TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5163 ~ 51 7 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.601 3          5163     Re cei v ed Fe brua ry 3, 201 4; Revi se d March 23, 201 4 ;  Accepte d  April 4, 2014   Design and Simulation Low Voltage Single-Phase  Transformerless Photovoltaic Inverter       Rajendra Aparnathi* 1 , Ved Vy as D w iv edi 2   C U Shah C o ll ege of T e chnol og y an d Eng i n eeri ng, C U Sh ah Un iversit y , W adhva n cit y   Su re nd ra na ga r,  Gujarat, INDIA.  *Corres p o ndi n g  author, em ail :  rajendr aa parn a thi@ gmai l.co m 1 , provcushahuniversit y @gmail.com 2       A b st r a ct     T he last Deck ard years d e ve lopi ng Invert er techno lo gy for renew ab le e n e r gy and h i g h  efficienc y   and  mor e  i m p r ove m e n t solar  and w i nd p o w er plant. T r ansformer less  inverter tech no logy is b e st an d   improves  effi ciency,  pow er  qu ality  and  reduc es  sw itchin g l o ss. Sing le- phas e  grid  con nec te d   transformerl es s ph otovo l taic  (PV) inv e rter f o r resi de nt ial  a pplic atio n is  pr esente d . T h e  i n verter  is d e riv e d   from  a b oost c a scad ed w i th  buck c onverter  alo n g  w i th  a  l i ne fre q u ency  unfol din g  circ ui tIn this rese ar c h   pap er transfor m er  less  ph otovolta ic (PV) i n verter is  go in g  to  b e  more ado pted in ord e r  to  ach i ev e hig h   ben efit.  T he s e lecte d  inv e rte r s are the f u ll- brid ge i n vert er  w i th bipo lar  modu latio n , full- brid ge i n verter  w i th   DC by pass  an d the  Hi ghly  E fficient a n d  Re liab l e  Invert er  Conc ept (HE R IC). A low  vo ltage  sin g l e -ph a s e   grid-connected PV system  is ana ly z e d to ver i fy the discussions .         Ke y w ords : P V  inverter, tra n sformerl ess, HERIC hi gh ly  efficient a nd r e lia bl e inv e rter  conce p t, AC-AC   Baypass,  DC- DC Baypass,         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The  ren e wa bl e  en ergy  so urces,   in   pa rtic ula r   th ose  of photovolta ic (PV )  o r igin,  have  experim ented  a great dev elopme n t in rece nt years  mainly due to the spe c ial   feed in  tariffs.    The  full -b rid ge   (FB)  inv e rter  top o lo gy  is   wi del y  ado pted   also   for  PV   gri d   con n e c ted    appli c ation s ,   but  the  n e ed  of  hi gh  efficien cy an d man u factu r ing cost  red u c tion h a s l e d  to     new  inn o vative topologie s   [1].      As  pointed  out,  the mai n   method  u s ed  to   in cre a se  the   efficien cy  is  to  eliminate  the tran sfo r m e r. In thi s   ca se th e a b sen c e  of  g a lvan ic  i s olatio n   lead s  to   le aka ge   curre n t    flowing   d u e   to the  ca pa ci tance  coupli n g to  earth  p r ovided  by  th e  PV   p anel s.   He nce   the     transfo rme r le ss  stru cture requires mo re  compl e x solu t i ons, typically   resulting in  newto polo - gi es   in order to  ke ep the l e a k ag e current   an d  DC   curren t  injectio n   u nder   curre n t  control  i n   o r der    to  com p ly  with  safety purp o sed. Th e aim of  thi s   pa pe r is t o  analy z e a n d  to co mpa r e  the  perfo rman ce s of  some  ne w  PV trans former less   c o nverters  [2, 3].    Ideal tran sfo r mer le ss inve rter  g ene rate s   con s tant common m o d e  voltage. Ho wever, if  the voltage varie s  with tim e , then a lea k age current  i s   pro d u c ed.  