TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3431 ~ 34 4 3   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.5364          3431     Re cei v ed O c t ober 2 4 , 201 3; Revi se d Decem b e r  5, 2013; Accepte d  De cem ber  26, 2013   Experimental Verification of Circulating Current  Mitigation Scheme in MMC by Using ISE Technique      Madichetty   Sreedhar*, Abhijit Dasgupta  Camp us-3, Schoo l of Electric al Eng i ne eri ng,  KIIT  Universit y   *Corres p o ndi n g  e-mail: sre e d har.80 3 @gm a il .com      A b st r a ct   The circulating currents of a  m o dular multilevel conv erter (MMC)  are ideally assumed to be  t h e  sum of  an  ac   compo nent  an d dc  ac  co mp one nt o per ati n g w i th fu nda mental  freq uenc y. How e ver,  a s  a c   current flow s throug h the s u b m o dul e (S M) capacitor s,  the capac ito r  voltages fl u c tuate w i th time.   Cons equ ently, the  circul ating current  is usu a lly distorte d an d all o w s  multi p le frequ ency c o mpo nents w i th  the pe ak va lu e  of it is i n creas ed co mpar ed  w i th the theor e t ical va lue. T h e  circul ating  cur r ents w ill i n cre a se   pow er l o sses  and   may thr e a t en the  safe  o perati on  of  the  sw itching  dev i c es a nd  mod u l e  ca pacitors. T h i s   article pr op ose s  a MMC w i th a new  control l e r  desig n  to  miti gate circu l ati n g  currents for va rious  mo dul atio n   ind e xes for w i d e  rang es in  loa d . T h is new  controll er  is opti m i z e d  w i th up p e r and  low e r modu le vo ltages  a s   an o b j e ctive fu nction. T h e  opt imu m  val ues f o r control l er  ar e  obtai ne d by  usi ng co nve n tion a l  inte gral s q u a r e   error tech niq u e  (ISE). T he pro pose d  sch e m e  show s its e ffe ctiveness  by c ontrol lin g the c i rculati ng curr e n ts  for vari ous  loa d s. It made  strategic  conc lus i ons  on MM C t o   mak e  the  sys tem  more r o b u st in  oper atio n  and   less com p lex i ty in design and c ontrol. The  proposed syst em   is verified  by 10KVA  prot otypes MMC and  results are ex pl ored.     Ke y w ords :  mo dul ar multi lev e l converter, circ ulati ng cu rre nt miti gati on, ap pl icatio n of ISE to MMC    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  Many investi gation s  in th e field of mo dular  multi-le vel inverters  are l ead to  succe ssfu l   operation  in  high  voltag e DC (HVDC)   system s. In rece nt times,  I n  the p o we r t r an smi ssi on  era,  for very long  distan ce s HV DC tran smission line s   ba sed on  current  sou r ce inverters  (CSI) a n d   voltage source inve rters  (VSI) have b een offe ri ng more econo mic  a nd co st  effective  po we r  transmissio n. But, recently  HVDC tran smissi on  syste m s ba se d on  VSI have received incre a si ng   attention du e  to many  opp ortunitie s  li ke  to the  g r id  a c cess  of we a k  AC net works, ind epen de nt  control of a c ti ve and  rea c ti ve power,  su pply of  pa ssi v e netwo rks  and bl ack  sta r t ca pability, high  dynamic p e rf orma nce and  small spa c e requireme nts.   In parti cula r, the novel  power  conve r te r top o logy  for MMI h a s b een i n tensivel y   resea r ched a nd develo ped , valuated by many feat ures like high  modula r ity, simple scal abili ty,  low  expen se  of filters,  ro bust  co ntrol,  sim p le i n   d e sig n  a n d  re dund an cy. T h is  co nverte r  is   comp osed b y  identical p o we r cells  conne cted i n  seri es, e a ch  one b u ild u p  with  stand ard   comp one nts,  enabli ng th e co nne ction  to high  volt age p o le s. Although th e  MMI and  derived   topologi es  offer  several ad vantage s the y  also int r od uce  a mo re  compl e x de si gn of the p o w er  circuit a nd  co ntrol g oal s, which  have  be en the  ma in  reason fo r the  re cent  and  o ngoin g  research.   