Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 3,  March 20 16, pp. 523 ~ 5 3 3   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i3.pp52 3-5 3 3        523     Re cei v ed  No vem ber 4, 20 15; Re vised  Febr uary 3, 2 016; Accepte d  February 1 5 , 2016   Optimal Operation of Low Cos t  Topology for Improving  the Power Quality in the Wind Power Conversion  System      E. Vani* 1  and N. Renga raj a n 2   1 Departme n t of EEE, KSR Colleg e  of E ngi ne erin g, T i ruchengod e, T a milnadu   2 Departme n t of EEE, Nandh a Engi neer in g C o lle ge, Ero de, T a milnadu   e-mail: va nia l a gesa n 1 35@ gm ail.com *1 , reng araj an2 41 2@g m ail.com 2       A b st r a ct   In this paper, Vien na rectifier  and Z  Source Invert er (Z SI) based W i n d  Po w e r Conversio n  Syste m   (WPCS) has been pr op osed  w i th less nu mb er of sw itches to provi de hi gh  qua lity pow er to off grid system.   T he three p h a s e full bri d g e  converter h a s  six sw itches for the conver sion of AC-D C and a l so n e e d   separ ate DC- D C  bo ost conv e r ter to boost th e DC v o lt ag e.  In the pro pos e d  W P CS, thre e Phas e Vi enn a  rectifier has  on ly three sw itches fo r the conv ersio n  of AC-D C and  also  it b oosts the DC v o ltag e. T he Z S I   jointly w i th Vi e nna rectifi e r pr ovid es hi gher,  booste d  AC voltag e an d hi g h  qua lity pow e r  to the off grid   system. The Z S I utili z e s th e  shoot-thr o u g h  states to boo st the DC li nk  voltag e an d  also, re duces  the  Electro m a gneti c  Interferenc e ( E MI) nois e . T h e co mbin atio n  of Vie nna  rectif ier a n d  Z  sourc e  inv e rter s how s   the goo d perf o rma n ce w h ich  improves th e e fficiency  an d reduc es T o tal  Har m on ic Dist o rtion (T HD). T h e   perfor m ance of the proposed system   is s i mulat ed us ing MATLAB/Simulink s o ftware. Simulation  and  exper imenta l  r e sults ex pose t hat, this  confi g uratio n is b ene ficial w i th resp ect to pow er q uality i m prov e m e n t   w i th less nu mb er of sw itches compar ed to a  conve n tio nal c onverter.      Ke y w ords : Vi enn a Rectifier,  Z  Source Inverter, W i nd Po wer Conv ersio n  System (W PC S), Pow e r Quality   and T o tal H a r m o n ic Dist o rtio n (T HD)       1.  Introducti on  The p o we r d e mand  ha s b een imp r ove d  app re ciably i n  the worl d which i s  m ode rated by  the vario u s  Ren e wable  Energy So urce s (RES)   such  as win d , photovoltai c , and  hydro p o we r  plants. Be ca use  they a r e  pollutio n  fre e  an d in exh austibl e. The  WP CS is o ne of th e m o st   effective po wer ge ne ration  system s that  offer a  fea s i b le solution t o  dist ributed  power g ene ration  for isolated  communitie s ,  whe r e th e util ity grids a r e  n o t available  [ 1 ]. In su ch  ca se s, sta nd  al one   WPCS play s an importan t  role to pro v ide a qualit y output power to the ele c tri c al load s.  In   WPCS, vario u s g ene rators have b een  use d  whi c h  are eith er fi xed sp eed  wind tu rbin e  or  variable  sp ee d win d  turbin e [2], [3]. Among the m  a v a riabl e  spee d  wind  turbi ne  equip ped  wit h  a   PMSG is fou nd to be ve ry attractive a nd suitable f o r ap plicatio n in large  wi nd farm s. Wi th   gearl e ss  con s tru c tion, su ch PMSG  co nce p t req u ire s  lo w mainte nan ce, re du ced lo sses a n d  co sts, at the same time has hig h  efficien cy  and g ood co ntrolla bility [4], [5].  Being a vari able  spe ed wi nd turbin e, it ena bles o peratio n of the  turbi ne at its maximum po we r coefficient ove r  a  wide rang e of wind spee ds,  obtaini ng ma ximum energ y  from wind.   The  WPCS i s   captu r ing  large r  p o wer f r om th e wi nd  [6] and fe edi ng the  po wer to loa d   with high -qua lity [7]. To  feed quality po wer to t he lo ad, the AC–DC–AC conv erter is o ne o f  th e   bes t topology  for WP CS [3]. Us ually, WPCS uses  fu ll  bridg e  conve r ter a nd three - pha se i n vert er  for the  conve r sio n  of AC-DC-A C . Figu re  1 sh ow s  the conve n tional block  di agra m  of the WP CS.  