I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   20 ,   N o .   2 N o v e m b e r   20 20 ,   pp.   948   ~   95 9   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 20 .i 3 . pp   948   -   9 59             948       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   A n a l y si s   o f   a   s w i t c h i n g   a n g l e   c a l c u l a t i o n   b y   A N N   f o r   n i n e   l e v e l   i n v e r t e r   a p p l y   i n t o   e x p e r i m e n t a l   c a se  st u d y   w i t h   e l i m i n a t i o n     o f   l o w e r   a n d   h i g h e r   o r d e r   h a r m o n i c s       M o h amm e d   R as h e e d ,   R o s l i   O m ar ,   M ar i z an   S u l ai m an ,   W ah i d ah   A b d   H al i m ,   M o ataz   M . A .   A l a k k ad   U ni v e r s i t i   T e k ni k a l   M a l a y s i a   M e l a k a ,   F a c ul t y   o f   E l e c t r i c a l   E ng i ne e r i ng ,   M a l a y s i a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e F e b   22 ,   2 0 20   R e v i s e A pr   2 4 ,   2020   A c c e pt e M a y   8 ,   202 0       T hi s   p a pe r   c o nf e r s   a i nv e s t i g a t i o o f   a   S e l e c t i v e   H a r m o ni c   E l i m i n a t i o ( S H E )   t e c hni que   h a s   g a i n e w i de   a c c e pt a nc e   f o r   m a n y   A C   dr i v e   a ppl i c a t i o ns ,   due   t o   a   h i g he r   D C   bus   v o l t a g e   u t i l i z a t i o ( h i g he r   o ut p ut   v o l t a g e   c om pa r e w i t t he   S i n us o i da l   P ul s e   W i dt h   M o dul a t i o ( S P W M ) ,   l o w e r   ha r m o ni c   di s t o r t i o ns   a nd  e a s y   di g i t a l   r e a l i z a t i o n.   I r e c e nt   y e a r s ,   t he   S H E   t e c hni q ue   w a s   e xt e ns i v e l y   a do pt e i m ul t i l e v e l   i nv e r t e r s   s i nc e   i t   o f f e r s   g r e a t e r   n um be r s   o f   s w i t c h i ng   f o r   o bt a i ni ng   f ur t he r   i m pr o v e m e n t s   o f   A C   dr i v e   p e r f o r m a nc e s .   N e v e r t h e l e s s ,   t he   us e   o f   S H E - a s s o c i a t e m ul t i l e v e l   i nv e r t e r s   w i l l   o pt i m i z e   t he   s w i t c hi ng   a ng l e s   ba s e d   o A r t i f i c i a l   N e ur a l   N e t w o r ks   ( A N N )   c o m pa r e w i t h   P a r t i c l e   S w a r m   O pt i m i z a t i o ( P S O )   t o   r e duc e   t h e   T o t a l   H a r m o ni c   D i s t o r t i o ( T H D )   o f   t he   m o di f i e C H B - M L I   o ut put   v o l t a g e   w i t hi pe r m i s s i bl e   l i m i t s .   T he   m a i o bj e c t i v e s   o f   t hi s   pa p e r   a r e   t he   de s i g a n t e s t i ng   o f   t he   C H B - M L I   m o di f i e t o po l o gy   l a bo r a t o r y   f o r   a   ni ne - l e v e l   s i ng l e - ph a s e   pr o t o t y pe .   A l s o   de m o ns t r a t e w e r e   t h e   e xpe r i m e nt a l   e f f e c t s   o f   us i n g   D i g i t a l   S i g na l   P r o c e s s i n g   ( D S P )   T M S 32 0F 28 12  i n t o   a   p r o t o t y pe .   T he   c o nt r o l s   w e r e   a p pl i e d   t o   t he   m o di f i e d   m ul t i l e v e l   i nv e r t e r ,   ba s e o A N N   a nd  P S O .   T he   p r o po s e c o nt r o l l e r   w a s   t he c o de o nt o   a   bo a r o f   D S P   T M S 320F 28 12.   