Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   12 ,  No.   3 ,  Decem ber   201 8 , p p.   9 24 ~ 9 32   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 2 .i 3 .pp 9 24 - 9 32          924       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Five - Lev el Single  S ource Volta ge Conv ert er Contr olled Usi ng  Selectiv e H ar m on ic Elimin atio n       Ibra him  H aruna  Sh anon o 1 ,  No r  Rul  H asm a Abd ull ah 2 ,   Aish a Muh am mad 3   1 ,2 Facul t y   of Electrical  and   Elec t ronic s E ng ineeri ng,   Univer si ti Mal a y si a  Pahan g,   26600  Pekan, Pa hang,   Ma lay si a   1 Depa rtment of  El e ct ri ca l ,   Fa cult y   of the   Engi n e eri ng,   Ba y e ro  U nive rsit y   K ano,  Niger ia   3 Depa rtment   of M ec hat ron ic s ,   Facult y   of   the E n gine er ing, Bay er o   Univer sit y   K a no,   Niger ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Ma y   1,   2018   Re vised Ju n   1 9 , 2018   Accepte d Aug   25, 201 8       The   pap er  pre se nts  a  5 - le v el   c as ca ded  H - bridg e  volt ag e  source   i nver te r .   Th e   conve rt er  topol o g y   c om posed  of  two - ca sca d ed  H - bridge   m odule s  conne c ted   in  par allel   and  powere d  b y   a  single   DC  source .   The   bene f it   of  t his  topol o g y   in  compari son  with  the   conv en ti on al   H - Bridg e   conf iguration  i s  tha t  it   uses   single   inpu t  D C  source   instead  of  two  to   ac h ie ve   th e  s ame  output  steps/l ev el s.  Se le c ti ve  H armonic  E li m ina t ion   (SH E)  is  the  m odula ti on   te chn ique   emplo y ed .   The   gen erate d  non - li n ea r  tr ansc ende n ta l  eq uat ions  ar e   solved   using  an   opti m ised  Gene ti c  al gori thms   to  find  the   sw itch ing  angles.  Thi s  prope r t y   m ake s  th e  t opolog y   and  the  cont ro l  func ti on  sui ta b le   for   thr e e   phase   appl i ca t io ns  where   tri ple n   har m onic s  are   said  to  ca n ce l  ou t   at   the   li n e - to - li ne   voltages.  Thi s  con ce pt   o f  SH E  m odula tion  ext ends  the   val ue  of   th e   fil ter  cu t - off  fr e quency ,   which  tra nsla te s  to   sm al l er  siz ed  fi lt e r ,   compac t  cool ing  s y s te m   and  red uc ed  sy stem  weight.  Thi s  adva nt age  m ake s  the  topol og y   attra ct i ve  to  au tomotiv e  and  ren ewa bl e  ene rg y   appl i c at ions.  Th e  topol og y   was si m ula te d  using   PS IM software .   Ke yw or d s :   Mult il evel topolo gy   Vo lt age  s ource  conv e rters   Modula ti on techn i qu e   R edu ce d de vice co un t      Copyright   ©   201 8  Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ibrah im  H ar una  Sh a nono ,    Faculty   of    Ele ct rical  an d El e ct ronics E ng i ne erin g,     Un i ver sit i M al ay sia  Pah a ng,   26600 Pe kan,  Paha ng, Mal ay sia .   Em a il : snn ibra him 01 @g m ai l. com       1.   INTROD U CTION   A   M ulti - le vel  I nverte r   (MLI )   can  m erely   be   descr i bed   as  a n  el ect rical   dev ic e  com pr isi ng  of  pow e r   el ect ro nic  s witc hes  ar ra ng e d  and   c ontr olled   syst e m at ic a ll y,   su c h  that  it   c onve rts  a  Dc  i nput  s ource  c om ing   from   either   ph otovo lt ai c  c el ls,  batte ries,  ca pa ci tors  et c .   int o  m ulti ple  ste pp ed  outp ut  volt age  wa vefor m   cl os e  to  a  sin usoidal   sign al .   Mult il evel  in ver te r   popula rity   is  du e  to  the  va rio us   a dv a ntag es   it   of fe re d  over  the   conve ntion al   s qu a re  wa ve  i nv e rter.   T he  c onve rter  m od ul ar  nat ur e  c ou pled  with  t he   ad van ce s  m a de  in   sem ic on duct or   te chnolo gy  ha s  broa den e d  up   i ts  us age  i n  hi gh   powe r  industrial   ap pl ic at ion s.  Mo re ov e r,   it   pro vid es  le ss  s witc hing  stress   on   power   s wi tc hes,   the refore   reducin g  swi tc hin g  l os ses  i n  the  ci rc uit  wh ic h  i m pr oves  the   syst e m   eff ic ie ncy.  It  re du ce d  ou t pu t  t otal  har m on ic   distor ti on  (T HD),   an d  e le ct r oma gn et ic   interfe ren ce  ( E MI)  m akes it s uitable  for  hi gh ly   sensiti ve a pp li cat io ns   [1 ] - [ 3].    Ba ker ' s  in  t he  m id  70 ' s  pr opose d  Ca sca de d  H - br i dg e   (C H B)  to po l og y  w hich  he  publis he d  in   a  patent  ti tl ed  ' Ele ct ric   powe r  c onve r te rs’   [ 4].  It  w as  the   first   in ver t er   to polo gy   to  gen e rates   m ulti ple  ou tp ut  ste ps  us in g  m or e  tha n  one  Dc  s our ce.  