For  the  sake  of  minimizing     this  leakage   current,  different  topolo g ies  were  st udied in d e ta ils. Among th ese a r e the f u ll  bridg e   with bi polar PWM, t he half  brid ge , HERIC,  H5,  H6  and  NP C [1, 2]. Sectio ns II is menti o n   block  diagram of projec t s c heme and  explains  th is   blocks , Sec t ion III is  mention and explains  control of tra n sformer l e ss PV Inverte r  and  me tho d s. Se ction I V  is mentio n  Simulation  and  Re sults di scu ssi on. In this pape r we exp l ain the  Many transfo rmerl e ss topologi e s  are de rived  by  addin g  extra  power d e vice s into the F u ll -Bridg e (FB )  i n verter. F o r e x ample, the F B  inverter  with  DC  bypa ss  (FB-DCBP) a dds t w o p o wer d e vice s at  the DC-sid e  [2]; while th e Hig h ly Efficient  and Reli able  Inverter Co n c ept (HERIC)  provide s   a n  AC  bypa ss   leg  [3]. Co n s ide r ing  the  fast  gro w th of g r i d -conn ecte d  PV system s, it is  better f o r the n e xt generat ion tra n sformerl ess PV  inverters to equip  with L o w Voltage  cap ability  in orde r to fulfill the upco m i ng re quireme nts  efficiently and  reliably [4] .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5163 – 51 73   5164 2. Single-ph ase Tran sfo r mer Less pv   In v e rter   The   topol og y  called    “Highly   Effici ent   and  Rel i able Inve rter Co ncept” (HERIC),  comm erciali z ed by  Sun w ays,  de rives  dire ctly   fro m   the  Full -Bridge  co nve r ter, in  whi c h  a   bypass le g h a s  been  ad de d in the  AC   side   by  m e a n s   of  two   b a ck-to - ba ck  I G BTs  ope rati ng    at  g r id   fre q uen cy.  Th e   HE RIC    circuit  i s    sh own in  Figu re  1 ,  whe r e  Ci n i s  the   DC-lin k  c a pa c i tor ,  L f i   a n d   L f g  are   th e  ou tp ut  filt er  in du ctors,  re spe c ti vely on the  i n verter-si de  and   grid side, a n d  Cf  is  th e  f ilter  capa cito r.   The   bypa ss   bran ch  h a s  two imp o r tant fun c tion s:  decouplin g th e PV a r ray from Th e  grid   (usi ng  a m e t hod  call ed  “A C d e coupli n g ”), Avoidi ng t h e   pre s en ce  of high-f r eq uen cy voltage Co mpone nts  a c ro ss  it  an d  preve n tin g   the  re act i ve  power excha nge between  the filter inductors an d Ci n durin g  the  zero  voltage  state,  thus    increa sing eff i cien cy  [2].   The  conve r t e r  ope rate s  as  it  follows (see Ta ble  1):  durin g  th e     positive  hal f-cycle  S +   remai n s  con necte d, whe r eas S1 a n d  S4 commut a te at swit ching    freque ncy  in   orde r  to  gene rate  bo th  active an d ze ro vecto r s. Whe n  an  active vecto r  is   pre s ent (S 1 and S4 are ON), curre n t flows from th e PV panels  to the grid, while, whe n  a zero   vector  occu rs, S1 and S4  a r e  swit ched    OFF  a nd  th e  cu rrent  flo w s  th ro ugh   S+ an d D-, th is is  the freewheel ing situation.  On the  other  hand, when  the  negative  cy cle  is  co m i ng,  S+  goes  OFF and S-  goe s ON, wh erea s S3 an d  S2 commuta te at switchi n g freque ncy.  It means that  a n   a c t i v e  v e c t o r    i s   p r e s e n t    w h e n   S 3   a n d   S 2    a r e  O N ,  therefore   the cu rrent  f l ows  from   the    PV  panel  towards  the  load, thus  when S3 and S2   turn off, a zero voltage vector is present  in  the loa d , the n  current flo w s throug h S-   and  D+.   Wi th  rega rd   to   the   cla ssi cal   Full -Bridg e [ 5 - 6].        Figure 1. PV  HERIC Inve rter Top o logy       The m odul ation   outline d   i n   T able   1  [6 ] doe s   not p r ovide  cap abili ty of rea c tive  power  pro c e ssi ng  si nce  the   bidirection a l   swit ch   of  thi s   t opolo g y  mad e   up   of S +    and  S -   i s    n o t    controlled   to   be  turned  O N  si multane o u sly,  theref ore  cu rrent   ca n  only  flow  i n   a p r ed efin e d   dire ction, def ined by the  curre n tly turn ed O N  sw itch. Modifying  the switchi n g strategy th is  inverter can  inject  rea c tive po we r into  the  g r id [7 -9]. the PV i n verters  are  re spo n si ble  for  conve r ting DC so urce ge n e rated from PV panels  to A C  so urce efficiently and reli ably.       