C o m pa r e w i t h   t he   P S O   m e t ho d,   t he   i nv e r t e r   g i v e s   f e w e r   T H D   u s i ng   A N N   s c he m e   Ke y w or d s :   ANN   D i gi t a l   s i g na l   p r o c e s s o r   D S P   H a r m o ni c s   M o di f i e m ul t i l e v e l   i n v e r t e r s   C opy r i gh t   ©   20 20   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .   A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   M o h a m m e R a s h e e d,     U n i v e r s i t i   T e kni ka l   M a l a y s i a   M e l a ka ,     F a c ul t y   of   E l e c t r i c a l   E n g i n e e ri n g,   I ndus t r i a l   P o w e r ,     76100  H a n g   T ua J a y a ,   D u ri a T u n gg a l ,   M e l a ka ,   M a l a y s i a .   E m a i l :   r a s h e e d@ u t e m . e du . m y       1.   I N TR O D U C TI O N     T h e   M ul t i l e v e l   i n v e r t e r   c a n   b e   r e duc i n t h e   s w i t c h i n a n gl e   a n c o s t   fo r   c o m po n e n t s .   T h e   c o n t r o l   s t ra t e gy   t e c hn i que   a p pl i e s   i n   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   h a v e   b e e n   opt i m i z e t h e   s w i t c h i n a n g l e   b a s e o n   A r t i f i c i a l   N e ur a l   N e t w o r (A N N ),   P a r t i c l e   S w a r m   O pt i m i z a t i o n   (P S O a nd  G e n e t i c   A l go ri t hm   (G A i n   o r de r   t o   r e duc e   t o t a l   ha r m o n i c   di s t o r t i o n   ( T H D w i t h   hi g h   qua l i t y   s y s t e m   [1 - 5] T h e   v o l t a ge   s o ur c e   i n v e r t e r   di s c us s e a b ove   r e s t r i c t s   t h e   o ut put   v o l t a ge   t o   t w o   s t a ge s ,   i . e .   (+   V   dc )⁄2  a nd  ( - V   dc )⁄2,   s o   t ha t   i t   i s   c o n s i de r e a   t w o - l e v e l   i n v e r t e r.   D ue   t o   t h e   l i m i t e v o l t a ge   b l o c ki n c a pa c i t y   of   t h e   po w e r   s w i t c h i ng  de v i c e s ,   t w o - l e v e l   i n v e r t e r s   pr e s e nt   c e r t a i n   di s a dv a nt a ge s ,   e s pe c i a l l y   fo r   h i g h - po w e r   m e di um   v o l t a ge   a ppl i c a t i o n s .   A ddi t i o n a l l y ,   i n   t h e   t w o - l e ve l   i n v e r t e r,   t h e   r a t e   of   c h a n ge   i n   o ut put   v o l t a ge   c r e a t e s   s ub s t a nt i a l l y   h i g h e r   s t r e s s   o n   t h e   s w i t c h i ng  de v i c e s .   T h e   m o s t   f r e que n t   a pp r o a c h   t o   t h i s   do w n s i de   i s   t he   us e   of   m ul t i l e v e l   i n v e r t e r s   w h e r e   m a n y   pow e r   s w i t c h e s   a r e   a t t a c h e i n   s e r i e s .   M a n y   a t t r a c t i v e   fe a t ur e s   c a n   b e   pr o v i de by   u s i n m u l t i l e v e l   i n v e rt e r s   s uc h   a s   hi g h e r   v o l t a ge   pow e r ,   l o w e r   dv dt ,   s m a l l e r   f i l t e r   o r   e v e n   n o   o ut put   f i l t e r,   a n b e t t e r   o ut put   v o l t a ge   w a v e fo r m   qua l i t y   w i t h   l o w e r   T H D   c o m pa r e t o   a   t w o - l e v e l   o ut put .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A nal y s i s   of   s w i t c hi n a ngl e   c al c ul at i on  by   A N f or   n i ne   l e v e l   i nv e r t e r   app l y   i n t o…   ( Moham m e d   R as h e e d )   949   F o r   c e rt a i n   c a s e s ,   m u l t i - l e v e l   us a ge   o f f e r s   a   t ra ns f o rm e r - l e s s   s o l u t i o n,   r e d uc i ng  po w e r   l o s s ,   w hi c h   i s   a e s s e nt i a l   re q u i r e m e nt   p a rt i c u l a rl y   f o r   hi g h - po w e r   a p p l i c a t i o ns .   