This  co nfigu r ation in clud e s  a  dio de  re ctifier,  boo st DC– D C converter an d th ree - pha se  inve rter.  The full brid ge co nverte r and three - p hase inve rte r  have the followin g  dra w ba cks: 1)  an  addition al DC-DC bo ost  co nverter to  obt ain a d e si red  DC  output 2 )  impo se s hi g h  stress to th e  swit chin g de vices  3) due  to additio n a l  power   stag e co nversio n  increa se s  system cost  a nd  lowers effic i enc y . In order  to rec t ify this   probl em, an i n tegrate d  b o o st conve r ter is u s e d  for A C - DC-AC  conv ersi on. An in tegrated  boo st conve r ter i s  the combin ation of Vien na re ctifier a nd  QZSI, which i s  more efficie n t for step up  applicati ons.  Vienna rectifi e r is a uni dire ctional rectifie r,  whi c h bo ost s  the DC volta ge [8]. QZSI provide s  the  highe r, boo st ed voltage b y  elimination  o f   sho o t thro ug h fault. The  prop osed  system simplif ie s t he  co nt rol  com p lex i t y ,  redu ce s t h e  co st   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  523 – 533   524 and im prove s  the  po we r  quality an d e fficiency [9]  - [11]. Figu re  2 sho w s the  prop osed  blo c k  diagram of the WPCS.           Figure 1. Con v entional WP CS with DC b oost chop per          Figure 2. Pro posed WP CS  with Vienna rectifier an d Z S I      2. Vienna Re ctifier Top olog y   The Vie nna  Re ctifier i s  a   unidirectio nal  three - p h a s e  three - switch t h ree - level P u l s e-width  modulatio n (PWM) rectifi e r. It can be seen a s  a three - p h a s e d i ode bri dge  with an integ r ated   boo st co nvert e r [3], [10]. T he voltage  of  the ea ch  ph ase i s   determined  by ch oosi ng the  o n /off  state of  swit ches  and th e  dire ction of t he ph as e current. The  swi t che s  togeth e r with  diod e  and   input in du cta n ce  creat e th e bo ost  co nverter sy stem .  The  outp u t capa citor is sp lit into two  pa rts  with eq ual v a lue s . Two v o ltage  sou r ces  +V 0 /2  a nd - V 0 /2  exist across ea ch cap a cito r,  wh ich   detect the  ou tput voltage  of the ci rcuit.  Therefore, three  differe nt voltages (+V 0 /2, 0, -V 0 /2) are  available [9], [10]. Figure 3  sho w s the  sc hematic di ag ram of Vienna  rectifier.   The mid point  N is  co nsi d ered  as  a referen c e  point  with zero vol t age. The r efo r e, the  pha se voltag e is de scribe d as,     L di dt E V    (1)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Optim a l operation of Low  Co st Topolo g y  for Im pr ovi n g the Powe r Quality in the  … (E. Vani)  525   Whe n  the ph ase  curre n t is positive,    V    2 0 0 1  (2)           Figure 3. Sch e matic dia g ra m of Vienna rectifier      Whe n  the ph ase  curre n t is negative,    V    2 0 0 1  (3)     Whe r e L N  in p u t inducto rs (N=1, 2, 3), i k  is the inp u t phase cu rrent,  V KN   is the phase voltage  (K  = A , B, C), S k  is a co ntrolle d  switch (S k  =  0 corre s p ond s to off state and S k  = 1 to the on state ) .  Figure 3  sh o w s th e mo de s of o peratio n Vienn a rect ifier at ph ase  A. Phase s   B and  C   operate in the  same patte rn .    Mode 1    The  swit ch  S A  is turned   O N   when  the li ne  current i s   posit ive. Th e  cu rrent pa sses th rou gh  t he swit ch S A  and ph ase voltage be come s ze ro.   Mode 2       The line  current is po sitive, but the switch S A  is turned OFF. Th e cu rre nt passe s thro ugh   diode D 11  and  D 1.  So, the phase voltage  is +V 0 /2.  Mode 3    The  switch  S A  is turned O N  whe n  the line cu rre nt is negative. Th e current pa sse s  throu gh  t he swit ch S A  and ph ase voltage be come s ze ro.   Mode 4     The line  current is n egativ e, but the  switch S A  is tu rned O FF. Th e cu rrent pa sse s  through  diode D 12  and  D 2.  So, the phase voltage  is -V 0 /2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  523 – 533   526   Figure 3 (a )    Figure 3 (b )    Figure 3 (c)    Figure 3 (d )    Figure 3. Modes of op erati on of Vienna  Re ctifier      Assu ming th at the cu rrent  of pha se A i s  po sitive an d pha se s B, C ne gative, the eig h t  different switching po sition s can be  con s i dere d  and th e results a r e  sho w n in tabl e 1.        