Furthe rmo r e also   Medi um   Voltage Co nverters ar e   an inte re stin g area fo r th e ap plicatio n  of  MMCs.  The impo rtan t features of the modul ar  m u ltilevel conv erters a r e as  follows:  a.  Voltage sh ari ng of the device s  will be  h a ndled a u toma tically by the topolo g y.  b.  The  wavefo rm shape  will  l ead to  si nu so idal  waveform due  to  whi c h th e T H D  will b e  redu ced  and the ha rm onics a s  well.   c.  The  ope ratin g  voltage  can  be i n cre a sed  of th e  conve r ters, in stead   of co nne cting  the  device s   in seri es o r  in  parallel, which make s the  system mo re  compl e x.  As the  concept is still in  nurturi ng  stage, m any researches are goi ng on in  suppression  of circul ating  cu rrents. In   [1], it propo ses  a  ci rculati ng curre n t  suppressin g  controlle r (CCSC)  based on the  doubl e line-freque ncy, neg ative-se que n c e  rotatio nal frame a nd are  minimize d by a  pair  of propo rtional i n tegral co ntroll ers. A closed -lo op meth od f o r  sup p re ssi on of the i n ner  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3431 – 34 43   3432 curre n t in an  MMC  wa s propo sed [2]. Whe r e a s  in  [ 3 ], it develops a ge ne ral framework for  the   cap a cito r volt age  bala n ci n g  of  an  MMC. In [4], it de signs,  co nst r u c ts,  and  test s a  100 -V 5 - kVA  pulsewi dth-m odulate d  STATCOM b a sed  on the SDBC , with focus o n  the operatin g prin ciple a n d   perfo rman ce.  An imp r ove d  ci rculating   curre n t c ontrol metho d  [5]  by ap plying  a digital  plug -in   repetitive con t roller  i s  discussed   for ha rmoni c  el i m in ation of a  ca rrie r -pha se -shift pulse -wid th- modulatio n (CPS-PWM)  based mo dul ar multilevel  c onve r ter i s   discu s sed. In  [6] propo se s a  control meth od for ci rcul ating cu rrent s MMCs u n d e r unb alan ce d voltage co ndition s. In [7] it  prop oses  a supplem enta r y dc voltage  ri pple supp re ssing  cont rolle r (DCV RSC) to eliminate the   se con d -o rd er harm oni c in  the dc volt age of  the  MMC-HV D C system. A  modified  con t rol  architectu re f o r MM C, aimi ng at su ppre ssi ng the  AC comp one nts in the circul a t ing cu rre nt h a s   prop osed in [ 8 ]. An additio nal propo rtio nal-re s on ant  control loo p  is de sign ed to  regul ate the  AC  comp one nt of the circulatin g current to zero [9].  Multicarri er level-sh ifted pulse -wi d th-mo dulatio n   is ap plied  a nd the p e rfo r man c e  of in terleavi ng  an d non -inte r le aving the  ca rrie r  waveforms  betwe en th e  uppe r a nd th e lo wer arms is  rep o rted  [10]. The  pro portion al-re s o nant (P R) terms  for the line  c u rrent, mak i ng it th u s   p o ssible  to in trodu ce  expli c itly any  ch ose n  h a rm o n ic   comp one nt [11]. In [12], it p r esents  a mul t ivari able con t rol app roa c h  to reali z e an  optimal curre n t  control of the  positive, ne gative and zero p h a s e-se quen ce conv erter cu rre nts  without  ste a d y- state erro r a nd the comp ensati on of h i gher  harmon i cs  usin g an  extended e s ti mator. A co n t rol  