e f i l t e r f o r e f f e c t i v e e l i m i n a t i o n o fh a r m o n i c d i s t u r b a n c e s i n p o w e r l i n e s o f i n d u s t r i a l a n dc o m m e r c i a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m s . F i g . 2 s h o w s t h e b a s i c c i r c u i to f t h e AHDA f i l t e r t h a t c o n s i s t s o f a s t a n d a r d i n d u s t r i a l -p r o v e n p o w e r e l e c t r o n i c i n v e r t e r w i t h a s t a t e - o f - t h e - a r t d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( D S P ) c o n t r o l .

I I D C da p o C a p a c i t o rS m a l l - I -HF F i l t e rI :I : 4> S t a n d a r d I n v e r t e rw i t h IGBT s w i t c h e sDS PI_ c o n t r o l___ > c i r c u i t

F i g . 2 . B a s i c AHDA f i l t e r i n v e r t e r c i r c u i t a n d t y p i c a l c o n n e c t i o n .A s s h o w n i n F i g . 2 , t h e i n v e r t e r u s e d i n t h e AHDA f i l t e r i s

a s i n g l e - s t a g e t h r e e - p h a s e b r i d g e - c o n n e c t e d c o n v e r t e r c i r c u i tt h a t s i m p l y c o n s i s t s o f t w o p o w e r e l e c t r o n i c s w i t c h e s p e rp h a s e . T o d a y t h e c o m m o n l y u s e d s w i t c h e s i n p o w e r e l e c t r o n i cc i r c u i t s a r e t h e i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r s ( I G B T ) . T h i sc o n v e r t e r h a s s i x IGBT s w i t c h e s f o r a t h r e e - p h a s e c i r c u i to p e r a t i o n . T h e c o n v e r t e r d c t e r m i n a l i s c o n n e c t e d t o a d cc a p a c i t o r ( C d c ) . A s m a l l t h r e e - p h a s e i n d u c t o r - c a p a c i t o r ( L C )c i r c u i t i s c on n e c t ed o n t h e c on v e rt er a c t e r m i n a l . T h i s L Cc i r c u i t s e r v e s t w o f u n c t i o n s : o n e a b s o r b s h i g h f re qu e nc ys w i t c h i n g f r o m t h e c o n v e r t e r ; t h e o t h e r i n t e r f a c e s t h ec o n v e r t e r w i t h t h e a c s u p p l y s y s t e m .

I I I . A D A P T I V E HARMONICS D E T E C T I O NT h e a c t i v e f i l t e r p r o p o s e d i n t h i s p a p e r i s e f f i c i e n t d u e t o t h eA d a p t i v e H a r m o n i c D e t e c t i o n A l g o r i t h m (AHDA) t h a t i sc a p a b l e o f a c c u r a t e l y c o m p u t i n g t h e p o w e r - l i n e h a r m o n i c s f o rv a r y i n g d i s t r i b u t i o n s y s t e m c o n d i t i o n s . T h e f o l l o w i n gd e s c r i b e s t h e a l g o r i t h m .A . A d a p t i v e N oi s e - Ca n c e li n g T h e or y

T h e AHDA m e t h o d d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r i s b a s e d o n t h et h e o r y o f a d a p t i v e n o i s e c a n c e l l a t i o n . T h e t h e o r y w a sp r o p o s e d o r i g i n a l l y f o r s i g n a l p r o c e s s i n g o p e r a t i o n t o c a n c e lt h e n o i s e i n s i d e a s i g n a l o r t o s e p a r a t e t h e d e s i r e d s i g n a l f r o mt h e n o i s e . T h e t h e o r y c a n b e i l l u s t r a t e d u s i n g F i g . 3 .