Table 1. Co n ductio n  States for Inverte r   S1 S2  S3  S4  S+  S-  D+  D-  Vout  On  Off   Off   On   Off   Off   Off   Off   V i n  Off  Off   Off   Off   On   Off   Off   On   0  Off  On   On   Off   Off   On   Off   Off   Vin  Off  Off   Off   Off   Off   On   On   Off   0      A widely ad o p ted si ngle - p hase PV inverter i s  the  F B  topology a s  sho w n in  F i gure  1,  whe r e it is conne cted to the grid th rou gh an L C L- fil t er in ord e r to ensure the  injected  current   quality. There are two  main modul a t ion strategi e s  available f o r this invert er: a) Uni pol a r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign a nd Sim u lation Low Voltage Sing le-Pha se  T r a n sform e rl ess… (Raj end ra  Aparn a thi)  5165 modulatio n schem e and b )  Bipolar mo d u lation sche me. When th e transfo rme r  is removed f r om  a g r id-co nne cted PV sy ste m , safety  con c erns (e.g.  le aka ge  cu rren t) will  ari s e  si nce  the l a ck  of  galvani c isol ations. Th us,  transfo rme r l e ss invert e r s shoul d elimi nate or at le ast re du ce the   leakage current, e.g. by  inclu d ing pa ssive dam pi n g  comp one nts and/ or by  modifying the   modulatio ns [ 10, 11].    In the light of this, the FB-Bipola r  is m o re  fea s ibl e  insin g le-pha se tran sform e rless PV   appli c ation s . Ho wever, in  every swit chi ng peri od,  there a r e re acti ve powe r  exchang es b e tween   the L C L-filte r  and  the  ca p a citor CPV  a nd al so  co re   losse s  in  the  output L C L - filter, leadi ng t o  a  low  effic i enc y  of up to 96.5% [1], [12-13]. In or der to furthe r i m prove the  effici ency  and  re d u ce   the lea k ag e  current, a tre m endo us  numb e r of tran sformer le ss top o l ogie s  have  b een d e velop e d ,    most  of which a r e  ba sed   on the  FB i n verter  as it  i s  sh own i n  Fi gure  2.  The  first  prio rity of  a  transfo rme r  l e ss inve rter i s  to  avoid  th e ge neration   of a va rying i n stanta neo us Co mmon - M ode  Voltage invert er [3, 10].     2 ) ( bo ao C V V V          ( 1 )     dt dv C I cmv p C                                                                                                              (2)    Beside s tho s e solutio n s t o  limit the  leakage  cu rrent by addi ng pa ssive  dampin g   comp one nts  and by  modif y ing the m o d u lation te c hni que s,  the  eli m ination ca n also be achie v ed  either  by di sconne cting  the  PV pan els from the i n ve rt er o r   by providing  a bypa ss le g at th e A C   side. Fo r in stan ce, the  FBDCBP inv e rter p a t ente d  by Ingete a m [14] sho w n in Fig u re 2   discon ne cts the PV panel s from the in verter u s i ng four extra de vices (t wo switchi ng devi c e s   SD5, SD6 an d two diod es  D7,D8); while  the HERIC  i n verter  (Figu r e 2 by  Sunwa y s [15] provid es  an AC bypa ss u s ing  two extra  swit chin g d e vice s  (SD5, S D 6). Th ere h a ve be en  other  transfo rme r s less topol o g ies repo rted  in the lit erature. Some are ba se d on the multi-level  topologi es [1 6, 18], and so me are d e rive d by optim izin g traditional transfo rme r  less inverte r s.           Figure 2. DC  Bypass FB In verter Ba se L - C-L Filter      DC B y pass:   Anothe r ‘modi fi ed’ FB topolo g y is the full-bri dge  with DC by pass a s   patented  (p e nding ) by  Ing e team [8]  an d pu blished  i n  refere nce [ 9 , 11]. Thi s  to pology i s   dep icted  in Figure 2. 