B e c a us e   o f   i t s   a dv a nt a ge s   t he   l i t e ra t u re   ha s   s ug ge s t e m a n y   t o po l o gi e s   o f   m u l t i l e v e l   i n v e rt e rs .   T h e   m o s t   p o pu l a r   t y pe s   o m u l t i l e v e l   i n v e rt e r s ,   h o w e v e r,   a re :   D i o de   C l a m pe o r   N e u t ra l   po i nt   c l a m pe m u l t i l e v e l   i nv e rt e rs ;   C a p a c i t o r   c l a m pe o r   f l y i ng  m u l t i l e v e l   i n v e rt e rs ;   C a s c a de m u l t i l e v e l   H - b ri d ge   i n v e rt e rs   [3 - 1 0] .   T he   t o po l o g i e s   o f   m u l t i l e v e l   i nv e rt e rs   a b o v e ,   t he   n e u t ra l   po i nt   t o po l o gy   ut i l i z e s   d i o de s ,   w hi l e   t h e   f l y i ng  c a p a c i t o r   t o po l o g i e s   ut i l i z e s   c a p a c i t o r s   f o r   c l a m p i ng  t he   v o l t a ge   l e v e l s .   T h e s e   t o po l o g i e s   ha v e   a   m a j o r   d ra w b a c k n o w a s   i m b a l a nc e   c a p a c i t o r s   v o l t a ge s   ( i . e .   v o l t a ge s   o f   c a p a c i t o rs   C1   a nd  C 2)  due   t o   i na p p r o p ri a t e   s w i t c hi ng   s t a t e s   o f   v o l t a ge   v e c t o rs .   M o r e o v e r,   t he   f l y i ng  c a p a c i t o r   t y pe   r e qu i r e s   a   s t a rt i ng  p r o c e d u r e   t o   c h a rg e   up  t h e   c l a m p i ng  c a p a c i t o r s   a t   a p p r o p ri a t e   v o l t a ge   l e v e l .   A m o ng  t h e s e   t hre e   t o po l o gi e s ,   t h e   C a s c a de H - B ri d ge   t y pe   i s   c o n f i g u r e i nt o   m o d u l a u ni t   w i t s e ri e s   c o nn e c t i o n   t o   a v o i d   b a l a nc i ng  p r o b l e m .   H o w e v e r ,   t h e   m a j o r   p r o b l e m   w i t h   t hi s   t y pe   i s   t ha t   t he   r e q u i r e m e nt   o f   c o m p l e t ra ns f o rm e t o   p r o v i de   i s o l a t e d   D C   v o l t a ge   s up p l y   f o e a c H - B ri d ge   I n v e r t e c i rc u i t   a s   p r e s e nt   i [ 1 1 - 14 ] .     A   t h re e - p ha s e   v o l t a g e   s o u rc e   i nv e rt e ( V S I )   i s   a e ne rg y   c o nv e rt e w hi c i s   w i d e l y   u s e d   i m a n y   e l e c t ri c a l   d ri v e   s y s t e m s   f o c ha ng i ng   a   D C   v o l t a g e   t o   d e s i re d   A C   v o l t a g e s .   F o e x a m p l e ,   t he   a p p l i c a t i o ns   of   i nv e rt e a re   a d j u s t a b l e   s p e e d   m o t o d ri v e ,   u ni n t e r ru p t i b l e   p o w e s u p p l i e s   (U P S ) ,   g ri d - c o nne c t e d   s y s t e m ,   hi g v o l t a g e   d i re c t   c u rre nt   ( H V D C )   po w e t ra ns m i s s i o a nd   e t c .   In  g e ne r a l ,   t he   i nv e rt e c a b e   c l a s s i f i e i nt o   t w o   c a t e go ri e s   w hi c a re   v o l t a g e   s o u rc e   i nv e rt e ( V S I )   a nd   c u r re nt   s o u rc e   i nv e rt e ( C S I )   w a s   i m p l e m e nt e d   i n   [15 - 17] A   7 - l e v e l   i nv e rt e w a s   s i m u l a t e d   t o   m i ni m i z e   t o t a l   ha rm o n i c   d i s t o rt i o ( T H D )   t hro u g t he   i m p l e m e nt a t i o o f   P W M   t e c hni q u e .   