Lat er  in  t he   80 ' s,  they   pro po s ed  a nothe r  topolo gy  w hic h  is  po pu la rly   known  as  Neu t ral  po int  cl a m ped   co nv e rter  (N PC )  or   Diode  C la m ped   t opology.  The  be ne fit  of   this  topolo gy  over  t he   earli er  on e  is  it   us es  sing le   D C  so ur ce  with  add it io nal  diod es  and   capaci t or s  to  achie ve  higher  outp ut  vo lt ag e   ste ps .  I n  the  sa m e  ye ar,  N aba e  et   al .,   app li es  the  Pu lse  W i dt h  M odulati on  ( P W M )  co ntr ol   schem e   on   th e  NP C  topolo gy that pr od uces an  out pu t wit h  le ss harm on ic  d ist or t ion  [5]. Most o f  the r esearc h done in  the 80' s  wer e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Fiv e - Level   Single S ource  V ol tag e C onvert er  Co ntro ll ed Us in g Selec ti ve … ( Ib r ah i m Har una S hanono )   925   m or e   fo cuse d   towa rd s  t hr ee  le vel  conve rter  topolo gies,  but  la te r  in  the   1990s,  the  num ber   of   ste ps  was  increase d up to  six  le vels [6] .   In   t he  90 ' s,  a  ne w  to polo gy  w as  pro posed   by   Me ynar d  a nd  Fo c h,   w hich  w as  cal le d  Fly in g  Ca pa ci tor   (F C)  [7 ] .  It  ci rcu it   connecti o n  is  sim il ar  to  that  of   a  Diod e  C lam p,   on ly   that   the   diode s  wer e  rep la ce d   with   capaci tors.  O ne   of   the  ben e f it s  of   fly ing   c apacit or   ov e r  diode  cl am p  i s  it s  red unda nc y  pr ope rty .  It  can  gen e rate  a  pa rtic ular  ou t pu t  volt age  us in g  m ulti ple  switc hi ng  se qu e nces  [ 8].  Most   of  the   early   li te rature  w as   base d   on the a bove  t hr ee  m e ntion e d  t opol ogie s, w hich  m akes t hem   be  te r m ed   as cla ssic al  topolo gies.   Re centl y,  so m e  new   to polo gi es  wer e  devel oped ,  m os t  of   w hich  ar e  ap plica ti on   bas e  dri ve n.   T his   is  because   a  par ti cular  to po l og y  te nd s  to  be  m or e  eff ect ive  a nd  eff ic ie nt  in  a   sp eci fic  app li c at ion   an d  unsui ta ble  in  an oth e r  [9 ] ,   [ 10] .  He nce,  m aking   both  a cadem ia   and   i ndus try   t o  e xplore  m or e  to p ologies  that  s uits  a   par ti cula r  a pp li cat ion .   The  posit ive  im pact   MLI’s  are  m aking   at   do m est ic  and  ind us t rial   le vel  at tract s  m o re  researc h  interest   w hich   fo c us es  on  im pr ov in g  it s  topolo gies  an d  con tr ol  sche m e.  On e  m ajo r  MLI  lim it a tio n  is  th e   relat ion s hip   be tween  t he  nu m ber   of  c om po ne nts  an d  t he  volt age  ou t pu t  s te ps ,  wh ic h  is  sai d  to  be  i n  a  direct  pro portion  to   e ach o the r.  Th e r efore,  t he  ci r cu it   te nd s   t o  be  la rg e r  in   siz e,  co m pl ic at ed   an d  m or e  exp e ns i ve .  T o  ov e rc om e  this   lim i ta ti on ,  re searche rs  a nd  eng i neer s   are   dev el op i ng  ne w  to polo gies  with  reduce d  dev ic e     count  [11 ] ,   [ 12].   This  pa per   is  e qu al ly   par t  of  the  sam e  research ,  ai m ing   at   gen erati ng  m or e  ou tp ut  volt age   ste p  with   few e r  com pone nts.  T he  arti c le   us es  tw o  m odules  of   t he  H - br i dg e  i nver te r,   co nnect ed  in  pa rall el   and  bo t h  powe red  us i ng  a  sin gle  DC  s ource.   The   s ource  c ou l d  be  ei ther  batte ry,  ph otovo lt ai c  cel l  or  f uel  cel l.  T he   two  m od ules  are  con t ro ll ed  us in g  switc hing  an gl es  ob ta ine d  by   so lvin g  the  non - li near   tra nsc en den ta l  eq ua ti on s   gen e rated  t hro ugh  S HE - P W M  theor em ,  wh ic h  el im inate s  N - 1  ha rm on ic s ,  with  N   been   t he  num ber   of  switc hing  a ng l es .  Va rio us   te chn i qu e s  exist   for  s olv in g  s uc h  no n - li nea r  equ at io ns   t hat  has  se ver al   s ol utions  du e  t o  their   trigon om et ric  nat ur e  [13 ] ,   [ 14] .  Howe ver,  in  th is  pap e r,   a n  opti m ise d  ge netic   al gori thm   te chn iq ue   pro po se d  in  [15]  wa s  us ed  t o  get  the  opti m al   so luti on s  of   th e  switc hi ng   a ngle s.  T he   sel ect ive   property   of   SH E - te ch nique   is  e m plo ye d  wh e re  s om e  s el ect ed  lowe r  order   odd  non - triple n   ha rm on ic s  we re  el im inate d .  W hic h   furthe r  i ncr ease   the   ou tpu t   filt er  c ut  off   f reque ncy,  he nce  reduci ng   the  syst em   filter  siz e.  