2 9


3/5

P r i m a r y I n p u tS y s t e mO u t p u t

R e f e r e n c e I n p u t R e f e r e n c e I n p u t

F i g . 3 . B l o c k d i a g r a m f o r a d a p t i v e n o i s e c a n c e l l a t i o nI n F i g . 3 , t h e p r i m a r y i n p u t i s s + n O t h a t c o n t a i n s t h e s i g n a l sa n d t h e n o i s e n O . T h e y ar e u n c o r r e l a t e d . n 1 i s a r e f e r e n c e i n p u tw h i c h i s a n o i s e s ou r c e a n d i s somehow c o r r e l a t e d w i t h n o , b u ti s u n c o r r e l a t e d w i t h s . n 1 i s p r o c e s s e d b y t h e a d a p t i v e f i l t e r .T h e s y s t e m o u t p u t i s u s e d as a n error s i g n a l as w e l l t o a d j u s tt h e p a r a m e t e r s o f t h e a d a p t i v e f i l t e r s u c h t h a t i t s o u t p u t y i st h e b e s t e s t i m a t e o f t h e n o i s e n O . T h e r e f o r e t h e n o i s e c a n b ec a n c e l l e d f r o m t h e s i g n a l . T h e s y s t e m o u t p u t or t h e errors i g n a l i s t h e s u b t r a c t i o n o f y f r o m t h e s i g n a l , i . e .

= s + n0 o - y (4 )S q u a r i n g ( 4 ) , o n e o b t a i n s :2 =S +( n y)2 + 2 s ( n 0 y) ( 5 )T a k e e x p e c t a t i o n s o f b o t h s i d e s o f ( 5 ) , a n d r e a l i z e t h a t s i su n c o r r e l a t e d w i t h n O a n d y . T h i s y i e l d s

E[82] E[s2] + E[(n- y)2] + 2E[s(n0 -y ) ]E[s2] + E[(n- y)2 ]

A c c o r d i n g l y , t h e minimum o u t p u t power i sE i n [ 2 ] = E[S2] + E m i n [(H-Y ) 2 ] ( 7 )W h e n t h e f i l t e r i s a d j u s t e d s u c h t h a t E f t 2 ] i s m i n i m i z e d ,E [ ( n o - y ) 2 ] i s a l s o m i n i m i z e d . T h e f i l t e r o u t p u t y i s t h e n t h eb e s t l e a s t - s q u a r e s e s t i m a t e o f t h e p r i m a r y n o i s e n O . L e a s t -

M e a n - S q u a r e s ( L M S ) a l g o r i t h m c a n b e u s e d i n t h e a d a p t i v ef i l t e r f o r n o i s e c a n c e l i n g . T h e o u t p u t y ( n ) o f t h e a d a p t i v e f i l t e ri s g i v e n as t h e sum o f p a s t a n d p r e s e n t v a l u e s o f i n p u t s i g n a lx( n ) :

LYk W kX k I /1 = 0 ( 8 )w h e r e Wk i s t h e w e i g h t t h a t are a d j u s t e d c o n s t a n t l y a c c o r d i n g

t o t h e error s i g n a l . As t h e L M S a l g o r i t h m , Wk i s u p d a t e d e a c hc y c l e b y t h e f o l l o w i n g f o r m u l a :W I ( k + l ) W l k + 2 , t W k X k _ l / = 0,1... L ( 9 )

I n ( 9 ) , , u i s a c o n s t a n t t h a t r e g u l a t e s t h e s p e e d a n d s t a b i l i t y o ft h e a d a p t i n g process.B . A p p l i c a t i o n o f A d a p t i v e N o i s e C a n c e l l a t i o n A l g o r i t h m F o rHarmonic D e t e c t i o n

T h e p r i n c i p l e o f t h e a d a p t i v e n o i s e c a n c e l i n g i s a p p l i e d t ot h e a d a p t i v e h a r m o n i c d e t e c t i o n i n t h e AHDA f i l t e r c o n t r o lp r o p o s e d i n t h i s p a p e r . T h e m a j o r t a s k i s t o e x t r a c t t h ef u n d a m e n t a l c o m p o n e n t f r o m h a r m o n i c - p o l l u t e d p o w e r l i n ec u r r e n t . As i n d i c a t e d i n ( 3 ) , t h e l o a d c u r r e n t c a n b e e x p r e s s e das t h e sum o f i a a n d i c o m p . I f t h e s ou r c e v o l t a g e , u ( t ) = V s i n c w t ,i s u s e d a s t h e r e f e r e n c e i n p u t i n F i g . 3 , t h e a d a p t i v e h a r m o n i cd e t e c t i o n c a n b e i l l u s t r a t e d i n F i g . 4 .