11 and i s  acl a ssical H-bri dge with  two  extra switch es in the DC link and al so two   extra dio d e s   clampi ng th e  output to th e  grou nde d  mi ddle  point of t he  DC bu s. T he  DC switch es  provide the  separation of the PV  panel s from the g r id durin g the  zero voltage  states an d the   clampi ng dio des e n sure t hat the zero voltage is  gro unde d, in oppositio n to HERIC or  H5  whe r e  the zero volt age i s   fl o a tin g . Essentially  both  solutio n s  en su re ‘j u m p-fre e ’ VPE , leadin g  to  l o w   leakage cu rrent  and high   ef fi ci en cy d ue to preven tion of  rea c ti ve power ex cha nge  between  L1(2 )  a n d C PV1(2) du ring  zero voltag e. The  swit chin g  state s  for  po sitive and  ne gative gen era t ed   AC cu rre nts a r e depi cted in  Figure 3 [13,  14].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5163 – 51 73   5166 It was the first stru cture a b le to take a d vantage of the first avail able force - co mmuted   semi con d u c tor  device s . T he  H-brid ge t opolo g y is ve ry versatile, b e ing  able  to  be u s e d  fo r b o th   DC–DC an d DC–AC conv ersi on an d  can also be i m pleme n ted i n  FB form (with two swit ching  legs) o r  i n  h a lf-bri dge  form (with o ne  swit chin g leg )  [5, 11,  15].  The A C   byp a ss p r ovide s  the  same  two vit a l functio n s a s  in th e case  of HE RI C [5,  16]: Prevent s the reactive  power  exch a nge   betwe en L a n d  CPV du rin g  the zero voltage  state,  thus in crea si ng efficie n cy. I solate s the  PV  module f r om  the gri d  du rin g  the  zero vo ltage stat e, th us eli m inatin g the hig h  fre quen cy conte n t  of VPE.         Figure 3. Basic DC Bypass Base FB Inverter      Adv a ntages :   a)  Voltage a c ro ss th e filter i s  uni pola r  (0 → + VPV → 0 →− VPV → 0), yi elding l o wer  core   losses.  b)  The ratin g  of the DC byp a ss swit ch es i s  half of the DC voltage.   c)  High er efficie n cy i s   due  to  no  rea c ti ve p o we r  exch an ge b e twe en  L 1 (2 ) a n d  CPV 1 (2 )  durin g zero v o ltage an d to  a lowe r swit chin g freq ue ncy in the F B  and lo w voltage  rating ofS5 a ndS6.   d)  VPE has only  a grid f r equency componen t and no swi t ching frequency components,  yielding a very low leakage  current an d EMI.  Disadv a ntag es:   a)  Two extra  swi t che s  and two extra diode s.  b)  Four  switch e s  a r e  con d u c ting du ring th e   active vecto r , leading to  hi gher co ndu cti o n   losse s  but wit hout affecting  the overall hi gh efficien cy.  AC Bypass: In 2006, Sun w ays p a tente d  a new  top o l ogy also d e ri ved from the cla ssi cal  H-b r id ge call ed  HERI C (h ighly efficient and reli abl e i n verter  con c e p t) by adding  a bypass leg  in  the AC sid e   usin g two b a c k-to-ba ck I G BTs (i nsula t ed gate bip o lar tra n si sto r s), as  sho w n in   Figure 2 [6, 1 8 ]. The AC b y pass provid es the  sa me t w o vital func tions   as  the fifth switc h  in cas e   of the H5 top o logy: Preve n ts the  rea c ti ve  power  exchang e bet we en L1 (2 ), and  CPV du ring t he  zero volta ge  state, thu s  i n cre a si ng  efficiency. Isolate s  the  PV m o dule f r om  the  gri d  d u rin g  t h e   zero voltage  state, thus el iminating the high- frequency content  of VPE seen i n  Figure 4 T h e  main feature s  of this con v erter are: S 1–S4 and S 2–S3 are switched at hig h  freque ncy  and  S+ (S − ) at  grid freq uen cy. Two  ze ro  output  voltag e state s  a r e  possibl e:S+=on  andS − =on  (providing the  bridge i s  switche d  off) [19, 20].  Adv a ntages :  a)  Voltage  acro ss the  f ilter i s  u n ipol ar (0 → + VPV → 0 →− VPV → 0),yieldi-ng  lower core  losses.   b)  High er effici e n cy of up to  97 % is  du e to no  rea c t i ve power ex cha nge  between  L1(2 ) a nd CP V during  zero  voltage and to lowe r freq u ency switchin g in one leg.   c)  VPE has only  a grid f r equency componen t and no swi t ching frequency components,  yielding very low lea k a ge current and E M I  Disadv a ntag e:   a) Two  extra  swi t che s .  b)  We requi red  gating ci rcuit.