Table 1. Eigh t different swi t ching p o sitio n s of Vienna  rectifie r  S A  S B  S C  V AN  V BN  V CN   0 0  0  +V 0 /2 -V 0 /2  -V 0 /2   0 0  1  +V 0 /2 -V 0 /2  0  0 1  0  +V 0 /2 0  -V 0 /2   0 1  1  +V 0 /2 0  0  1 0  0  0  -V 0 /2  -V 0 /2   1 0  1  0  -V 0 /2  0  1 1  0  0  0  -V 0 /2   1 1  1  0  0  0      3. Z Source Inv e rter Topolog y   In the powe r  conve r si on from DC to AC, both  the swi t che s  of any pha se leg  ca n never  be gated O N   at the same ti me or a  sho r t circuit  (shoot  throug h) wo uld occu r in the co nventio nal  voltage  sou r ce inve rter an d it  will d e stroy the i n verte r . To  overco me the  ab ove  problem s, th e Z- sou r ce inve rter i s  u s ed fo r conve r si on  of DC-A C. T he Z-network com p ri sing  of two capa ci tors  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Optim a l operation of Low  Co st Topolo g y  for Im pr ovi n g the Powe r Quality in the  … (E. Vani)  527 and t w o in du ctors a r e  co nne cted in  x-sha pe. Th i s   netwo rk is conne cted to   the kno w n th ree   phase bridge.  The Z- source i n verter ut ilizes th e shoot-through st ates to   buck or boost  the DC  link voltage which is d one  by gating ON both t he upper and lo we r swit che s  of a phase le g. Due   to the sh oot-t hrou gh  state,  the ele c trom agneti c  in terf eren ce  (EMI) noise do es  not de stroy t he  circuit. The r ef ore, mo re reli able bu ck an d boo st powe r  conve r sion i s  obtain ed [1 1-14].   This Z sou r ce  netwo rk i s  the energy storage/f iltering e l ement for the  Z-so urce inv e rter. It  provide s  a se con d -o rd er filter and i s  more effe ctive to sup p re ss voltage an d cu rrent ripple s  th an  cap a cito r o r  i ndu ctor u s e d   alone i n  the  conventio n a l i n verters [15].  Figur e 4  sho w s th e Z-so urce   inverter.           Figure 4. Z-source inve rter      The  conve n tional voltag e  sou r ce inve rters hav e six active  state s  and  two zero   state s .  Ho wev e r, the   Z -so u rce in verter ha s o ne extra ze ro st ate for b oostin g  voltage that is ca lled   sho o t-throug h state. Th e i nput dio de i s  revers e  bia s ed when  ZSI is in th e sho o t-thro ugh  st ate;  the two ca pa citors disch a rge ene rgy to the indu ctors, load and the  input DC  so urce is i s olat ed   from the  load . The in put di ode i s  tu rne d   ON  wh en ZSI  is i n  the  non   sho o t- th rou g h  state  an d th e   DC i nput voltage  sou r ce a s  well as th e  indu ctor  tran sfers en ergy to  the load a nd charge th e  cap a cito rs,  a s  a  re sult th e DC-li n k vol t age of the  b r idge  is  boo sted [16]. Fig u re  5 sho w s  the   operation of ZSI.  As describe d  in [13], the vo ltage of dc lin k ca n be expressed a s     V i  = B V dc   (4)     whe r e V dc  is the so urce vol t age and B is  the boo st factor that is dete r mine d by    B 1 1 2T o /T   (5)             w h er e T o  i s  t he  sho o t-thro ugh tim e  inte rval ove r   a  switchi ng  cycl e T. T h e  out put pe ak p h a s e  voltage V ac  is    V ac  = MB (V dc  / 2 ) ( 6 )    whe r e M is th e modulatio n index.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  523 – 533   528   a. Non-sh oot-throug h state             b. Shoot-thro ugh  state    Figure 5. Ope r ation of ZSI      Figure 6  sho w s th e si mpl e  boo st PWM co ntro l m e thod fo r Z-source inve rte r . In this  method t w o e x tra strai ght li nes V SC  an d  –V SC  are em ployed a s   sh oot-throug h signal s [13], [17] .  