If   the  set   up  is  transfor m ed   in to   three  ph a s e,  it   is  exp ect ed   that  th e  outp ut  Triple n  harm on ic s  to  cancel   ou t  in  the  li ne - to - li ne  vo lt a ge.   T her e fore,  t his  pap e r  pr ese nts   a  sing le - phas e  five  le vel  c onve rter  c on t ro l le d  us i ng   t hr ee   SH E - P W M  c on tr ol   schem e.  The   stud y  dem on strat es  the  ef f ic acy   of   the  pro po se d  to po log y  an d  t he   G.A  op ti m isa t ion  te chn i qu e  used  in fin ding the  optim al  sw it ching angle s.       2.     M ATERI AL S AN D   METHOD S   2.1.      Pro po se d conver ter  topo lo gy  an d  circ uit  op er at io n s    Figure  1  sho w s  the  conver te r   top ol og y  us e d  to  achieve  the   five - le vel  out pu t  wa vefo rm .   The  ci rcu it   com pr ise s  of  t wo  H - bri dge  m od ules  co nnect ed  in  par al l el   and   both  supp li ed   by  a  sing le   Dc  s ourc e.  Th e   so urc e   co uld  e it her   be  a   ph oto volt ai c  cel l,  r ect ifie d  wi nd  e nergy,  f uel  cel l  or  li thium - ion   batte ries.  Th e  t w o  m od ules  com pr ise   of   ei gh t  powe r  el ect ronic  switc hes ,  with  each  ha vi ng   f our  s witc hes.   Eac h  m od ule  is  capab le   of  ge ne rati ng  three   outp ut  ste ps  (+ E,  0,  - E) .  T he  seco nd a ry  tra nsfo rm er  te rm inals  are  c onnect ed   in  series  with   eac h  oth er   an d  t he ir  res pecti ve  vo lt age s  V P2  and  V P3   a re  s ai d  to  a dd  up  acro s s  the  l oad.  W it h  pro per   s witc hi ng   f un ct io n,   t he   conve rter  is  capab le   of   ge ne rati ng   five  le vel  outp ut  wa ve form .   The  topolo gy   al so   offer s  add it ion al  sw it chi ng r e dunda nt s ta te , w hic h  c ou ld b e  used  in fa ult sit uations.           Figure  1. Pro pose d   t opology   inv e rter c onfi gurati on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   924   –   9 32   926   To  synthe siz e  the  vo lt a ge  wa vefor m   at   the  t erm inals ,  the  gating  sig nal  of  each  IG BT  ne eds  to  be  gen e rated   base d  on  t he  c al culat ed  switc hing  a ng le s.   T he  I GBT ’s  c ondu ct io n  sta te s  durin g  the   posi ti ve  an d  ne gati ve  half  cy cl e  in  bo th  H - br i dg e s  are  giv e n  in  Table   1.   H ow e ve r,   oth e r  re dunda nt  switc hing  s ta te s  can  as  well   be   exp l or e d  to  a ddress  switc hi ng  s tress  a nd  fai lure  rate  of   the   switc hing  de vi ces.  It  is  wort h  noti ng  that  s witc hes  on the  sam e le g  a re  op e rated   com ple m entari ly  to  av oid   sho rt - ci rc uiti ng  t he  d c  source .       Table  1 .   Sele ct ed  s witc hing c om bin at ion s                     2.2 .     Fi ve  le ve l 3/9 Ou tp u t v olt ag e  wa vefo rm desig n  an d  swi tching a ngl e calcula tion   The  m od ulati on  te ch nique  use d  in  a ny  conv erter  to po l og y  play ed  a  sig nif ic ant  ro le   in  th e  ob ta in e d  ou t pu t  wa ve for m   [1 6].  In   this  case,  sel ect ive  har m on ic   el i m i nation  te ch ni que  (SHE)  is  th e  m et ho d  to  be   us ed  to  ge ne rate  the   five - le vel  outpu t  volt age  wi th  3/ 9  a ngle   di stribu ti on   rati o.  Wh il e  try in g  to  ac hieve   th e  sai d  ou t pu t   le vel,  t he  powe r  el ec tro nic  s witc he s  are   co ntr olled   s uc h  th at   th e  ta rg et e d  sel e ct ed  har m on ic s  are   su ccess fu ll y  el i m inate d .  SH E   apar t  from   re du ci ng   T HD   i n  the  outp ut,  it   al so   m ini m i s es   el ect ro m ag netic   interfe ren ce  ( E MI)  a nd s witc hi ng  l os ses  in  t he  syst e m  [ 17 ] ,   [ 18] .   To  gen e rate  th e  wav e f or m   with  3/9   s witc hi ng   distrib utio n  rati o ,  a  r ough   sk et ch  of   t he   five - le vel  wav e f or m   is  init ia lly  m ade  usi ng   ar bitrary  va lues  of   s witc hi ng   an gles.  Fi gur e  2  de picts  a  rough  sk et c h  of   the   ta rg et ed  wav e form   with  the   assum ption   that  it   ob ey s  t he  quarter - wa ve  sy m m et ry   theo rem   with  twel ve   switc hing  a ngle s   ( 1    to  12 ) per  qu arter cycl e [ 18] .           Figure  2. Five   Levels  wav e f orm  w it h  3/9 dis tribu ti on  rati o       Ba sed  on  qu a r te r  wa ve   the ore m ,  sinusoi dal  sig nal  re su lt s   in  DC  a nd  e ven  har m on ic   com po ne nts   cancel la ti on ,  t he  out pu t  c ompone nts  co ntain  only   the  fun dam ental   and   odd  har m on ic s   [19].  