Fuzzy Adaptive Fractional Order PI Controller Design for Parallel Active Power Filter

Abstract

Unwanted harmonic currents are drawn from the grid that feeds the nonlinear loads and this reduces the energy quality. Passive and active power filters in different structures are used to reduce these harmonics. In this article, Parallel Active Power Filter (PAPF) is used to reduce the current harmonics drawn from the grid by a nonlinear load. A three phase rectifier is considered as the nonlinear load in this system. The filter performance is improved and the total harmonic distortion (THD) value is reduced by keeping the voltage on the DC link capacitor at the output of the used PAGF. Fuzzy adaptive fractional order PI controller is used to keep the DC link voltage at reference value. In addition, by changing the triggering angles of the nonlinear load at different time intervals, current harmonics are generated at different values to analyze the controller performance. Using the data obtained in this way, the performance of the proposed controller was evaluated for different harmonic values at different time intervals. With the simulation studies created in Matlab/Simulink environment, it has been observed that in controlling DC link voltage, the proposed fuzzy adaptive fractional order PI controller decreases THD value more than the classical PI controller and therefore its performance is better.

Keywords

• Parallel Active Power Filter
• Instantaneous power theory
• Fractional order PI controller
• Fuzzy logic

Paralel Aktif Güç Filtresi için Bulanık Uyarlamalı Kesirli PI Denetleyici Tasarımı

Abstract

Doğrusal olmayan yükleri besleyen şebekelerden istenmeyen harmonikli akımlar çekilmektedir ve bu da enerji kalitesini düşürmektedir. Şebekeden çekilen bu harmoniklerin azaltılması için farklı yapılarda pasif ve aktif güç filtreleri kullanılmaktadır. Bu makalede, doğrusal olmayan yük tarafından şebekeden çekilen akım harmoniklerinin azaltılması için Paralel Aktif Güç Filtresi (PAGF) kullanılmıştır. Sistemde doğrusal olmayan yük olarak üç fazlı doğrultucu kullanılmıştır. Kullanılan PAGF’in çıkışındaki DC link kapasitörü üzerine düşen geriliminin istenen seviyede tutulmasıyla filtre performansı iyileştirilmiş ve toplam harmonik distorsiyonu (THD) değerinin azaltılması sağlanmıştır. DC link geriliminin referans değerinde tutulması için bulanık uyarlamalı kesirli PI denetleyici kullanılmıştır. Ayrıca, farklı zaman aralıklarında doğrusal olmayan yükün tetikleme açıları değiştirilerek, denetleyici performansının incelenmesi için akım harmoniklerinin farklı değerlerde üretilmesi gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde elde edilen veriler kullanılarak, önerilen denetleyicinin performansı farklı zaman aralıklarında farklı harmonik değerleri için incelenmiştir. Matlab/Simulink ortamında oluşturulan benzetim çalışmalarıyla, DC link geriliminin denetlenmesinde, önerilen bulanık uyarlamalı kesirli PI denetleyicinin, klasik PI denetleyiciye göre THD değerini daha çok azalttığı ve bu nedenle performansının daha iyi olduğu görülmüştür.

Keywords

• Paralel aktif güç filtresi
• Anlık güç teoremi
• Kesirli PI denetleyici
• Bulanık mantık

References

1. [1] Y. Tang, P. C. Loh, P. Wang, F. H. Choo, F. Gao, and F. Blaabjerg, “Generalized design of high performance shunt active power filter with output LCL filter,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 3, pp. 1443–1452, 2011.
2. [2] S. G., Seifossadat, R., Kianinezhad, A., Ghasemi and M., Monadi, "Quality improvement of shunt active power filter, using optimized tuned harmonic passive filters", In 2008 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, IEEE, pp. 1388-1393, 2008.
3. [3] H. Fujita and H. Akagi, “A practical approach to harmonic compensation in power systems-series connection of passive and active filters,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 27, no. 6, pp. 1020–1025, 1991.
4. [4] M. T. Benchouia, I. Ghadbane, A. Golea, K. Srairi, and M. E. H. Benbouzid, “Implementation of adaptive fuzzy logic and PI controllers to regulate the DC bus voltage of shunt active power filter,” Appl. Soft Comput., vol. 28, pp. 125–131, 2015.
5. [5] Ş. Özdemir ve Ş. Kuşdoğan, “Doğrusal olmayan yüklerde aktif güç filtresi ile harmoniklerin filtrelenmesi ve reaktif güç kompanzasyonu,” Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Derg., c. 20, s. 2,ss. 225-232, 2005.
6. [6] P. Karuppanan and K. K. Mahapatra, “PI and fuzzy logic controllers for shunt active power filter—A report,” ISA Trans., vol. 51, no. 1, pp. 163–169, 2012.
7. [7] A. Chaoui, J. P. Gaubert, F. Krim, and G. Champenois, “PI controlled three-phase shunt active power filter for power quality improvement,” Electr. Power Components Syst., vol. 35, no. 12, pp. 1331–1344, 2007.
8. [8] A. Elmitwally, S. Abdelkader, and M. El-Kateb, “Neural network controlled three-phase four-wire shunt active power filter,” IEE Proceedings-Generation, Transm. Distrib., vol. 147, no. 2, pp. 87–92, 2000.

