Energy efficiency of a 3-level shunt active power filter powered by a fuel-cell/battery dc bus with regulated duty cycles

Abstract

Nowadays, electrical energy is indispensable in industrial, tertiary and domestic appliances. However, its efficiency is becoming affected by the presence of the disturbances that appear in the electrical networks such as harmonics, unbalance, sags/swells, flickers …etc. Indeed, the disturbances cause a decrease in the power factor and an increase in the power losses. In this paper, the harmonic disturbance is considered and a 3-level shunt active power filter powered by a hybrid fuel-cell/battery DC is applied to mitigate current harmonic components from the electrical feeder. Aim. Studying the energy efficiency of a system based on a 3-level shunt active filter powered by a hybrid fuel-cell/battery DC bus. Methodology. It is a matter of finding the suitable formulas that express the efficiency and the relative power losses according to the load factor (which is the ratio between the shortcircuit active power and the load active power) and the load power factor. The DC bus energy is controlled using an energy management algorithm that contributes in generating the required reference input currents and output voltages of the fuel-cell and the battery. The DC/DC converters control circuits are performed in a closed loop by means of regulated duty cycles. Results. The simulation results carried-out under MATLAB/Simulink environment show better filtering quality if compared with the case of open loop control of the DC/DC converters and lesser differences between the fuel-cell power, the battery power and their respective reference powers. Which concerns the energy efficiency, the results demonstrate that higher efficiency and lower relative power losses can be achieved only when higher load factor and load power factor are attained. Therefore, the compensating system of the power factor is very important to improve the energy efficiency.У наш час електрична енергія є незамінною для промислових, проміжних і побутових приладів. Однак на її ефективність впливає наявність порушень, що виникають в електричних мережах, таких як гармоніки, дисбаланс, провисання/розбухання, мерехтіння тощо. Дійсно, порушення викликають зменшення коефіцієнта потужності та збільшення втрат потужності. У цій роботі розглянуто гармонічні порушення та застосовано 3-рівневий шунтуючий фільтр активної потужності з живленням від гібридного паливного елемента/акумулятора постійного струму для пом'якшення струмових гармонічних компонентів з електропостачанням від електричного фідера. Мета. Дослідження енергоефективності системи на основі 3-рівневого шунтуючого активного фільтра з живленням від гібридної шини постійного струму з паливним елементом/акумулятором. Методика. Потрібно знайти відповідні формули, які виражають ефективність та відносні втрати потужності у відповідності до коефіцієнта навантаження (це відношення активної потужності короткого замикання та активної потужності навантаження) та коефіцієнта потужності навантаження. Енергія шини постійного струму контролюється за допомогою алгоритму управління енергією, який сприяє формуванню необхідних опорних вхідних струмів та вихідних напруг паливного елемента й акумулятора. Схеми управління DC/DC перетворювачами виконуються у замкненому контурі за допомогою регульованих робочих циклів. Результати. Результати моделювання, проведеного у середовищі MATLAB/Simulink, показують кращу якість фільтрації у порівнянні з випадком управління з відкритим контуром DC/DC перетворювачів та менші відмінності між потужністю паливних елементів, потужністю акумулятора та їх відповідною порівняльною потужністю. Що стосується енергоефективності, результати показують, що більший ККД та менші відносні втрати потужності можна досягти лише тоді, коли досягаються більший коефіцієнт навантаження та коефіцієнт потужності навантаження. Тому компенсуюча система коефіцієнта потужності дуже важлива для підвищення енергоефективності.