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign a nd Sim u lation Low Voltage Sing le-Pha se  T r a n sform e rl ess… (Raj end ra  Aparn a thi)  5167     Figure 4. FB Inverter  with AC Bypass To pology       LCL  Filter:  Li ke i n  the  case of the  L C L  filter , the in crease in  the  si ze  of the  ca p a citan c e   lead s to a red u ction in the  co st and  weig ht of the filter  [17-18], [20].      Figure 5. Circuit with LCL F ilter      The L C L filte r  Figu re 5  bri ngs th e adva n tage of p r ov iding a  better decouplin g b e twee n  the filter and  grid imp eda n c e (as it redu ce s the  de pe nden ce of the  filter on the  grid p a ra met e rs)  and a lo wer  ri pple of the cu rre nt stre ss a c ro ss the  gri d  inducto r [1, 13, 21]. In order to obtain t he  transfe r fu nct i on of th e L C L filter, the  o ne p h a s e  el e c tri c al di agra m  in Fi gure  6 is con s ide r ed .  The com pon ents of  the   filter on ea ch p hase  a r e   co n s ide r ed  to  be  identi c al,  so   the ci rcuit b e l o w   is suita b le for the other two  phases [1].        Figure 6. One  Phase Ele c trical  Ci rcuit of an LCL Filter      The tran sfe r  functio n  of the filter  is expre s sed by Equa tion (3) to (7)      i i  i  c  i  g  =  0                                                                                                                              (3)    v i  v  c  =  i i(s L  i +  R  i)                                                                                                               (4)    v  c  v  g  =  i  g(sL  g +  R  g)                                                                                                    (5)    i g LCL v i H                                                                                                                                  (6)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5163 – 51 73   5168 i R g R i R g R i R c R g R c R f C i L g L s g R c R i L i R c R g L f C s f C i L g L s f C c sR H )) ( ( )) ( ) ( ( 2 3 1                (7)     2.1. Limits on the Filter P a rameters   In the techni cal literatu r e th ere  are  many   sug g e s tion s that  may  be consi dered de signi ng  an L C L filte r  [13], [15-1 6 ], but there i s  n o  d e sig n a t ed ste p -by - step strategy  on thi s  matt er.  Ho wever,  in t h is  project  th e follo wing  li mitations on   the filter  pa ra meters h a ve  been  taken i n to   acc o unt [15].  The value of the capa citan c e is limited  by t he decre ase of the po wer fa ctor th at has to   be le ss th an  5% at the rat ed po we r. Th e total val ue  of the filter in ducta nce ha s to be le ss th an   0.1 p.u. for l o w p o we r filters.  Ho weve r, for hi gh p o w er l e vels, t he main  aim  is to avoid t h e   saturation of  the  ind u cto r s. The re sona nce  freq uen cy  o f  the filter  sho u ld be  hig her  than 10  time s  the gri d  fre q u ency a nd th e n  half of the   swit chin g fre quen cy. In re spe c t to the   modulatio n of  a   transfo rme r  l e ss inverte r , it should n o t gene rate a varying CMV. With a dedi cated modul ation  scheme  for th ose  inverte r s, there i s  n o  reactive   po we r ex chan ge  b e twee n the  L C L-filte r  a nd t he  cap a cito r  CPV at ze ro-vol tage state s ,  and thu s   hi g her  efficien cy  is a c hi eved.  Ho weve r, e x tra   power lo sses, including  switchi ng losses and  con d u ction lo sses, will appear on the requi red   addition al swi t ching d e vice s in these inverters a s  sh o w n in Figu re  7.  More over, the power lo sses of an indi vidual switchi ng device are depe ndent  on its  comm utation  freq uen cy,  whi c h  differs with  invert e r  top o logie s ,  and  its ele c trical  stress.  