method  of ad ding th e feed -forward  cu rrent is intro d u c ed  with  strategy of remov i ng the  seco nd   harm oni c cu rrent is al so descri bed in  orde r to  improve the arm current s [13]. One of the  prop osed  sol u tions i n clu d e s  a mai n -circuit filter  that is tune d to blo ck th e secon d -o rde r  ha rm onic  in the circula t ing cu rre nt the  ac-side  current and th e highe r-ord e r  harmoni cs i n  the circul ating  curre n t whe n   su ch a filter i s  used [1 4]. The opt imal am plitude an d p hase of the h a rmo n ic  cu rre nt  comp one nts  can  be inje ct ed in the  circulatin g cu rrents of a M M C to minim i ze the  ca pa citor  voltage fluctu ations [15].   This pa per is  orga nized i n  f i ve se ction s . I n   sectio n-1, it intro d u c e s  a bout the  MM C a nd it   will reveal s a bout the nece ssi sty of MMC and p r oble m s face d, In se ction-2, it shall be discu s sed  about the p r opo sed  circu i t and its op eration. In  section - 3, it shall be di scu s sed ab out the  controlle r de sign a nd it’s stability analysis. In  se ction-4, it sh all di sc u s sed about   thesim ulatio n   and expe ri mental re su lts. In Section 5, it   shall di scussed a bout con c lu sio n  with   recomme ndat ions.   The ba si c ci rcuit topolo g y is sh own in  Figure  1. It  is a three ph ase five leve l MMC  having four  sub modul es i n  uppe r limb  and four  su b  module s  in lowe r limb. Each  sub mo d u le  basi c  circuit is sho w n   in Figure  2. Th is circ uit m a i n ly co nsi s t o f  an in du ctor having  self- indu ctan ce L 1  and L 2 .Each  module co nsists of main switch S 1  and auxiliary switch S 2  with their  anti-pa rallel diode s  D 1  a nd D 2  re spe c tively. Main switch and  auxiliary switch con s ist s  of a  cap a cito r co n necte d in parallel as  C s1 .  It has bee n consi dered the  five levels MMC fo r valid a t ion. The switchin g ope rati ons a r e   as  sho w n i n   Table 1. T he  top four  swit ches i n  ‘R’  ph ase lim b is ta ken  as S 1 , S 2 , S 3 , S 4  and the  bottom four  switch es  con s i dere d  a s  S 5 , S 6 , S 7 , S 8  of  a singl e leg.  Whereas the  auxiliary swit ches   are in  anti-operation of  main  switches provided with del ay , whi c h  will be explained in   sub s e que nt section s . In the Table 1, it sho w s t he switching  states of a MMC. Here, it has  be en   con s id ere d  ‘ 1 ’ indi cate s t he  swit ch i s   in O N  condit i on an d ‘0’  indicates t he  swit ch i s  in   off  conditions. It mainly consis ts of o ne   sta t e of ‘V/2’ out put volt age   a nd ‘1 6’ state s  of ‘V/4’ outp u t   voltage and ‘ 16’ state s  of ‘0’ voltage. In  Table  2, It shows the basi c  operatio n of a redu nda nci e s  swit ch state  con d ition of a one up pe r limb of Fi gure 2. In Ta ble 3, it sho w s the  ca pa citor  cha r gin g  stat us of a upp er  limb of a Figu re 2.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Expe rim ental Verificatio n  of Circulating  Current Mitigation Schem e in  MMC by… (, ,,)  3433 2.   