F i g . 4 . A p p l i c a t i o n o f a d a p t i v e n o i s e c a n c e l l a t i o n f o r h a r m o n i c d e t e c t i o nI n t h i s c a s e , t h e f u n d a m e n t a l component o f l o a d c u r r e n t i st r e a t e d as t h e n o i s e . T h e o u t p u t o f t h e a d a p t i v e c o m p e n s a t o rs h o u l d b e t h e b e s t l e a s t - s q u a r e e s t i m a t e o f t h e f u n d a m e n t a lcomponent p r o v i d e d t h a t i a i s u n c o r r e l a t e d w i t h i c o m p a n d u i su n c o r r e l a t e d w i t h i c o m p . T h e u n c o r r e l a t e d r e l a t i o n s h i p b e t w e e n

i a a n d G c o m p c a n b e p r o v e n b a s e d o n t h e f a c t t h a t i a i so r t h o g o n a l t o i c o m p . T h e p r o o f s are o m i t t e d f r o m t h i s p a p e r .S i m i l a r l y , t h e u n c o r r e l a t e d r e l a t i o n s h i p b e t w e e n u a n d i c o m p i sa l s o t r u e b e c a u s e u i s o r t h o g o n a l t o i c o m p as w e l l . T h e r e f o r e ,t h e a d a p t i v e n o i s e - c a n c e l i n g t h e o r y c a n b e f u l l y u s e d f o ra c t i v e f i l t e r t o d e t e c t power l i n e h a r m o n i c s .I V . I M P L E M E N T A T I O N O F AHDA F I L T E R

An a c t i v e f i l t e r was b u i l t t o v e r i f y t h e a d a p t i v e h a r m o n i cd e t e c t i o n a l g o r i t h m (AHDA) p r o p o s e d i n t h i s p a p e r . T h eAHDA f i l t e r c o n s i s t e d o f two m a i n p a r t s : o n e was t h e c o n t r o lc i r c u i t m a i n l y c o n s i s t i n g o f a DS P ( T I T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 ) , a n dt h e o t h e r was t h e power c i r c u i t m a i n l y c o n s i s t i n g o f a powere l e c t r o n i c c o n v e r t e r m o d u l e ( S e m i k r o n 3 4 2 G D 1 2 0 - 3 1 6 ) . Ani n t e r f a c e c i r c u i t was b u i l t t o m a t c h t h e l e v e l o f s i g n a l sb e t w e e n t h e DS P o u t p u t a n d t h e i n v e r t e r i n p u t . F o r t h ec o n v e n i e n c e o f p e r f o r m i n g t h e e x p e r i m e n t s i n t h e u n i v e r s i t yl a b o r a t o r y , t h e AHDA f i l t e r was i s o l a t e d f r o m t h e u t i l i t ypower s y s t e m u s i n g a t r a n s f o r m e r . T h e o u t p u t o f t h e i s o l a t i o nt r a n s f o r m e r was 1 1 O V a n d t h e a c t i v e f i l t e r was r a t e d t o O A .F i g . 5 s h o w s t h e b l o c k d i a g r a m f o r t h e AHDA f i l t e ri m p l e m e n t a t i o n .