T he re f o re ,   t he re   w i l l   b e   a i nc re a s e   f o hi g v o l t a g e   i nv e rt e rs   w i t d e c re e s   nu m b e o f   g a t e   d ri v e rs   i n   t he   c i rc u i t   a s   p re s e nt   i n   [18 - 20]   T hi s   p a pe ha s   b e e n   v e ri f i e t h e   a dv a nt a ge   o f   m u l t i l e v e l   i n v e rt e r   i n   p r o duc i ng  l o w e r   ha rm o ni c   di s t o rt i o o f   o ut p u t   v o l t a ge   a nd   c u rre nt ,   v i a   e xpe ri m e nt a l   r e s u l t s .   T h e   s w i t c hi ng  a ng l e   f o r   ni ne - l e v e l s   e m b e d de d   i D S P   T M S 3 20 F 2 81 ha s   b e e de s i g n e t o   m o d i f i e CH B - M L Is   us i ng   A N N   a nd  P S O   t e c hni q ue s .   S o m e   o f   r e s e a r c he r s   i m pl e m e nt e A N N   t e c hni q ue   i t he   s i ng l e   p ha s e   o f   c o n v e nt i o na l   CH B - M L I s .   T he   t e c h ni q ue s   o ANN  a nd   P S O   a r e   us e t o   c a l c u l a t e   t h e   s w i t c hi ng  a ng l e s   w i t t he   a b i l i t y   t o   r e duc e   ha rm o ni c s ”  o f   CH B - M L I   o ut pu t .   F i na l l y ,   t hi s   p a pe a p p r o a c i s   t e s t e d   a nd   v e ri f i e d   b y   e x pe ri m e nt a l   re s u l t s .       2.   LEV ELS   S WI TC H I N G   O P ER A TI O N   M O D ES   F O R   M O D I F I ED   C H B - M LI S   T h e   c o n t r o l   A N N   a l go r i t hm   c a n   b e   a ppl y i n i n t o   m o di f i e CH B - M L Is   a s   s h o w n   t h e   b l o c di a gr a m   i n   F i gu r e   1.   T h e   p r o po s e C H B - M L Is   m o di f i e fo r   t h e   n i n e - l e v e l   o pe r a t i ng  s w i t c h i n m o de l   c a n   b e   de m o n s t r a t e i F i gu r e   2.   A s   p r e v i o us l y   s t a t e d,   t h e   p r o pos e t o po l o g y   a do pt s   a   f ul l - b r i dge   c o n f i gura t i o w i t h   a n   a ux i l i a r y   c i r c ui t   c o n s i s t i n g   o f   fo ur   di o de s ,   a   s w i t c h   a n ge n e r a t i n g   h a l f - l e v e l   D b us   s t r e s s .   In  t hi s   t i m i n di a g r a m   o f   t h e   m o di f i e CH B - M L Is   c a n   b e   r e p r e s e nt   t h e   s w i t c h i n g   pa t t e rn   o f   e a c h   s w i t c h   a s   s h o w n   i n     F i gu r e   3.   T h e   o ut put   vo l t a ge s   fo r   n i n e   l e v e l s   of   m o di f i e CH B - M L Is   c a n   b e   s um m e up  a s   de s c r i b e i n   T a b l e   1. T h e   s o l ut i o n   o f   t h i s   w o r i s   a   n i n e - l e v e l   P W M   i n v e r t e r   w i t h   o ut put   v o l t a ge s   V dc ,   V dc / 2,   V dc / 3,   V dc / 4,   z e r o , -   V dc / 4 , - V dc / 3 , - V dc / 2   a nd - V dc .   i m p r o v e o ut put   l e v e l s   r e duc e   ha r m o n i c   c o nt e nt .           F i gu r e   1 .   CH B - M L Is   b l o c di a g ra m   m o di f i e us i n a A N N   a l go ri t hm   T a b l e   1 .   S w i t c h e s   f o r   n i n e - l e v e l   o ut put   v o l t a ge     O n= 1 - O f f = c o n di t i o n   S1     S2   S3     S4   S5   S6   S7   S8   S9   S 1 0   V0   1   0   0   1   0   1   0   0   1   0   V d c   1   0   0   1   0   0   0   0   1   1   V d c / 2   0   0   0   1   1   0   0   0   1   1   V d c / 3   0   0   0   1   1   0   0   1   1   0   V d c / 4   0   0   1   1   0   0   0   1   1   0   0   1   1   0   0   0   1   1   0   0   0   0*   0   1   0   0   1   1   1   0   0   0   - V d c / 4   0   1   0   0   1   0   1   0   0   1   - V d c / 3   0   1   1   0   0   0   1   0   0   1   - V d c / 2   0   1   1   0   0   0   1   1   0   0   - V d c         T h i s   s e c t i o n   di s c us s e t h e   M o di f i e d   CH B - M L s w i t c h i n g   o p e r a t i o n   m o de s   fo r   t o po l o g y   a t   ni n e   l e v e l s .   