Fiv e  Le v e l MMC Oper a t ion and Deriv a tion of Circulating Cur r ents       Figure 1. Three Phase Five Level MMC  Fi gure 2. Expande d MMC f o r a ‘R’ Pha s e Limb       Table 1. Basi c Switching O peratio n of a Five Level MMI  State  2   S 1  S 2  S 3  S 4  S 5  S 6  S 7  S 8    S 1  S 2  S 3  S 4  S 5  S 6  S 7  S 8  State  1  1 1 1 0 0 0  0  0 0 0 0 1  1 1 1  2                       4   1  1 1 0 1 0 0  0   0 0 0 1 0  1 1 1                       4   1  1 1 0 0 1 0  0  0 0 0 1 1  1 0 1  1  1 1 0 0 0 0  1  0 0 0 1 1  1 1 0  0  1 1 1 1 0 0  0  1 0 0 0 0  1 1 1  0  1 1 1 0 1 0  0  1 0 0 0 1  0 1 1  0  1 1 1 0 0 1  0  1 0 0 0 1  1 0 1  0  1 1 1 0 0 0  1  1 0 0 0 1  1 1 0  1  0 1 1 1 0 0  0  0 1 0 0 0  1 1 1  1  0 1 1 0 1 0  0  0 1 0 0 1  0 1 1  1  0 1 1 0 0 1  0  0 1 0 0 1  1 0 1  1  0 1 1 0 0 0  1  0 1 0 0 1  1 1 0  1  1 0 1 1 0 0  0  0 0 1 0 0  1 1 1  1  1 0 1 0 1 0  0  0 0 1 0 1  0 1 1  1  1 0 1 0 0 1  0  0 0 1 0 1  1 0 1  1  1 0 1 0 0 0  1  0 0 1 0 1  1 1 0  1  1 1 0 1 0 0  0  0 0 0 1 0  1 1 1  1  1 1 0 0 1 0  0  0 0 0 1 0  1 1 1  1  1 1 0 0 1 0  0  0 0 0 1 1  0 1 1  1  1 1 0 0 0 1  0  0 0 0 1 1  1 0 1  1  1 1 0 0 0 0  1  0 0 0 1 1  1 1 0            0  1  1 0 0 1 1 0  0  1 0 1 0 1  1 0 0           0  1  1 0 0 0 1 1  0  1 0 1 0 0  1 1 0  1  1 0 0 0 0 1  1  1 0 1 0 0  0 1 1  1  1 0 0 1 0 0  1  1 0 1 0 1  0 0 1  1  1 0 0 1 0 1  0  1 0 1 0 1  0 1 0  1  1 0 0 0 1 0  1  1 0 1 0 0  1 0 1  0  1 1 0 1 1 0  0  0 1 0 1 1  1 0 0  0  1 1 0 0 1 1  0  0 1 0 1 0  1 1 0  0  1 1 0 0 0 1  1  0 1 0 1 0  0 1 1  0  1 1 0 1 0 0  1  0 1 0 1 1  0 0 1      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3431 – 34 43   3434 0  0 1 1 1 1 0  0  1 0 0 1 0  1 1 0  0  0 1 1 0 1 1  0  1 0 0 1 0  0 1 1  0  0 1 1 0 0 1  1   1 0 0 1 1  0 0 1    0  0 1 1 1 0 0  1   1 0 0 1 1  0 1 0    0  0 1 1 1 0 1  0   1 0 0 1 0  1 0 1    0  0 1 1 0 1 0  1   0 1 0 1 1  0 1 0    1  0 0 1 1 1 0  0   0 1 0 1 0  1 0 1      Table 2. Basi c Switching O peratio n of  a Red und ance  Switchin g State in MMI  State Curre nt  Sw itching  Capacitor  Capacitor   1010    > 0  S 1   D 2   S 4   D 3   Cs 2   Cs 4     1010    < 0  S 2   D 1   S 3   D 4   Cs 4   Cs 2     0110    > 0  S 2   D 1   S 4   D 3   Cs 1   Cs 4     0110    < 0  S 2   D 1   S 4   D 3   Cs 4   Cs 1     0101    > 0  S 2   D 1   S 3   D 4   Cs 1   Cs 3     0101    < 0  S 1   D 2   S 4   D 3   Cs 3   Cs 1     1001    > 0  S 1   D 2   S 3   D 4   Cs 1   Cs 3     1001    < 0  S 2   D 1   S 4   D 3   Cs 3   Cs 2         Table 3. Basi c Ca pa citor S w itchi ng Op erati on of a Re dund an ce Switching State in MMI  S 1  S 2  V out  Curre nt  Power   Capacitor  On  Off   0    > 0  S 1  Undefined   On  Off   0    < 0  D 1  Undefined   Off  On   V dc     > 0  D 2  Charge   Off  On   V dc     < 0  S 2  Discharge      Due to the un even voltage di stri bution in  t he phase  legs, circul ating current will  flow  throug h the  system. It also con s ist s  of curr ent h a rmo n ics wh ich dete r io rat e s the sy ste m   perfo rman ce.  So, an atte mpt is made  to derive  the curre n t harmonics p r e s ent in circula t ing  curre n ts a nd  its ne ce ssary  controller to  sup p re ss the  same. T he i n stanta neo us voltage acro ss  the ca pa citor  is taken a s    ,      ,  ,   ….   . It consi ders the volta ge di stributio n acro ss th e   cap a cit o rs i s  same.       V  V  V    V  ….  V  .            ( 1 )     Und e r  any switchi ng  con d ition, the av erag e  voltag e acro ss the  uppe r a r m  switch es i s   sho w n in Equ a tion (2 ):     ∆              ( 2 )     The total ca p a citor volta g e  of the capa cito r i s  sh own in Equatio n (3) a nd de ferential   cap a cito r voltage is i s  sh o w n in Equati on (4 ). The same ha s bee n repe ated fo r lowe r limb  and   sho w n in Equ a tion (5 ), (6)  and (7 ).     V V  V  V   ….  V  .                                (3)    ∆V ∆ V  ∆ V  ∆V   ….  ∆V  .           ( 4 )      ∆                   ( 5 )     V  V   V  ….  