U t i l i t yS u p p l yN o n - l i n e a rL o a d

I n v e r t e rS e m i k r o n3 4 2 G D 1 2 0 - 3 1 6

I n t e r f a c e c i r c u i t

\ DS P C o n t r o l l e rTMS320LF2407F i g . 5 . B l o c k d i a g r a m f o r AHDA f i l t e r i m p l e m e n t a t i o n

T h e DS P o p e r a t e d a t 3 0 MHz, a n d i t g e n e r a t e d p u l s e - w i d t h -m o d u l a t i o n ( P W M ) s w i t c h i n g s i g n a l s f o r t h e a c t i v e f i l t e ri n v e r t e r u s i n g t h e h y s t e r e s i s c o m p a r i s o n a n d i n t e r r u p t s a t1 5 k H z . F i g . 6 s h o w s t h e s t r u c t u r e o f t h e s o f t w a r e .

3 0

H a r m o n i c sP r i m a r y I n p u t

s e n s o r s


4/5

s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d , a n d t h e T H D o f t h e c o m p e n s a t e d l i n ec u r r e n t w a s o n l y a p p r o x i m a t e l y 5 0 0 .

U p d a t i n gW e i g h t sF i g . 6 . B l o c k D i a g r a m f o r DS P s o f t w a r e c o n t r o l

T h e DS P s o f t w a r e i m p l e m e n t e d t h e AHDA f o r d e t e c t i o n o fp o w e r - l i n e h a r m o n i c s . F i r s t , t h e s o f t w a r e c o l l e c t e d t h e n o n -l i n e a r l o a d c u r r e n t f r o m t h e s e n s o r s t h r o u g h t h e a n a l o g - t o -d i g i t a l c o n v e r t e r ( A D C ) . S e c o n d , t h e s o f t w a r e c a l c u l a t e d t h ef u n d a m e n t a l c o m p o n e n t o f t h e n o n - l i n e a r l o a d c u r r e n t u s i n gt h e AHDA m e t h o d w i t h c o n t i n u o u s u p d a t i n g t h e w e i g h t s t h a ta d a p t e d t o t h e p o w e r l i n e c o n d i t i o n s . T h i r d , t h e s o f t w a r ec a l c u l a t e d t h e h a r m o n i c s o n t h e p o w e r l i n e a n d g e n e r a t e d t h ePWM s i g n a l s f o r s w i t c h i n g t h e a c t i v e f i l t e r i n v e r t e r .V . SIMULATION AND EXPERIMENTAL VALIDATION

T h i s s e c t i o n p r o v i d e s s i m u l a t i o n s u s i n g MATLAB S i m u l i n kt o d e m o n s t r a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e AHDA f i l t e r p r o p o s e di n t h i s p a p e r . T h i s s e c t i o n a l s o p r o v i d e s t h e e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n o f t h e s i m u l a t e d f i l t e r p e r f o r m a n c e . T h e p o w e r l i n ev o l t a g e o r c u r r e n t i n t h e i n d u s t r i a l a n d c om m e r c i a ld i s t r i b u t i o n s y s t e m s a r e o f t e n d i s t o r t e d b y t h e r e c t i f i e r l o a d ss u c h a s d c p o w e r s u p p l y f o r i n d u s t r i a l e q u i p m e n t o r i n p u tc i r c u i t f o r c o m p u t e r s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y .A . R e c t i f i e r w i t h R L C l o a d w i t h h i g h h a r m o n i c o n p o w e r l i n e

I n o r d e r t o i l l u s t r a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e AHDA f i l t e r , ad i o d e r e c t i f i e r c a r r y i n g a R L C l o a d ( 3 0 Q , 2 . 5 m H , 7 5 0 [ t F )w a s u s e d a s a s o u r c e t h a t i n j e c t e d h a r m o n i c s i n t o a t h r e e -p h a s e p o w e r l i n e . F i g . 7 s h o w s t h e c o n n e c t i o n s o f t h e AHDAf i l t e r a n d t h e r e c t i f i e r l o a d .