T o  el im inate   ind ivi du al  h a r m on ic s , th e  fund am ental   com po nen t   nee ds t o  be  syst e m icall y con trolle d   durin g  the posi ti ve  and   neg at ive  half  cy cl es  at   sp eci fic  ang le s.  W it h  this  op e rat ion ,  t he  sel ect ed  lo wer   orde r  ( N - 1)   non - tr iple  har m on ic s  a re  el i m inate d , w he re  N  is t he  nu m ber  o f swit ch ing  a ngle s in  a  qu a rter  wa ve [ 14 ] ,  [ 17 ] .     Ther e f or e ,  t he   fo ll owin g  har m on ic s   5 ℎ , 7 ℎ , 11 ℎ , 13 ℎ , 17 ℎ , 19 ℎ , 23  ,   25 ℎ , 29 ℎ , 31  , 35 ℎ   order   a re  el im i nated  i n  the  outp ut.  T his  f urt her   s hifts  the  ou t pu t  filt er  cut  off  fr e quec y,  hen c e  re du c ing   th e   syst e m   fil te r  siz e.  If   the  topolo gy  is  transf orm ed  to  three  ph ase ,  it   is   exp ect ed  that   the  ou tp ut  tr iplen   har m on ic s  will  cancel  ou t  in  t he  li ne - to - li ne vo lt age .    The  F ourier  s eries  ex pan si on  of  the  fi ve - le vel  wav e f orm   in  Figu re  2  is  ge ner at e d  us i ng   t he   expressi on s  [2 0].        (  ) = ∑     ∞ n = 1 sin (  )                                                                                                                                  ( 1 )                Vo ltag e   Switch in g  states       S 1   S 2   S 3   S 4   S 5   S 6   S 7   S 8     0   1   0   1   0   1   0   1   0   +E   1   0   0   1   1   0   0   1     0   0   1   0   1   0   1   0   1   - E   0   1   1   0   0   1   1   0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Fiv e - Level   Single S ource  V ol tag e C onvert er  Co ntro ll ed Us in g Selec ti ve … ( Ib r ah i m Har una S hanono )   927   Wh e re         = 4 π ∑ ( − 1 ) + 1 cos ( ) = 1                                                             ( 2 )                       for odd  value s  of n         = 0                                                                                                                                                                     ( 3 )           f or   a ll   va lue   of   n   α K   De no te s  the s witc hing a ng le s and m os t sat isfie s the  r el at io ns hi p,     1 < 2 <……< < π 2                                                                                                                                                             ( 4 )                       E  is  the  i nput  dc  s upply  volt age,    N   is  the  s witc hing  a ng le s  pe r  qu a rter  w ave ,   n   is  t he  odd  ha rm on ic   order ,    w   is t he  angu la r  f re qu e ncy,    t   is  tim e.   Si m plifyi ng   E q uatio n   ( 1 )   an d  ( 2 )   The  am plit ud e   of   t he  f undam ental   an d  no n - t riplen  odd  ha r m on ic  com po ne nts  in   the  fi ve - le vel  outp ut  wa vefor m   is  represe nted   by  the   non - li near  tra nsc end e ntal  eq ua ti ons   giv e n  in  E q uati on   ( 5 )   and  ( 6 ) :     ℎ 1   =  4 ∗ E π { cos ( 1 ) − cos ( 2 ) + … … . . ± cos ( 12 ) }                                                                                           ( 5 )     ℎ 1   =   4 ∗ E n π { cos (  1 ) − cos (  2 ) + …   ± cos (  12 ) }                                                                                      ( 6 )     The  am plit ud e  of   the  f unda m ental   co m pone nt  is  co ntr olled   by  the  m o du la ti on  in dex  (M)  an d  is   giv e n by the  ex pr essi on.     Modula ti on In dex (M )  =  ℎ 1   E                                                                                                                                     ( 7 )   Fo r  all  n =  1               Wh il e M= 0  f or   al l n  +  1     Hen ce , usin g  E q uatio n   ( 5 ) , ( 6 )    an d  ( 7 )   t he non - li near  t ran sce ndental   equ at io ns ca n  be  e xpresse d   a s:       cos ( 1 ) − cos ( 2 ) + cos ( 3 ) − + cos ( 11 )   − cos ( 12 )   =  M π 4                                                        ( 8 )     cos ( 5 1 ) − cos ( 5 2 ) + cos ( 5 α 3 ) − . . + cos ( 5 11 )   − cos ( 5 12 )   = 0                                                     ( 9 )                                                          :                                                          :   cos ( 35 α 1 ) − cos ( 35 α 2 ) + cos ( 35 α 3 ) − . . + cos ( 35 α 11 )   − cos ( 35 α 12 ) = 0                                             ( 10 )     The  ab ov e  tra ns ce nd e ntal  eq uations  are  so l ved   to  fi nd   th e  app r oxim at e   so luti on   of   th e  switc hin g  ang le s ,  capa ble  of   el im inatin g  the  sel ect ed  lowe r  or de r  har m on ic s.   