Whe n  V SC  is smalle r than  the caree r  si gnal or  -V SC  is gre a ter tha n  the carrie r sign al, a sho o t  throug h vecto r  is create d  b y  the inverter. The value of V SC  is calcul a t ed by       V  1   (7)     W h er e    T 1  = T -T o  (8)           Figure 6. PWM control met hod for  Z -s ou rce inv e rter       4. Result a n d Discus s io n    The sim u latio n  of Vienna rectifier an d Z  source inve rt er ba sed  WP CS has b een  carried   out usin g MATLAB/Simulink software. Figure 7  sh ows the sim u lation diag ram of prop o s ed   topology. It compri se s of  a win d  turbi n e with  PMS G , Vienna  re ctifier, ZSI a nd loa d . In th e   simulatio n  pa rt, WPCS is  simulate d wit h   the wind  speed of 12  rad/ se c. Perm anent Mag net  Synchrono us Gen e rato r  (PMSG) u s e d  as va riabl e speed win d   tu rbine   ge nerator,  p r odu ce s the   AC voltage of  280V. The  o u tput of PMSG is fed  t o  th e vienna  re ctifier whi c h  bo osts th e volta ge  up to  380V   whi c h i s   sh o w n i n  figu re  8. In th e p r opo sed  topol ogy, only ni n e  switche s  a r e  employed to obtain the r e quir ed output vo ltage, w h ic h ov er comes  the dr aw backs of  conve n tional  topology such as u s ag e of a numbe r  of swit che s  an d control ci rcuit complexity.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Optim a l operation of Low  Co st Topolo g y  for Im pr ovi n g the Powe r Quality in the  … (E. Vani)  529   Figure 7. Simulation diag ra m of propo se d topology       Vienna  rectifi e r u s e s  only  three  swit ch es  for th e AC-DC  co nversion  and b o o sts th e  voltage to the requi red leve l. The simulat i on paramet e r s of Vienn a rectifier a r e sh own in tabl e 2.       Table 2. Simulation pa ram e ters of Vien na re ctifier  Parameter Value  Input voltage (A C)   280V  Output voltage  ( DC)   380V  L 1  = L 2  = L 3  15mH   Sw itching Fr equ enc y  20kHz          Figure 8. Output voltage of Vienna Re cti f ier  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  523 – 533   530 The o u tput of  the Vien na  rectifier i s   aga in bo oste d by  the Z  source  inverte r  in  th e ra nge   of 500V  and  i s   conve r ted t o  AC. Fi gure  9 an d 1 0   sho w  the  inverte r  output volta g e  an d  curre n t.  The sim u latio n  para m eters of the Z sour ce inverte r  are sho w n in ta ble 3.      Table 3. Simulation pa ram e ters of ZSI   Parameter Value  Input voltage (D C)   380V  Output voltage  ( A C)   500V  L 1 =L 2  5mH  C 1  = C 2  5µF  Sw itching Fr equ enc y  20kHz          Figure 9. Output voltage of ZSI        Figure 10. Ou tput current o f  ZSI       Figure 11 an d 12 sh ow th e FFT sp ectrum of  conven tional and p r o posed topol o g y.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Optim a l operation of Low  Co st Topolo g y  for Im pr ovi n g the Powe r Quality in the  … (E. Vani)  531     Figure 11. FF T spe c tru m  of conventio nal  topology           Figure 12. FF T spe c tru m  of propo se d top o logy       To experim e n tally validate the propo se d t opology, hard w a r e of the Vienna re ct ifier and  ZSI based  WPCS has be e n  built. Figure  13 sho w s  th e prototype o f  the propo se d topology. Nine   MOSFETs a r e employed  here  as the  swit chin g dev ice s . Thre e single ph ase tran sform e rs  are  use d  to obtai n the AC i n p u t voltage to t he three  p h a s e Vie nna  re ctifier. Boo s te d output from  the   Vienna  re ctifier i s  fed to th e ZSI, which  boo sts the  vo ltage furth e r t o  high l e vel a nd convert s  it  to   AC. PIC16F8 77A micro c o n trolle r co ntrols the gat e  pulses of the  MOSFET switching d e vice s of  Vienna  re ctifier  and  Z  sou r ce i n verte r . Control  algo ri th ms fo r the   switching  are  written in the  hi gh   level langua g e  and then it is embe dde d in the PI C16F 877A micro c o n trolle r. Figure 14 sh ows the   experim ental output voltage of ZSI. Figure 15 sh ows the FFT sp ect r um of conve n tional topolo g y   and figure 16  sho w s the FF T spe c tru m  of propo se d top o logy.           Figure 1 3 . Prototype of pro posed sy ste m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  523 – 533   532     Figure 14. Inverter o u tput voltage waveform           Figure 15. FF T spe c tru m  of conventio nal  topology           Figure 16. FF T spe c tru m  of propo se d top o logy        Table 4 sh o w s the T HD  analysi s  of convent ion a l and pro p o s ed  topology of si mulation   and ha rd wa re .          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.