T h e   s w i t c h i ng  o pe r a t i o n   m o de s   a r e   i n   S t a t e   A ,   B ,   C,   D ,   E ,   F ,   G ,   H ,   I,   a n S t a t e   J ,   a s   c a n   b e   s e e n   i F i g u r e   4,   S t a t e   A ,   F i g u r e   4,   t h e   e qui v a l e n t   po w e r   c i r c ui t   o f   t h e   p r o po s e m o di f i e C H BM L Is   t o   ge n e r a t e   t h e   V dc   o ut put   v o l t a ge   l e v e l .   T o   a c h i e v e   t h e   V dc   vo l t a ge   l e v e l   s w i t c h e s   S 1,   S 4,   S 6,   a nd  S m us t   b e   i n   e i t h e r   s t a t e   o r   O N   c o n di t i o n s .   P o w e r   s w i t c h e s   S 1,   S 4 ,   S a n S 10  a re   i n   S t a t e   t o   ge n e r a t e   V dc / o ut put   v o l t a ge   a s   i n di c a t e i n   S t a t e   B   of   F i g ur e   4.   S pow e r   s w i t c h e s .   I n   F i gu r e   4,   S t a t e   s h o w s   t h e   pow e r   c i r c ui t   e qui v a l e n t   of   t h e   p r o po s e m o di f i e C H B M L Is   t o   g e n e ra t e   t h e   V dc / 3   o ut put   v o l t a ge   l e v e l .   T o   a c h i e v e   vo l t a ge   l e v e l   V dc / 3,   t h e   po w e r   s w i t c h   o f   F i g ur e   S 4 ,   S 5 ,   S 9 ,   a n d   S 10  i s   a t   s t a t e   1. S t a t e   D   i F i g u r e   s h o w s   t h e   p r o po s e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 020   :     94 8   -   959   950   i n v e r t e r' s   e qui v a l e n t   po w e r   c i r c ui t   f o r   ge n e r a t i n t h e   o ut put   vo l t a ge   l e v e l   V dc / 4. T o   a c h i e v e   a   V dc / v o l t a ge   l e v e l ,   t h e   pow e r   s w i t c h e s   S 4,   S 5,   S 8,   a n S a r e   i n   s t a t e   1.   I n   F i gu r e   4,   S t a t e   E   s h o w s   t h e   pr o po s e i n v e r t e r' s   e qui v a l e n t   po w e r   c i r c ui t   f o r   ge n e ra t i ng  t h e   z e r o   l e ve l   of  o ut put   v o l t a ge .   S 3,   S 4,   S 8 ,   a n S a r e   i n   s t a t e   t o   a c hi e v e   z e r o   l e ve l   pow e r   s w i t c h e s .   S t a t e   F   s h o w s   a n o t h e r   po s s i b i l i t y   t o   ge t   z e r o   vo l t a ge   l e v e l   i n   F i g u r e   4 .     T o   ge n e r a t e   t h e   z e r o   l e v e l   t h e   pow e r   s w i t c h e s   S 1,   S 2,   S a nd  S a r e   i n   s t a t e   1.   S t a t e   G   i n   F i gu r e   s h o w s   t h e   pr o po s e i n v e r t e r' s   e qui v a l e n t   po w e r   c i r c ui t   f o r   ge n e ra t i ng  t h e   o ut put   vo l t a ge   l e v e l - V dc / 4.   T o   a c h i e v e   a   vo l t a ge   l e v e l   of   - V dc / 4,   t h e   po w e r   s w i t c h e s   S 2,   S 5 ,   S 6 ,   a n d   S a r e   i n   s t a t e   1 .   S t a t e   H   i n   F i gu r e   s h o w s   t h e   pr o po s e i n v e r t e r ' s   e qui v a l e nt   po w e r   c i r c ui t   f o r   ge n e ra t i n g   t h e   o ut put   v o l t a ge   l e v e l   - V dc / 3.   T o   a c hi e v e   a   vo l t a ge   l e v e l   of   - V dc / 3,   t h e   po w e r   s w i t c h e s   S 2,   S 5,   S 7 ,   a nd  S 10  a r e   i n   s t a t e   1 .   