Given   t he  nonlinea rity   and   th e   trigon om et ric  con te nt  of   t he   eq uatio ns ,  fin ding  th e  s olu t ion   u si ng  sta ndar d  m at he m a ti cal   so luti on  i s  not   po s sible  beca use   m ulti ple  so luti ons  exist.  T her e fore,  to  ge t  the  op ti m a l  values ,  a  hybri d  ge netic   al gorithm   pr ese nted  in  [15]  was  us e d  to   find   the  s olu ti on .  The  te ch ni qu e  us es  dif fere nt  values   of   overm odulati on   in de x  (M)  t o  fi nd   the   so l ution s   f or the s witc hing a ng le s   α 1 , α 2 , …, α 12 .     2.3 .     Module  t ermi na l  vo lt ages d esi gn a n d gat in g si gna ls gener at i on     Figures  3a  an d  3b  are  t he  exp ect e d  wa ve form s  at   the  te rm inals  of   m odule  1  a nd  2  with  their   corres pondin g  gating  si gn al s .   The  te rm inal  vo lt age s  ad d  up  to  ge ner at e  the  five - le vel  outp ut  vo lt a ge  acro s s   the  load.   Bot h  the  te rm inal  and   gatin g  sign al s  wer e  ge ner at ed   base d  on  th e  switc hin g  c om bin at ion s  pr e sented   in  T able  1.   As  seen,  the  m ajorit y  of   the  notc hes  com es  fr om   the  f irst  m o du le .  Howe ver,  the  researc h  work   is   no t afte r  analy sing  the  powe r - sh a rin g  an d  s witc hing stress  in  the syst e m .  Its p rim ary ta r get is to e m plo y SHE - m od ulati on   te chn i qu e  us in g  le ss  nu m ber   of   dev ic es/ c om po nen ts  to  a chieve  higher - le vel  ou t pu t  w it h  le ss  o ut pu t  TH D. T her e fore,  b al a nc ing  t he  s witc hi ng   stress a nd  powe r  tra ns fe r i s outsi de  the  s cop e  of t his p a per.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   924   –   9 32   928         (a )   M odule  1  t erm inal vo lt ag e ( V1)  a nd g at i ng  sign al s     ( b)   Mo dule   2  t erm inal vo lt ag e ( V2)  a nd g at i ng  sign al s     Figure  3.   Desi gn e d  c onve rter   te rm inal vo lt ages          3 .        RESU L TS A ND DIS CUSSIO N    3.1.     Swi tc hin g An gles S oluti on s   The  ge ner at e d  equ at io ns   as  sta te d  earli er  wer e  s olv e d  usi ng   an  op ti m i sed  ge netic   alg ori thm   with     M=   3.2.  The   s olu ti on  pro vide s  12  s witc hing  a ng le s  a s  s how n  i n  Ta ble  2.   T he  rem ai ni ng  switc hi ng  a ng le s   wer e  ob ta i ned  us in g  qua rter   wav e  sym m etr y.  Thes e  an gl es  are  dire ct ly   fed   int o  the  PSI M  s of t ware  pu lse   gen e rato rs  t o  pro du ce   a  50H z  gatin g  sig nal.    With  t he  a ppr opriat e  gate  pu lse ,  te rm inal  volt ages   an d  gatin g  sign al s  sim il ar  to  the  ones  in  Figure  3a  a nd  3b   a re  ge ne rated .  T he  te rm inal  vo lt ages  a dd  up   ac ro s s  the  load  t o  pro du ce   a  five - le vel  ou t pu t   wav e f or m   with  3/9  distri bu t ion   rati o.  D ep end i ng  on  the  har m on ic   c oeffici ents   us e d  in  the tr an scen den ta l e quat ion , 1 1  sel ect ed harm on i cs  a re eli m inate d   f ro m  the con vert er output.    The  com pu te d  ang le s  a re  co nverte d   into  the   tim e  do m ai n,   wh ic h  is  then  pro gr am m ed  us ing   C  on  a   m ic ro co ntro ll e r  to  g e ner at e  th e pulsat ing si gnal s.                                                                         Ta ble 2 .   F ive   le vel  Vo lt a ge  le vel  3/ 9  M I = 3 . 2   s/n     0 - 90   1   1 3 .40 2 4 6   2   1 5 .67 5 6 7   3   1 9 .61 6 8 1   4   3 5 .50 0 0 1   5   3 7 .80 6 7 3   6   4 6 .26 1 3 6   7   4 8 .24 7 9 7   8   5 4 .85 4 8 1   9   5 8 .37 7 5 2   10   6 1 .01 3 1 3   11   8 3 .87 1 2 8   12   8 6 .01 9 3 0       3.2 .      Sim ul at i on   Resul ts   The  pro posed   topolo gy  m od ular  te rm inal  vo lt age   wa ve f or m s  VP2  a nd  VP3,   to gethe r  wit h  thei r   corres pondin g  IG BT   co ntr ol  sign al s,   are   s how n  i n  Fi g ure   4a  a nd  4b,  re s pecti vely .  Bot h  vo lt ag e  waveform s   look  the  sam e  with  the  pre - s ke tc hed   patte r n  pr ese nted   in  t he   m e tho dolo gy   sect ion .   Th e  ga ti ng   sig nals  f or   t he  ei gh t  I GBT’s  are  switc he d   in  co nfor m it y  with  the  com pu te d  an gles  an d  the  volt age  s witc hing  com bin at io n  giv e n  in  Ta ble  1.                                                   Figure  5 a   sho ws  t he  five - le vel  f undam ental   outp ut  volt age  wavef or m   a cro s s  a  resist ive  l oad.  T he   fun dam ental   vo lt age   is  c ho pp e d  seve ral  tim es  at   a   pre - cal culat ed  s witc hing  point ,  sat isfyi ng  th e  3/9  distrib ution  rat io  as  s ketc hed  in  Fig ure  2.   