For  example, the  extra device s , S5 and S 6  in the  FB-DCBP inve rter are co mm utated at a h i gh   swit chin g fre quen cy (e.g., 10kHz);  whil e those  in th e HE RIC inv e rter  co mmut a te at the lin e  fundame n tal  frequen cy (e.g., 50Hz).  Since the  to tal powe r   losse s  will furthe r introd uce  redi strib u tion s of both cu rrent  and thermal stre sse s  on the device s  amon g the s e inverte r s, the  efficiency and the lifetim e will be affected [15].    2.2. Calculati on of the Filter Values   The system para m eters consi dered  fo r  the  calc ulati on of the  filter  comp one n t s, for a  power level o f  100kVA, are  presented in  the table  belo w  for this  Hig h  voltage syst em [1, 7, 20].        Figure 7. AC, DC Bypass  Base L C L Filt er with FB Inverter      For the furth e r develo p m ent, the base  values  are  cal c ulate d , as the filter value s  are   repo rted a s  a  percentag e o f  these.      Table 2. Para meters of the Con s id ere d  System [1, 21]  Grid Line to Line  voltage   En=380V  O u tput Po wer of  the Inverter/ C onv erter  Sn=100KVA  DC-Link voltage   Vdc=650V  Freque nc y  of g r id Voltage  F=50Hz   Sw itching freq ue ncy  Fsw = 3K Hz- 15k Hz  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign a nd Sim u lation Low Voltage Sing le-Pha se  T r a n sform e rl ess… (Raj end ra  Aparn a thi)  5169  444 . 1 ) ( 2 n n b S E Z                                                                                                              (8)     mH Z L n b b 596 . 4                                                                                                          (9)     f Z C b n b 3621 . 2204 1                                                                                              (10)    The first ste p  is to desi gn the inverte r  si de indu ctan ce, which is de termine d  by [15]:      i sw sw i sw i L n v n i 1                                                                                                                            (11)                 kHz res f f C g L i L g L i L res 337 . 1 3 10 * 97 . 14 . .                                                                                           (12)                                                                                                    Whe r e  ɷ res , sw i s  the  switching frequ ency a nd n s w is the f r eq uen cy multipl e  of the  fundame n tal frequ en cy at the switchi ng frequ en cy are  mention ab ove Equation (8 ) to (12 ) .    2.3. Contr o l Scheme of P V  Transfo r mer In v e rter   In this Secti on, the cont rol of the invert er i s  de si gned. In the  first part, the PLL is   descri bed. T hen the  cu rrent loop i s   desi gne d, fo r the case of  PI control a nd the  ca se  of  P+Re so nant  control. The  last pa rt dea ls with  the  d e sig n  of the  dc voltag e lo op. The bl ock  diagram of the inverter  con t rol con s id ere d   in this proj e c t is presente d  in Figure 9.      Figure 9. Block  Diag ram o f  Control Sch e me       The current  is orie nted a l ong the a c tive vo ltage compon ent (V d), this is  why this   strategy  is ca lled voltag e o r iented   control. A  PLL  alg o rithm  dete c ts the  ph ase  angle  of the   grid,   the grid freq uen cy and t he gri d  voltage.  The fre q uen cy and t he voltage a r e ne eded f o r   monitori ng the grid co nditi ons an d for complying  with  the control requireme nts. The pha se a ngle   of the grid i s   required fo r re feren c e fram e tran sf orm a tions. If a PI cu rre nt co ntrol i s  imple m ente d ,  then the  cu rrents a r e t r an sform ed into  the syn c h r o nou s refere n c e frame, a n d the al gorit hm  impleme n ts a l so the  de cou p ling b e twe e n  the two  axe s . If a P+Resonant  cont roll er i s  u s ed, th en  the cu rre nts are tra n sfo r med into th e stati ona ry  refere nce frame a nd d e co upling i s  not  impleme n ted.  