9. [9] H. N. Kashani and S. M. R. Rafiei, “Optimal control of active power filters using fractional order controllers based on NSGA-II optimization method,” Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 63, pp. 1008–1014, 2014.
10. [10] J. Fei and D. Cao, “Adaptive fractional terminal sliding mode controller for active power filter using fuzzy-neural-network,” in 2018 10th International Conference on Knowledge and Systems Engineering (KSE), 2018, pp. 118–122.
11. [11] K. Arya and K. R. M. V. Chandrakala, “Fuzzy logic controller based instantaneous pq theory for power quality improvement,” in 2017 International Conference on Technological Advancements in Power and Energy (TAP Energy), 2017, pp. 1–4.
12. [12] R. Belaidi, A. Haddouche, and H. Guendouz, “Fuzzy logic controller based three-phase shunt active power filter for compensating harmonics and reactive power under unbalanced mains voltages,” Energy Procedia, vol. 18, pp. 560–570, 2012.
13. [13] R. Hrbac, T. Mlcak, and V. Kolar, “Improving power quality with the use of a new method of serial active power filter (SAPF) control,” Elektron. ir Elektrotechnika, vol. 23, no. 1, pp. 15–20, 2017.
14. [14] H. Akagi, “New trends in active filters for power conditioning,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 32, no. 6, pp. 1312–1322, 1996.
15. [15] M. Uçar, M. Kesler, ve E. Özdemir, “DSP kontrollü paralel aktif güç filtresi ile harmonik ve reaktif güç kompanzasyonu.” Bursa Elektr. Elektron. ve Bilgi. Mühendisliği Sempozyumu ve Fuarı, (ELECO), 2004, ss. 210-214.
16. [16] C. Gezegin ve M. Özdemir, “Paralel pasif/paralel aktif hibrit güç süzgeçleri,” Bursa Elektr. Elektron. ve Bilgi. Mühendisliği Sempozyumu ve Fuarı (ELECO), 2006.
17. [17] J. L. Afonso, C. Couto, and J. S. Martins, “Active filters with control based on the pq theory,” IEEE Ind. Electron. Soc. Newslett., vol. 5, no. 3, pp. 5–11, 2000.
18. [18] J. Zeng, C. Yu, Q. Qi, Z. Yan, , Y. Ni, B. L. Zhang, and F. F. Wu, “A novel hysteresis current control for active power filter with constant frequency,” Electr. power Syst. Res., vol. 68, no. 1, pp. 75–82, 2004.
19. [19] A. T. Dudak ve A. F. Bakan, “Güç Elektroniği Dönüştürücüleri için adaptif histerezis akım kontrol yönteminin geliştirilmesi,” EMO Bilim. Dergi, c. 8, s. 1, ss. 51–60, 2018.
20. [20] S. K. Jain, P. Agrawal, and H. O. Gupta, “Fuzzy logic controlled shunt active power filter for power quality improvement,” IEE Proceedings-Electric Power Appl., vol. 149, no. 5, pp. 317–328, 2002.
21. [21] K. Ç. Bayindir and M. Ermiş, “Understanding the modelling and analysis of a shunt active power filter using MATLAB/Simulink,” Int. J. Electr. Eng. Educ., vol. 43, no. 3, pp. 185–205, 2006.
22. [22] A. Boukadoum and T. Bahi, “Fuzzy logic controlled shunt active power filter for harmonic compensation and power quality improvement,” J. Eng. Sci. Technol. Rev., vol. 7, no. 4, pp. 143–149, 2014.
23. [23] E. Ilten and M. Demirtas, “Off-Line tuning of fractional order PIλ controller by using Response Surface Method for induction motor speed control,” J. Control Eng. Appl. Informatics, vol. 18, no. 2, pp. 20–27, 2016.
24. [24] D. Boudjehem, M. Sedraoui, and B. Boudjehem, “A fractional model for robust fractional order Smith predictor,” Nonlinear Dyn., vol. 73, no. 3, pp. 1557–1563, 2013.
25. [25] M. Demirtas, E. Ilten, and H. Calgan, “Pareto-Based multi-objective optimization for fractional order PIλ speed control of induction motor by using Elman neural network,” Arab. J. Sci. Eng., vol. 44, no. 3, pp. 2165–2175, 2019.
26. [26] Z.-Y. Zhao, M. Tomizuka, and S. Isaka, “Fuzzy gain scheduling of PID controllers,” IEEE Trans. Syst. Man. Cybern., vol. 23, no. 5, pp. 1392–1398, 1993.