N ote  that  t he  ou t pu t  volt age  ac r os s  t he  loa d  is  expresse d   as   th e  su m   of  both   tra nsf or m er  sec onda ry  side   vo lt ag es  V P1 =  2 +    3 ).   Fi gure  5b  dep ic ts   the  outp ut  waveform   al ong  with  a  su pe rim po sed  sinu s oid al   wa vefor m   and   t he   ou t put  cu rr e nt  in  the   lo we r  pl ot.  D ue  t o  high  har m on ic  c on t ent,  bo t h vo lt a ge  a nd curre nt  do e s  no t cl os el y fo ll ow t h e  pure s ine wa ve pa tt ern .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Fiv e - Level   Single S ource  V ol tag e C onvert er  Co ntro ll ed Us in g Selec ti ve … ( Ib r ah i m Har una S hanono )   929         ( a)   M odule 1  ( VP2) wit h gati ng sig nal     (b)   Mo dule 2 ( VP3) wit h gati ng sig nal          Fig ur e  4.   Si m ula te d  Co nv e rter Te rm inal Vo lt age         (a)                                                                                               (b )   Figure  5.   The   pro po se d five - le vel w a ve form       Figure  6  s how s  the  Fast  Fo ur ie r  transfo rm   ( FFT)   of   the  pr opos e d  five - le vel  ov e r  the  ra ng e  of   5  KH z   at   li gh t  loading.  From   the  sp ect ru m ,  SH E - P WM  su ccess ful ly   e lim inate s  al l  the  11   sel ect ed  lowe r  ord er  od d  non - triple n har m on ic s that l ie s w it hin  1.75  KH z  (35th )  ra nge, leavi ng   behi nd  the triple ns (3 r d,   9th , 1 5th, 2 1st ,  27 t h,   33rd).   T he  first  do m inant  non - triple n  har m on ic   vis ible  is  the  37th  ( 1.85   K Hz),   and   t he  sp ec trum   beco m es f ull  of  har m on ic s af t erw a rds,  he nce , co m plyi ng   wi th the c ontr ol fun ct io n  em ploy ed.           Figure  6.   FFT   Sp ect r um  o f  th e  five - le vel   wa vefor m     Howe ver,  sinc e  the  ha rm on ic s  are  at   a  hi gh e r  f reque ncy,  a  sm a ll - siz ed  low  pa ss  filt er  ca n  be  us e d  t o  el i m inate   them .  To  dem on str at e  this ,  an  L C  filt er  is  design e d   f or  the  c ircuit .  Fig ur e  7a  sho ws  the  filt ered  ou t pu t   volt age   wa vefo rm   and   t he  c urren t   a t  fu ll   l oad.  B ot h  w aves   lo ok   cl os e r  to   a  pu re  si new a ve  t ha n  t he   unfilt ered  wa ve   presente d  i n  F igure  5b.  Fig ur e   7b  is  t he  F FT  of   t he  filt ered   wav e f or m ;  i t  app ea rs   to  ha v e  le ss   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   924   –   9 32   930   har m on ic   c on t ents  with  T H D   of  4.65%  c ompare d  with   the  unfilt ered  FFT   in  F ig ur e   6.  H ence,   the  t opol og y  i s   sai d  to  sati sfy the  IEEE T H D st and a rd r e quir e m ent o f  less t han 5% .             (a)   Fil te red   outpu t  wa vefor m     (b)  F FT     Figure  7. Pro pose d  to polo gy       This  co ntro l  te chn i qu e  is  su it able  for  3 - pha se  app li cat ion s ,  wh e re  the  triple n  ha rm on ic s  are  sai d  to   cancel  eac h other i n  t he  li ne vo lt age s.     3.3 .   C ompari s on   between  Con vent i onal  and Pr oposed  top ology   The  co nv e nti on al   H - bri dge   top ol og y  an d  the  pro po s ed  has  the  s a m e  nu m ber   of   switc hing   com po ne nts;  they   diff e r  in  the  nu m ber   of  input  Dc  sources  a nd   the   switc hing  functi on   in volve d.   I n  conve ntion al ,  the  num ber   of   input  sources  i ncr ease s  with  increase  in  ou t p ut  le vels,  whereas,  the  propose d  topolo gy  us es  sing le   Dc  s our ce  irresp ect iv e   of   the  nu m ber   of   outp ut  le vels.    Figure  8a   is  the  conven t ion al   ou t pu t  volt age  and cu rr e nt  wa vefor m s,  w hile 8 b  is t he ou t put v oltage  FFT  w it h TH D of  9.46%.    The  T H D   of  t he  propose d   ( 4.65%)  at   t he  sam e  ou tpu t  powe r  is  le ss  t ha n  that  of  the  conve ntion al   (9.46% ),  a nd it  can  e ve n be  ve rifiable  by  physi cal  assessm ent of  both  wa vefor m s o f   F ig ur es  7 an d 8.           (a)   Fil te red   outpu t  wa vefor m      (b)   F FT     Figure  8. Co nventional t opol ogy       Usu al ly ,  total   har m on ic   distor ti on  ( TH D )  of  a n  in vert er  dec reases   with  inc reas e  in  outp ut     powe r  [18].  Figure  9a  re pres ents  the  TH D  vs   outp ut  pow er  curves  of   bo th  the  two  to polog ie s.  T he  axi s  to  the   le ft  represe nts that  of  the p r opose d  t opolog y  wh e reas  the   r igh t  a xis  is  f or the  co nventio na l  topolo gy.  