For the d c  v o ltage  control ,  a standa rd   PI controll er i s  u s ed al so f o r the  DC vol t age   and it outp u ts the  refe ren c e fo r the  cu rre nt co nt rol  [17]. Two typ e s of  cu rre nt cont rolle rs  a r e   impleme n ted:  a PI co ntrol i n   the synchronou s refere nce  f r ame   an d a P + Re so n ant (PR)  cont rol  in the station a ry referen c e  frame. The PI current  cont rol blo ck dia g r am is given i n  Figure.1 0  a n d   the PR cu rre nt control with harm oni c compen satio n  block dia g ra m in sho w n in  Figure 1 1  [13].    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5163 – 51 73   5170 PI Controller :   The blo c k dia g ram of the  PI regulato r  i s  de picted i n   Figure 10 a n d  the tran sfer function  is the one in (13), [1, 5, 22].          Figure 10. Block Dia g ra m of PI Regulator    s K K s G i p PI ) (                                                                                                                            (13)                                                              The d and q  control loop s  have the sam e  dynam ics, so the tuning  of  the PI parameters  for the  curren t cont rol i s   do ne o n ly for th e d  axis .F or  th e  q a x is th e p a r a me ters   a r e as su me d to   be the   same.  As it  can  be   see n  from th e current  con t rol bl ock  dia g ram  in  Figu re 10,  the volt age  feed forwa r d  and the  de co upling  betwe en the d  and  q axes  ha s  been  negle c t ed a s  they a r e  con s id ere d   as  distu r b a n c e s . Th e bl ock di ag ram  of the  P R   reg u lator with  Harm onic  Comp en satio n  is depi cted i n  Figure 11, [1, 5, 23].      Figure 11. Block Dia g ra m of PR Regul a t or      The tran sfe r  functio n  of the PR controller is:     2 2 ) ( S s K K s G i p PI                                                                                                  (14)                                              Whe r e a w  is t he anti-wind u p  function im plemente d  as:    max max max max , , y y y y y y y y a                                                                                                (15)                                                            The tran sfe r  functio n  of the Harm oni c Co mpen sato r is  [21].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign a nd Sim u lation Low Voltage Sing le-Pha se  T r a n sform e rl ess… (Raj end ra  Aparn a thi)  5171 7 , 5 , 3 , ) . ( ) ( 2 2 h h s s K s G Ih HC                                                                               (16)                                           The mo st imp o rtant ha rmo n ics  in the cu rre nt spe c tru m  are  the 3 r d ,  the 5th and the 7th.  So the harm onic  comp en sator i s  de sig ned to  com p ensate these  three  sel e ct ed harmoni cs. In   orde r to  pe rfo r m the  di scret e  an alysi s  o n   the PR cu rrent control, the initial  valu es cal c ulate d  with   the optimal m odulu s  metho d  for the PI control a r e u s ed for the PR control to be gin with. Usin g  the root locu s method, th e prop ortion a l  gain K p  is selecte d  so th at the domin ant pole s  ha ve  a   dampin g  fact or of 0.7. As i t  can be  see n  in the  Figu re 12. with a  Kp value of 0 . 78, the dam ping   of the resona nt poles  rea c hes the val u e  of 0.7.  An integral  gain Ki  of 300 ha s be en ch osen a s  a  tradeoff between a go od n o ise reje ction  and goo d dynamics [21].       