Supp ly s y s t e m

s t o r a g e VSI

DS P control1ler t

F i g . 7 . C on n e c t i on s o f t h e AHDA f i l t e r a n d t h e r e c t i f i e r l o a dF i g . 8 s h o w s t h e s i m u l a t i o n f o r t h e c i r c u i t o f F i g . 7 . As

s h o w n i n F i g . 8 ( a ) , t h e d i o d e r e c t i f i e r c a r r y i n g a R L C l o a dt h a t c a n r e p r e s e n t t y p i c a l s e r i o u s n o n - l i n e a r l o a d s i n j e c t e dc o n s i d e r a b l e a m o u n t o f h a r m o n i c s i n t o p o w e r l i n e i n t h ei n d u s t r i a l a n d c om m e rc i a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m s . T h e t o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o n ( T H D ) o f t h e c u r r e n t g e n e r a t e d b y t h i sl o a d w a s h i g h w i t h a p p r o x i m a t e l y 4 1 0 % .F i g . 8 ( b ) s h o w s t h e h a r m o n i c c o n t e n t o f t h i s l o a d c u r r e n tt h a t w a s s i m u l a t e d u s i n g t h e AHDA m e t h o d p r o p o s e d i n t h i sp a p e r . F i g . 8 ( c ) s h o w s t h e p o w e r - l i n e c u r r e n t t o t h i s l o a d a f t e rt h e AHDA a c t i v e f i l t e r h a d c o m p e n s a t e d t h e d i s t o r t e d l o a dc u r r e n t . T h e h a r m o n i c c o n t e n t o f t h e p o w e r - l i n e c u r r e n t w a s

1 0

1 0

0

- 1 0

( A ) 2 01 0

- 1 0

0 . 1 0 . 1 3( a ) S i m u l a t e d l o a d c u r r e n t

0 .1 6 ( s )

0 . 1 0 . 1 3 0 . 1 6 ( s( b ) D e t e c t e d h a r m o n i c c u r r e n t

0 . 1 0 . 1 3 0 . 1 6 ( s )( c ) S i m u l a t e d c u r r e n t a f t e r c o m p e n s a t i o nF i g . 8 . S i m u l a t i o n r e s u l t s o f r e c t i f i e r R L C l o a d ( 3 0 Q , 2 . 5 m H , 7 5 0 & F )

F i g . 9 s h o w s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r t h e s a m e n o n -l i n e a r c o n d i t i o n a s u s e d f o r F i g . 8 s i m u l a t i o n .

( c ) C u r r e n t a f t e r c o m p e n s a t i o n , I O A / d i v , 0 . 0 i s d i vF i g . 9 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f R L C l o a d ( 3 0 Q , 2 . 5 m H , 7 5 0 F )B . U n b a l a n c e d n o n - l i n e a r l o a d a s a c o m b i n a t i o n o f r e c t i f i e ra n d s i n g l e - p h a s e l o a d s

I n o r d e r t o i l l u s t r a t e t h e r o b u s t n e s s a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h eAHDA f i l t e r o p e r a t i n g u n d e r n o n - i d e a l c o n d i t i o n s , a n3 1

t A ) u

k . R I U

-u

~I

- 2

-----------


5/5

u n b a l a n c e d n o n - l i n e a r l o a d w a s d e s i g n e d a s a c o m b i n a t i o n o fa d i o d e r e c t i f i e r a n d u n e q u a l s i n g l e - p h a s e l o a d s , a s s h o w n i nF i g . 1 0 .

F i g . 1 0 . C o n ne c t i o ns o f t h e AHDA f i l t e r a n d t h e r e c t i f i e r l o a dT h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e g i v e n i n F i g . 1 1 I a n d F i g . 1 2 .

O ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ .2-- - - - r- - - - - - - I- a - - - - -- - - - - - i-l- -- - - - - --l-------

'S 0 I ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

2 0

. 2 D T

F i g . 1 1 . S i m u l a t i o n o f p o w e r - l i n e c u r r e n t f o r u n b a l a n c e d n o n - l i n e a r l o a d

1 9

0 , 2 ( s )

V I . C O N C L U S I O N ST h i s p a p e r h a s p r e s e n t e d t h e AHDA a c t i v e f i l t e r f o r e f f e c t i v ee l i m i n a t i o n o f h a r m o n i c d i s t u r b a n c e s . T h i s f i l t e r c o n s i s t s o f as t a n d a r d p o w e r e l e c t r o n i c i n v e r t e r w i t h a s t a t e - o f - t h e - a r td i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( D S P ) c o n t r o l . T h e AHDA f i l t e r i se f f i c i e n t d u e t o i t s a d a p t i v e h a r m o n i c d e t e c t i o n a l g o r i t h m f o rv a r i o u s p o w e r - l i n e c o n d i t i o n s . T h e a l g o r i t h m i s b a s e d o n an o v e l n o i s e c a n c e l l a t i o n t h e o r y t h a t w a s d e s i g n e d f o ra p p l i c a t i o n s o u t s i d e o f p o w e r e l e c t r o n i c s . T h i s p a p e r h a sp r e s e n t e d a p r a c t i c a l f o r m u l a t i o n o f t h e a l g o r i t h m t os i g n i f i c a n t l y s i m p l i f y t h e o r i g i n a l c o m p l e x f o r m u l a t i o n f o rn o i s e c a n c e l l a t i o n s . T h i s p a p e r h a s p re s en t ed t h e D S P - b a s e dh a r d wa re a n d s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n s o f t h e AHDA f i l t e r .T h i s f i l t e r h as a c h i e v e d h i g h o p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t y a n d c o s te f f e c t i v e n e s s . S i m u l a t i o n s o f t h e AHDA f i l t e r p e r f o r m a n c eu n d e r a t y p i c a l b u t s e r i o u s n o n - l i n e a r l o a d i n g c o n d i t i o n , a n de x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n h a v e b e e n p r o v i d e d .

V I I . R E F E R E N C E S[ 1 ] A k a g i H i ro f um i, " A c t iv e H a r m o n i c F i l t e r s , " P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E ,V o l . 9 3 , N o . 1 2 , p p . 2 1 2 8 - 2 1 4 1 , D e c . 2 00 5 .[ 2 ] L u o w e i Z h o u , Z i c h e n g L i , "A N o v e l A c t i v e F i l t e r B a s e d o n t h e L e a s t

c o m p e n s a t i o n C u r r e n t c o n t r o l M e t h o d , " IEEE T r a n s . P o w e r e l e c t r o n i c s ,V o l . 1 5 , N o . 4 , p p . 6 5 5 - 6 5 9 , J u l y 2 0 0 0 .[ 3 ] Bhim S i n g h , K a m a l A l - H a d d a d , "A R e v i e w o f A c t i v e F i l t e r s f o r P o w e rQ u a l i t y I m p r o v e m e n t , " IEEE T r a n s . I n d u s t r i a l E l c t r o n i n s , V o l . 4 6 , N o . 5p p . 9 6 0 - 9 7 1 , O c t . 1 9 9 9 .[ 4 ] R i c h a r d C h e u n g , " A c t i v e F i l t e r i n g T e c h n o l o g y , " C a n a d i a n E l e c t r i c i t yA s s o c i a t i o n , S D - 3 1 1 A , 1 9 9 3 .[ 5 ] W e i d o n g L i u , " A d a p t i v e P o w e r - L i n e H a r m o n i c s D e t e c t i o n f o r A c t i v eF i l t e r A p p l i c a t i o n s , " M . A . S c . T h e s i s , R y e r s o n U n i v e r s i t y , 2 0 0 4 .[ 6 ] A k a g i H i r o f u m i , Y o s h i h i r a K a n a z a w a , A k i r a N a b a e , " I n s t a n t a n e o u sR e a c t i v e P o w e r C o m p e n s a t o r s C o m p r i s i n g S w i t c h i n g D e v i c e w i t h o u tE n e r g y S t o r a g e C o m p o n e n t s , " IEEE T r a n s . I n d u s t r y a p p l i c a t i o n s , V o l .I A - 2 0 , N o . 3 , p p . 6 2 5 - 6 3 1 , M a y / J u n e 1 9 8 4 .[ 7 ] C . L . C h e n , C . R . L i n , C . L . H u a n g , " R e a c t i v e a n d H a r m o n i c C u r r e n tC o m p e n s a t i o n f o r U n b a l a n c e d T h r e e - p h a s e S y s t e m U s i n g t h eS y n c h r o n o u s D e t e c t i o n M e t h o d , "[ 8 ] S . B h a t t a c h a r y a , A . V e l t m a n , D . M . D i v a n , R . D . L o r e n , " F l u x - b a s e dA c t i v e F i l t e r C o n t r o l l e r , " IEEE T r a n s . I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , V o l . 3 2 ,N o . 3 , p p . 4 9 1 - 5 0 2 , M a y / J u n e 1 9 9 6 .[ 9 ] M . R a s t o g i , N . M o h a n , A . A . E d r i s , " F i l t e r i n g o f H a r m o n i c C u r r e n t s ,D a m p i n g o f R e s o n a n c e s i n P o w e r S y s t e m w i t h a H y b r i d - a c t i v e F i l t e r , "i n P r o c . 1 9 9 5 IEEE A P E C , p p . 6 0 7 - 6 1 2 .