V                                    (6)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Expe rim ental Verificatio n  of Circulating  Current Mitigation Schem e in  MMC by… (, ,,)  3435   ∆V  ∆ V   ∆ V   ….  ∆V                     (7)    The ci rculatin g cu rre nts in  the arm in du ct ors con s ist s  of both DC  and AC  com pone nts.  These A C   co mpone nts  are called  as the h a rm onics , si nce tho s e are  rotatin g  with  the hi ghe r  freque nci e s i n  the system.     i   ∑ i  ∞             ( 8 )     i   i  i  i  +….   i         ( 9 )     In orde r to derive the ci rculating voltag e  and ci rculat ing cu rrent, the output voltage in a   singl e pha se  out of three p hases i s :    V  .. ω           ( 1 0 )     I I .s i n ω t φ          ( 1 1 )     Whe r e ‘m’ is t he modul atio n index of a signal.   But, the actual voltage at the output volt age is  sho w n  in Equation (12) an d (1 3):     V  N .  1 m . s in ω tV  ∆ V        ( 1 2 )     V  N .  1 m . s in ω t V  ∆ V         ( 1 3 )     Therefore, th e total voltage is:    V  V  V            ( 1 4 )      1 m . s in ω t ∆ V  V   ( 1  m . s i n ω t V  ∆ V  )   (15 )     V  V  V  ∆  ∆  . ω .∆  ∆        ( 1 6 )     To derive th e disturban ce voltage in the uppe r an d lowe r cell  cap a cito r of a leg i.e.  ∆V   and  ∆V  .  It consid ers the voltage a c ross on e ca p a citor m odul e  as:    V  i t .d t            ( 1 7 )     V  i t .N .d t            ( 1 8 )     Her e :    i ∑ i  ∞            ( 1 9 )     i ∑ i  ∞            ( 2 0 )     N  . ω           ( 2 1 )     N  .  ω           ( 2 2 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3431 – 34 43   3436 V   i  .  .  ω ∞          ( 2 3 )     V   i  .  .  ω ∞          ( 2 4 )     C C C ….C          ( 2 5 )     C C  C  ….C           ( 2 6 )     The cu rrent in uppe r and l o we r limb is:     i  i  i  ∑ i  n ∞          ( 2 7 )   i  →  The curre n t present in the phase ’a ’ upper a r m, i  → Dc  comp one nt of the   cur r e n t , i  →  Fund amental com pone nt of the curre n t, i  .n → Harm onic  comp on ent of the current.     i  i  i  ∑ i  .n ∞          ( 2 8 )     i  i  . cos n ω t φ         ( 2 9 )     ∴  The total current  i i  i          ( 3 0 )     i i  i  ∑ i  .n ∞  i  i  ∑ i  .n ∞       ( 3 1 )     It conce der’ s   about voltage  for ‘N’ modul e in terms of  cap a cita nce.    i I .s i n ω t φ          ( 3 2 )       it can be written as  sum of  dc compo nen t and ac com pone nt as in  Equation (33):    i  i  ∑ i  .n ∞  i  i  ∑ i  .n ∞        ( 3 3 )     The  small  ch ange  in  cap a c itor volta ge i n  up per  an d l o we r lim b is shown in E qua tion (3 4)  and Equatio n  (35):     ∆V   .N . 1 m .s i n ω t .  ∑ i  ∞  . dt      ( 3 4 )     ∆V   . N . 1 m .s i n ω t .  ∑ i  ∞  . dt        ( 3 5 )     ∴ The total pha se ‘a’ voltage  is sum  of upp er and lo we r  voltages.     V V  V            ( 3 6 )     V   ∆  ∆    ω .∆   ω .∆       ( 3 7   V   .N . 1 m .s i n ω t .   ∑ i  ∞  . dt  . N . 1 m .s i n ω t .   n 1 ∞ ia cn . dt                                   (38)                                                                                                                 ω .  ..  . ω .   ∑  ∞  .  ω  .  .. . ω .   ∑  ∞  .    (39 )     From  the  abo ve Equation  (39) it con c lud e s th at, the  system  con s i s ts of  both  d c  a nd  a c   comp one nts.  