I n   F i g u r e   4,   S t a t e   s h o w s   t h e   pr o po s e i n v e r t e r' s   e qui v a l e nt   po w e r   c i r c ui t   f o r   ge n e r a t i ng  t h e   l e ve l   of  o ut put   vo l t a ge   - V dc / 2.   T o   ob t a i n   - V dc / vo l t a ge   l e ve l ,   t h e   po w e r   s w i t c h e s   S 2,   S 3,   S a n S 10  a r e   a t   s t a t e   1.   U l t i m a t e l y ,   i n   F i g u r e   4,   S t a t e   J   s h o w s   t h e   pr o po s e i n v e r t e r' s   e qui v a l e nt   po w e r   c i r c ui t   t o   pr o duc e   t h e   de gr e e   of  o ut put   vo l t a ge   - V dc .     T o   a c hi e v e   - V dc   vo l t a ge   po i n t ,   t h e   po w e r   s w i t c h e s   S 2,   S 3 ,   S 7,   a n d   S a r e   i n   s t a t e   1.           F i gu r e   2 .   P r o po s a l   m o di f i e t o po l o g y   of   a   CH B - M L I,   s i n gl e - p ha s e   n i n e - l e v e l         F i g u re   3 .   S w i t c hi ng   t he   m o d i f i e d   CH B - M L I s   p a t t e rn   f o ni ne - l e v e l s         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A nal y s i s   of   s w i t c hi n a ngl e   c al c ul at i on  by   A N f or   n i ne   l e v e l   i nv e r t e r   app l y   i n t o…   ( Moham m e d   R as h e e d )   951               F i gu r e   4 .   S w i t c hi n g   o pe r a t i n g   m o de s   a c c e s s   of   t h e   m o di f i e CH B - M L Is   fo r   n i n e - l e v e l s       3.   F O U R I ER   S ER I ES   A N A L Y S I S   O F   TH P R O P O S ED   C H B - M LI S   T O P O L O G I ES   F O R   N I N E   LEV ELS   T h e   F o uri e s e ri e s   e qua t i o n s   f o r   9 - l e v e l s   a r e   de s c r i b e b e l ow   [21] :         W h e r e :   V dc V o l t a ge   o f   e a c h   v o l t s ge   s o ur c e       :   S w i t c hi n g   a n g l e   F r o m   ( 2 - 1) ,   t h e   5 th   h a rm o ni c   w a s   r e m o v e d   f r o m   fo ur   e qu a t i o n.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 020   :     94 8   -   959   952     (2)     A s   s h o w n   i n   (2)   ha s   s   v a r i a b l e s   (                               ),   w h e r e   0   <                             a n d   a   s o l ut i o s e t   i s   ob t a i n e by   a s s i gni n a   s pe c i f i c   v a l ue   t o   t h e   f unda m e nt a l   c o m po n e nt ,   V f ,   a nd  e qua t i n g   s - h a rm o n i c s   t o   z e r o   a s   g i v e n   b e l ow :         (3)     w h e r e   m   =   V f   / (2V dc /     ),   a nd  i t   i s   r e l a t e d   t o   t h e   m o dul a t i o n   i nde m i   by   m i   =   m / s ,   w h e r e   <   m i   < 1.   A n   o bj e c t i v e   f un c t i o n   i s   t h e n   n e e de fo r   t h e   o pt i m i s a t i o n   p r o c e dur e   s e l e c t e d   a s   a   m e a s ur e   of  e ffe c t i ve n e s s   of   e l i m i n a t i n s e l e c t e o r de r   of   h a r m o n i c s   w h i l e   m a i n t a i ni n t h e   f un da m e n t a l   c o m po n e nt   a t   a   pr e - s pe c i f i e v a l ue .   T h e r e f o r e ,   t h i s   o b j e c t i v e   f un c t i o n   i s   de f i n e a s :       (4)     T h e   o pt i m a l   s w i t c h i ng  a n gl e s   a r e   a c h i e v e by   m i n i m i z i n g   E q.   (4 s ub j e c t   t o   t h e   c o n s t r a i n t   <     1     2                     A s   a   r e s ul t   i t   a c hi e v e s   t h e   r e qui s i t e   ha rm o n i c   p r o f i l e .   