V I I I . B I O G R A P H I E SFr a n k Chen r e c e i v e d h i s B . E n g . f r o m R y e r s o n U n i v e r s i t y . C u r r e n t l y h e i sP h . D . c a n d i d a t e a t t h e U n i v e r s i t y o f T e e s s i d e , U . K . i n c o l l a b o r a t i o n w i t hR y e r s o n U n i v e r s i t y , a n d h e i s w o r k i n g a s i n d u c t i o n m o t o r d r i v e d e s i g n e r .L i n W a n g r e c e i v e d h e r B . E n g . , M . E n g . , a n d P h . D . d e g r e e s f r o m H u a z h o n gU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , a n d w a s a n A s s o c i a t e P r o f e s s o r a t t h es a m e u n i v e r s i t y . S h e i s c u r r e n t l y c o n d u c t i n g r e s e a r c h a t R y e r s o n U n i v e r s i t y .W e i d o n g L i u r e c e i v e d h i s B . S c . a n d M . E n g . f r o m N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ,a n d M . A . S c . f r o m R y e r s o n U n v e r s i t y . C u r r e n t l y h e i s a n E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n a n o i l p r o d u c i n g c o m p a n y .T od d M a nd er r e c e i v e d h i s B . E n g . d e g r e e f r o m R y e r s o n U n i v e r s i t y . H e i sc u r r e n t l y w o r k i n g o n h i s d o c t o r a t e d e g r e e i n p o w e r s y s t e m c o m p u t e r n e t w o r k sa t t h e U n i v e r s i t y o f T e e s s i d e t h r o u g h R y e r s o n U n i v e r s i t y .R i c h a r d C h e u n g r e c e i v e d h i s B . A . S c . , M . A . S c . , a n d P h . D . d e g r e e s f r o m t h eU n i v e r s i t y o f T o r o n t o . H e w a s a R e s e a r c h E n g i n e e r i n O n t a r i o H y d r o .C u r r e n t l y h e i s a P r o f e s s o r a t R y e r s o n U n i v e r s i t y , a n d h e i s a n a c t i v e P o w e rE n g i n e e r i n g c o n s u l t a n t a n d i s t h e P r e s i d e n t o f R C P o w e r C o n v e r s i o n s I n c .

F i g . 1 2 . S i m u l a t i o n o f c o m p e n s a t e d p o w e r - l i n e c u r r e n t f o r n o n - l i n e a r l o a d

3 2

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- - - - f f i - - - r -l - - - -; l - - - , ; - - - l - ; A - - - - - - P ; -; a . . V - - - V - - d - l - \ J - - - t i / : - - ' \ ;.... .... .,,, ,, , ,,,, ,, , ,,,, ,,,, , 1 , , , , 1, .. .

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