The main i m porta nt issue is  steady  st ate. To mai n tain it is fun damental  an d to  eliminate the  dc an d ac  co mpone nts, so me co nt rolle r  is req u ired to be add ed in the syste m . The  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Expe rim ental Verificatio n  of Circulating  Current Mitigation Schem e in  MMC by… (, ,,)  3437 controlle r sh o u ld be de sig n ed in su ch a  way that, the followin g  Equ a tion (4 0) an d (41 )  sh ould  be  sat i sf ie d.       1 m sin ω t   1m s i n ω t. ∑ i  ∞  0      ( 4 0 )       ∑ i  ∞  0            ( 4 1 )     From  the E q uation  (40 ) , i t  clea rly  sho w s the  u s ag e of m u ltiple  freq uen cy  controlle d  controlle r. It has bee n d e s ign ed a nd it s  stability an alysis also h a s  been  test ed  su ccessfu lly in  f o llowin g  se ct ion.       3.   Optimal Controller Us ed to Comp e n sate the  Cir c ulating Cur r ents    By con s ide r i ng the  Equa tion (3 9),  (4 0) a nd  (4 1),  the  controll er  sho u ld  d e sig n  to  eliminate th e  lower orde r and  hig h e r  ha rmoni cs  as  well. Eve n  thou gh th e hig her o r d e r  harm oni cs are le ss in  num ber, a s  th e o r der  of inve rt e r  in cr ea se s it   sho w s it s  ef f e ct  on  sy st em.  I n   orde r to elimi nate the com p lete ha rmoni cs, he re  it ha s bee n used repetitiv e cont rolle r. Base d on   Equation  (40 ) , a clo s ed lo op re petitive controlle r ha s been p r o p o s ed an d sh owed in Fig u re  3.  The  circul ating  cu rre nt re feren c e  is ta ken  a s   ze ro  and  co mpa r e d  with  the  a c tual  ci rculati ng  curre n t after  passin g  th rou gh the  p r op ortional inte gral  co ntroll er. Al l the  even  an d hig h e r  o r de r  circulatin g cu rre nts a r e  su ppre s sed  by employing  th e inne r re peti t ive controll er, which i s   sh own  in dotted lines in Figura  3. This inner  and outer  cont rollers  will ensures  the steady state error  rea c h to  ze ro. In this a r ti cle, it have  not  sh own th e tran sfer fu nction  mod e ling an d relat ed  analysi s  b u t  one  can  ea si ly obtain the  tran sfer  fu n c tion a nd it s analysi s   by Figure 3  bl ock   diagram. F u rt her, it  ha s b e en te sted  the  stability  of  propo sed  controller and  it’s  band width  ph ase   and mag n itu de re spo n se s are  sho w n  in Figure 4.  The optimu m  values of prop ortio nal and   integral  controller value s   are  obtain e d  by th e  Inte gral  Squa re   Erro r T e chni que  (ISE)  wi th   Equation (40 )  as an  obje c tive function ‘ J ’ . These  opt im um value s  is  sho w n in T a b l e 1 for 1% st ep  load an d 10%  step load.   The frequ en cy cha r a c teri stic  of  controller  i s  di spl a yed in  Fig u r e  4. Obvio u s ly, this  controlle r ha s a wide ran ge of band wi dth. Outs ide  the regio n  of 200/4000 Hz, the gain of  it  decreases quickly. So, this  cont rolle r only affect s the h a rm onic  cu rrent s of  i cir  a r o und  200/40 00 Hz.  At the freque ncy of 0.001 Hz, the g a in  of it is much belo w   − 100dB, very trivial  influen ce o n   the dc co mp onent in  i cir .  As the d c   co mpone nt in  i cir  is respon si ble for  delive r ing  active power  from the dc to the ac  side, the  proposed cont rolle r will suitable for wide range of  harm oni c co mpone nts. Th e co ntrolle r is desi gned  by  kee p ing th e stability in view. Co ntrolle r  and   it is stability responses as  show n i n  Figure  3 and Figure  5 resp ect i vely. It shows the  controll er  will be in sta b l e con d ition s  unde r any disturban ce.               Figure 3.  Re petitive Controller u s ed fo r MMC        - -  . .  2 . .   