F r om   the   gr a ph, b oth  t opologies e xh i bit t he  fun dam ent al   pro per ty  of  decr easi ng T H D wit h  a n  inc r ease i n o utput  powe r.   Figure 9b  s hows  th e  ef fici en cy   vs  outp ut  powe r  plo ts f or  the  tw o  to polo gies.  B oth   c urv es  co nf orm   to   the  sta ndar d  in ver te r   ef fici enc y  curve  that  ini ti al l y  raises  fro m   zero   to  a  high  val ue  befor e  it   then  sta bili s es   a s   the  outp ut  loa d  inc reases.  T he  pro pose d  to po l og y  has  bet te r  eff ic ie ncy  t han   t he  co nve ntion al   at   al l  loadi ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Fiv e - Level   Single S ource  V ol tag e C onvert er  Co ntro ll ed Us in g Selec ti ve … ( Ib r ah i m Har una S hanono )   931   le vel.  The  av erag e  ef fici en cy   value  for  the  conve ntio nal  and   pro pose d  sta nds  at   49 . 2%  an d  99.1%  resp ect ively .  The  diff e re nc e  translat es  t o  ove r  10 0%   i m pr ovem ent   in  ef fici ency  with  re sp ect   to   the   conve ntion al .  This   furthe r  a scertai ns   t he  viabili ty   of  th e  pro posed   to po l og y  an d  t he   S H E  m od ul at ion  te chn iq ue e m pl oyed.           Figure  9.   (a )   T HD Com par iso n   Figure  9 .   ( b)   E ff ic ie ncy C omparis on       4.   CON CLUSIONS     A  five - le vel  m ul ti le vel  conver te r   us in g  ca scade d  H - br i dge  to polo gy  with  a  si ng le   DC   input  s ourc e   and  m ulti - wind in g  tra nsfo rm er  was  desig ne d,   sim ulate d,   and  vali dated.  T he  repor te d  c onve rter   ad dr e ss ed  th e   issue  of  co nve rter  siz e  by  us i ng  sin gle   Dc  s ource  t o   sy nthe sise  a   fi ve - le ve l  outp ut  volt age  wavef or m s,  he nce   el i m inati ng   th e  nee d  f or  m ulti ple  source s .  Ba sed  on  th e  res ult  ob ta i ned,  it   sho ws   SH E - P WM  has  the   capab il it y  of   e lim inati ng   sel e ct ed  har m on ic s  by  add i ng   s om e   no tc hes  to  the  f undam ental   com po ne nt   at   a   sp eci fic  pr e - de te rm ined  a ngle .  T he  c ontrol   f un ct io n  us e d  ta rg et s   od d  non - triple   lo we r  har m on ic s,   wh ic h  m akes  it   su it able  f or   t hr ee   phase  a pp li cat io ns   wh e re  tri plens  ca ncels  out  in  the  li ne  volt age.  In  ad di ti on   t o  th at ,  the  co nverter  is  com pact,  has   le ss  s witc hing  stres s  and   heat  dis sipati on   ca us e d  by  ha rm on ic s.   Thi s   resu lt s  i n   a   r edu ct io n   in   c oo li ng  re qu ire m ents.  Th us,  translat es  to   le sser  siz e ,   we igh t,  pro duct ion  a nd   m ai ntenan ce c os t.    The  pr opos e d  topolo gy  has  sa ti sfied   the  bel ow  5%  T H D  le ve l,  wh ic h  is  on e  of   the  reas on  it   has  high   eff ic ie ncy.  All  the  ab ove  feat ur es   m ake   the  conve rter  s uitable   an d  at tract i ve  to   ap plica ti on s   w he re  reli abili t y  and ef fici ency  are  of   utterm os t im po rtance .       ACKN OWLE DGE MENTS     This  wor k  is s up po rted   by the   Faculty  of Elec tric al  an d El ect ronic E ng i neeri ng ,  Unive rsiti  Mal ay sia   Paha ng (UMP) .       REFERE NCE S   [1]   R.  Pala nisam y,   K.   Vij ay ak uma r,   D.   Sel vabh arathi   “ MSP W M   Ba sed  Im ple m entat ion   of  Novel  5 - le vel   Inver te r  with  Photo vo lt ai c  S yst e m ”,  In te rnati onal  J ourna l  of  P ower  El ect ro nics  and  Drive  Systems ,  vo l. 8, N o.4, p p. 14 94 - 1502, D ec. 20 17.   [2]   Sh a nono,  I.  H . ,  A bdullah ,  N.  H.,  M uh am m ad,   A., “  9 - Lev el   Vo lt a ge  S ou rce  I nverte r  C on t ro ll ed   Usi ng  Sele ct ive  Harm on ic   Elim ina ti on ”   I ntern ational  Jo urna l  of   Power  Ele ct ro ni cs  and  Driv e  Systems ,  Vo l .   9,   N o.   3, pp.  1251 - 12 62,  Sep t., 20 18 .   [3]   Shanono ,   I .   H. ,   Abdulla h ,  N.  H . ,   Muham m ad,   A., “   A Surve y   of  M ult ilevel Volt age Source   Inve rt er Topol ogie s ,   [4]   Control s a nd  Applicati ons ”   In te r nati onal  Journal   of  Powe r E le c tronic s and  Dr iv e Sys te ms ,   Vol.   9 ,   No.  3,   pp.   1186 - 1201,     Sept. ,   201 8 .   [5]   Bake r, R.   H. ,   an d  Banni st er,  L .   H.,   “ Elec t ric po wer  conv ert er ”,  U.S.  Pat ent   3   86 7  643,   1975.   [6]   Naba e,  A.,  T akahashi,   I . ,   and  Ak agi ,   H.,  “ A  neutral - poin t - clam pe d  PW M  inve rte r ”,   in  Proc .   Con f.  Rec.   