3. Results a nd Analy s is  The resea r ch pap er  pre s ent s the  cl ose d  loo p  control  syste m  for a  sin g le-p ha se   trans former-less  PV s y s t em. It is  ob serve d  in  Fi gure  7 that  an  effective power cal c ul ation   method i n  term s of fa st dynami c  re spo n se  an d  accu rate  computation,  together with  an  advan ced  sy nch r oni zatio n  unit, can  co n t ribute to t he  Low Volta ge  PV Inveter pe rforma nce of  th e   entire  system . In this pap er, the Seco nd Order   Ge nerali z e d  Integrato r  ba se d Phase Lo cked  Loop h a s b e e n  sele cted a s  the synch r on ization u n it beca u se of its robu stne ss [9], [24-25].   The average  powe r   calcu l ations a r e b a se d on the  Discrete Fo urie r Tra n sfo r matio n   (DF T ). Since the DFT uses a running window to do  the calculati on, it naturall y  will introduce a  delay [22-23]. No w we de si gn proje c t scheme in  MAT L AB Simulation see Fig u re 12. FB inve rter  with  DC Byp pas and  AC  Bypass conn ected  in g r id  system  with  50h z frequ e n cy a nd  sing le   pha se A C  vol t age o u t put  Voltage a nd  curre n t wave  form me ntion  Figu re 1 3 . In  this p r oj ect  we  desi gn co ntro ller and PI+  PR cont rolle r are de si gn i n  PLL control  sch eme are mention out  pu t  gating si gnal  in Figure 14  SPWM Sign al for FB  Inverter a nd AC, DC Bypass,  in Figure 15  is  mention FB Inverter O u tp ut Voltage. Using AC  byp a ss and L C L  filter topolog y we controll ed   output curren t waveform  a nd re moved u n  ne ce ssary  harm oni c wa veform is  sa wn in Figu re 1 6  L- C-L Filte r  Out put Voltage a nd cu rrent Waveform.           Figure 12. MATLAB Simulation Proje c t Diag ram       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5163 – 51 73   5172       Figure 13. FB Inverter with  DC Bypa ss a nd AC  Bypass  Con n e cted G r id System Outp ut  Voltage and  Curre n t Wav e  Form   Figure 14. SPWM Signal fo r FB Inverter  and  AC, DC Bypas s             Figure 15. FB Inverter Outp ut Voltage  Fi gure 16. L-C-L Filte r  Out put Voltage a nd  Current Wav e form      4. Conclusio n   The  re sults show that the   HERIC inve rter  ca n  a c hi eve a  high  effici ency, b u t it  cannot  be   use d  in  the  n e xt gene ratio n  PV sy stem s  with L o w V o ltage  ca pabi lity or rea c tive po we r inj e ction.  For thi s  invert er, a p o ssible  way to ri de-t h rou gh voltag e fault is to m odify the mod u lation  sche me   durin g Lo w V o ltage FB Inverter  but at the co st  of re du cing  efficien cy. The perfo rmance of a F u ll- Bridge   invert er with DC bypass  to pol ogy  (FB - DCBP) is satisf actory  un der Lo w Volta g e  FB  Inverter  ope ration. It can  a c hieve  a  sligh t ly higher  efficien cy comp a r ed to  full-b r id ge inve rter  wi th   bipola r  mod u l ation. Ho we ver, in Lo w  Volt age op eration, a vary ing commo n  mode volta g e   appe ars in the FB-DCBP  inverter,  the test result s have verified  the effectiveness of the PQ   control meth od an d the  consta nt pea k cu rre nt stra tegy for  rea c ti ve power i n je ction. Mo reov er,  due to the hig h  swit ching freque ncy for the extra  devi c e s  of the FB-DCBP,  high curre n t stre sses  might app ear and furthe r i n trodu ce fail ure s  to t he  whol e syste m . Never the  less, fo r different   appli c ation s .       Referen ces   [1]  Raje ndr a Ap ar nathi, Ve d V y as D w iv ed i, L - C-L F ilter for  3-Ø Inverter  - Lamb e rt Academ ic Pub.   German y , ISB N -97 8 -3-6 59-2 600 1-8. 20 12    [2]  Mein hardt M,  Cramer G, Bur ger B, Z a char i a s P.  Multi-Stri ng-C onverter  w i t h   R educ ed Specific Costs   and En ha nced  F unction alit y.  Solar Energy . 200 1; 69(Su ppl . 6): 217–2 27.   [3]  Lop ez O,  T eod orescu R, F r ei j edo F ,  Dova lGand o y  J.  Leak age C u rre nt Evalu a tion  of a  Sing le-Ph a s e   T r ansformerl es s PV Inverter Con necte d to the Grid . InApplied P o w e r Elec tronics Confer ence, APEC  T w e n t y  S e con d  Annu al IEEE. 2007: 9 07– 91 2.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.