1  1   1     V in   I cirref   I cir   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3431 – 34 43   3438 In order to m a ke  the  syste m  fully bala n c ed,   one  sho u ld e n sure  th e net  ene rgy  transfe r  woul d be eq u a l to zero.     →             ,   →            , →                  4. Simulation and Experi mental Re su lts   In ord e r to te st the  pro p o s ed meth od fo r mitigatin g th e ci rculating   curre n ts  of th e MM C,  comp uter  sim u lation is  carried out first a nd then verifi ed experi m en tally as well.                Table 1. Opti mum Gain fo r Proportio nal  and Integral Controlle r  Five level MMC  Optimum integral  controller gain of  KI*  Optimum pr oport i onal  controller gain Kp*  1% Step Lo ad  fo r m=1   1.4  3.6  10% Step L oad   2.4  1.8       Table 2. Para meters Used  For Five Leve l  MMC Simul a tion and Exp e rime nt  MMC Level  Five  DC Voltage   V dc =200V Dc  Circulating Curre nt   reference   I cre f   = 0   Arm Inductors   L 1 =L 2 =L=3 mH  Sw itching freq ue ncy  S f =100 Hz  Capacitor Value   C=16 µF/400V   Band w i dth of the  controller  2000   Load Parame ters   L r =10mH/R r =30 Ω   Gain of  Resonan t   c ontrol l e r  Gr c =1250   Resonant f r eq uenc y  of   c ontrol l e r  ɷ 0 =2000       The  system  has bee n te sted with th e  para m et ers li sted in  Ta ble  1 an d Ta ble  2. The   experim ental  setup h a s b e en sh own in Figure 6.        Figure 4.  Re petitive Controller Use d  for MMI Showin g Magnitud e  and Pha s e Resp on se s        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Expe rim ental Verificatio n  of Circulating  Current Mitigation Schem e in  MMC by… (, ,,)  3439     Figure 5.  Repetitive Controller Used fo r MMC Showi ng Impulse Stability Responses       It has  bee n  develop ed a  model,  with  pro p o s ed  controlle r  whi c h is suitable  for  wid e   rang e of load  with different  modulatio n in dex.  Firstly, System has  been  investigated  for it s outp u t voltage. Since, it is o n e  of the   importa nt fact or to  acce ss t he  controller  perfo rman ce.  System with out controll er  is di storte d  wi th   its actu al values  and p r o duce un want ed compo n e n ts called a s  harm onics i n  the syste m . As  sho w n in  Fig u re 7, it is  cle a r that outp u t volt age is di storted  witho u t controller.  The RMS value s   of phase to n eutral current  are 31.4A with cont roll er  and 29.2A wi thout controll er. From tho s e  values it is  cl ear that, out put cu rre nt is also  di storte d due to ci rculating curre n ts. Please n o te   that, each div i sion i s  take n as 5m s.   Form the Fi gure 8, it is clear that,  A ll harmoni cs up to 500 0Hz are eli m inated   compl e tely. Due to which, the lo sses i n  t he sy st em  wil l  dra s tically d e crea se s an d  efficien cy ha s   been in crea sed 14% co mp ared  with  syst em without controlle r.           Figure 6.  Experim ental Setup for Five Level MMC        Contr o ller  Ar m Induc tor s Capac i tor  Submodule Optocoupler  used  for Module   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3431 – 34 43   3440       Figure 7.  ‘R’ Phase T o  Ne utral Voltage  With and  With Out Cont rol l er           Figure 8.  ‘R’ Phase T o  Ne utral Volt age  With it is Freq uen cy Analysis             Figure 9.  Sub Module  Ca pacito r  Voltag e for S udde n Cha nge in L o ad Of 10% an d Its Controller  Perform a n c e        Output voltage  without Controller   Output voltage  with Controller  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.