I EEE  IAS   Ann ual  M ee t . ,   C inc inn at i ,   OH ,   US A,  pp.   761 – 766 ,   1980 .   [7]   Choi,   N.S.,   Cho,   J.G.  and  Cho,   G.H.,   "  A  gene ral   ci r cui t  topo lo g y   of  m ult ilevel  inve rte r  ",  in    2 2nd    IEE E  Proc .   Powe r E le c tron. Spec .   Conf . ,   Ca m bridge ,   MA ,   U SA ,   pp.   96 – 103 ,   1991.   [8]   Me y na rd,   T.  A.,  and  Foch ,   H. ,   “ Multi - le v el  conv ersion:   High   vol ta ge   choppers   a nd  voltage - sourc e  inv ert ers ”,   in     Proc.   I EEE  P ower  Elec tron .   Spe c.   Conf . ,   To le do ,   Spain, pp. 397 – 403,   1992 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   924   –   9 32   932   [9]   Rodrigue   et   al.,  "  Multi le vel   C onver te rs:  An  Ena bli ng  Technol og y   for  High - Pow er  Applic atio ns  " ,   in    IEE E  Proce ed ings ,   pp .   1786 - 1817,   200 9.   [10]   G.  Ram y a ,   R.   Ramapra bha ,   “  A  Revi ew  on  Design   and   Control   Methods  of  Modular  Multi l eve l  Conv erter”           Inte rnational   Jo urnal  of Powe r  El e ct ronics  and   Dr iv e  Syst ems ,   Vol.   7 ,   No.   3,   pp .   863 - 871 ,     Sept.,  2016 .   [11]   R. A.   Krishna ,  L. P.  Suresh ,   " A  Brie f  Revi e w  on  Multi - Level   Inve rt er  To pologi es " ,   in   2016  Inte rnation al  Confe renc e  on   C ircui t ,   Pow er  an d  Computing  Te chnol ogi es  ( ICCPCT ) ,   Nage rco i l ,   Indi a ,  pp.   1 - 6,   2016 .   [12]   Ebra himi,   J.,   B a bae i ,   E .   and   Ghare hpe ti an ,   G.B . ,   “ A  new  m ult ilevel   conve r te r  t opolog y   with    r educ ed   num ber   of  power  elec troni c   components”   , I EE E   T Ind Elect ron ,   Vol.   59,   no.   2,   pp.   655 - 667,   2012.   [13]   Kanga rlu,  M.  F.,   and   Bab ae i ,   E.,  “ A  genera li z ed  c asc ad ed  m ult il evel  inve r te r  using   serie s   connect ion   of   subm ult il eve l   in ver te rs” ,   I EEE  T   Powe r  Elec tron. ,   vol .   28 ,   no .   2 ,   p p.   625 – 636 ,   201 3.     [14]   Ozpine c i,   B. ,   T olbe rt ,   L. M .   and   Chia ss on,   J.N.,  ”  Harm onic   opti m isat ion  of  m ult ilevel   conve r t ers  using  gene tic   al gorit hm s”,   IE E E    Powe r  El e ct r on  Lett .   ,   Vol .   3 ,   no.   3 ,   pp .   92 – 95 ,   200 5.   [15]   Chia ss on,   J.N. ,   Tol ber t,   L. M. ,   McKenz ie,  K.J . ,   and  Du,   Z.,  "A   New Approa ch t o  Solving  th e  Ha rm onic   Elim ina tion   Equa ti ons  for  a   m ult il evel  Con ver te r  ",  in  38t h  IAS  Annual   Me eting  on  Confe renc e  Record  of  the   Indust ry   Appl ic a ti ons Co nfe renc e ,   Salt L a ke  Ci t y ,   US A,  pp.   640 - 647 ,   200 3.   [16]   Moham m ad,   D.S.A. ,   . Ageli s,   V.G.,   R a ,   M.V.C.,  “ H y brid   Gene t ic   Algori thm .   A ppro x .   for  Se le c ti ve .  Harm oni c .   Control ” ,     Ene rg y.   Con ve rs .   Man age.   ,   Vol .   49 ,   n o .   2 ,   pp .   131 - 14 2,   2009 .   [17]   El ta n ta w y ,   A.  B . ,   El - Sa ada n y ,   E.  F.  and  Sala m a,   M.  M.  A.,   "M ultile v el   inverter   in te rfa ce   of  distr ib ute d  gen era t ion  source s  for  m edi um   volt age   d ist ribut ion  n et wor ks" ,   in  24th  Ca nadian  Confe re nce   on  El e ct ric al  and  Compute r  Engi ne ering( CC ECE ) ,   Niag ara Fal ls,   Can ada ,   pp. 223 - 228,   2011 .   [18]   Shanono ,   I. H. ,   Multi - le v e l  Con ver te r  The   Futur e  of  Ren ewa ble  Ene rg y ,   La m ber t  Aca demic   Publ ishing,   pp.   22 - 4 4,   2012.   [19]   Shehu,   G.S.,   K un y a ,   A.B.,  Sha nono ,   I. H.    and   Yalc ino z,   T . ,   “ A  Revi ew  of  Multi l eve l  Inv erte r  Topol og y   and  Control   Te chn iq ues” ,   Journal  o f Aut omation   and  Control  Engi n eer ing ,   Vol.   4,   No.   3,   pp.   233 - 241,   2016.     [20]   Praba har an ,   N.,  Pala nisam y ,   K.,   "A   comprehe nsive  rev ie w  o n  red uce d  sw it c h  m ult il evel  in ver te r  topo logi e s  m odula ti on  te ch nique s a nd   app lications" ,   R ene w able   and   Sustain able   Ene rgy   Rev ie ws ,   vo l. 76, pp. 1248, 2 017.   [21]   Aw ai s,  M.,   Il y as ,   H.,   Younus ,   H.   B. ,   Raza,   M.  A. ,   and  Abbas,  T . ,   "O pti m al   sw it chi ng  angl es  for  m ini m iz at ion  of   tot al   har m oni c  distort ion  in  single   phase   ca sc a ded  m ult il ev el   i nver te rs" ,   in  20 16  19th  Inte rnational   Mult i - Topi c   Confe renc e  ( INMIC) ,   Islamab ad ,   Pakist an, pp. 1 - 6,     2016.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.