T h e   p ri m a r y   pr o b l e m   i s   t h e   E q ' s   n o n - l i n e a ri t y .   (3)  t r a n s c e n de nt a l   s e t ,   s i n c e   t h e   m a j o r i t y   of   i t e r a t i v e   t e c h ni que s   w i t h   ni n e   l e v e l s   of   m o di f i e C H B - M L Is   c a b e   us e a s   s h o w n   i F i gu r e   8 .     3. 1 .       A N N   p e r fo r m an c e   e v al u ati o n   A N N   i s   a   p o w e rf u l   t o o l   f o c o nt ro l l i ng   a   v e r y   c o m p l e x   i na t u re ,   no nl i ne a s t ru c t u re .   U s e   a   w e l l - d e s i g ne A N N   t o   re p l a c e   t he   l o o k - u p   t a b l e   a nd   t o   p ro d uc e   o p t i m a l   s w i t c hi ng   a ng l e s   i re a l   t i m e   [22] A   s t a nd a rd   t w o - l a y e r   f e e d - f o r w a rd   ne t w o rk   s ho w i n   F i g u re   5   w i t hi d d e s i g m o i d   n e u ro ns   a nd   l i ne a o u t p u t   ne u ro ns   w i l l   a rb i t ra r i l y   f i t   w e l l   w i t m u l t i d i m e ns i o na l   m a p p i ng   p ro b l e m s .   A i np u t   l a y e i nc l u d e s   n   i np u t s   a nd   v e c t o rs   P ,   t 1   s i g m o i d   h i d d e n   ne u ro ns   i t he   hi d d e l a y e a nd   t 2   l i ne a o u t p u t   ne u ro ns   i t he   o u t p u t   l a y e r.   F i g u re   5   d e m o ns t ra t e s   t he   A N N   a rc hi t e c t u re   i nc l u d i ng   a i np u t   l a y e w i t t w o   i np u t s ,   a   hi d d e l a y e w i t t w o   hi d d e ne u ro ns   a nd   a   t w o - o u t p u t   o u t p u t   l a y e r.   A   S i m u l i nk   M o d e l   w i t d e l a y e d   f e e db a c k   l o o p   i s   c re a t e d   u s i ng   t he   A N N   a s   s ho w i n   F i g u re   6 .           F i gu r e   5 .   A N N   c o nt r o l l e r   b l o c di a g ra m           F i gu r e   6 .   S i m u l i n k   m o de l   f o r   A N N - b a s e h e n o m a p   c ha o t i c   s y s t e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A nal y s i s   of   s w i t c hi n a ngl e   c al c ul at i on  by   A N f or   n i ne   l e v e l   i nv e r t e r   app l y   i n t o…   ( Moham m e d   R as h e e d )   953   A N N   c o n t r o l l e r s   '   n e t w o r s t ruc t u r e   i s   de f i n e by   t h e   n u m b e r   of   n e ur o n s   i n   t h e   r e s pe c t i v e   i n pu t   l a y e r ,   h i d de l a y e r   a nd  o ut put   l a y e r .   T o   ge n e r a t e   t h e   p r o po s e M - CH B M s w i t c h i ng  s i g na l ,   t h e   f i r s t   o ut pu t   l a y e r   n e u r o n   i s   us e a s   t h e   i nput   t o   f e e t h e   P W M   ge n e ra t o r.   T h e   c o n n e c t i o n s   w e i gh t   p a ra m e t e r   b e t w e e n   j t h   a n i t n e u ro n   a t   m t h   l a y e r   i s   gi v e n   by   w m i j ,   w h i l e   b i a s   pa ra m e t e r   o f   t h i s   l a y e r   a t   i t h   n e ur o n   i s   gi v e n   by   b m i .   T r a n s f e r   f un c t i o n   o t h e   n e t w o r a t   i t h   n e u r o n   i n   m t l a y e r   i s   de f i n e d   by :       (5)     W h e r e   f   i s   n e u r o n   a c t i v a t i o n   f un c t i o n .   T h e   a c t i v a t i o n   f un c t i o n   o f   t h e   o ut put   l a y e r   i s   uni t y   i n   t hi s   de s i g n   a n a   t a n ge n t   h y pe r bo l i c   f un c t i o n   f o r   t h e   h i dde l a y e r   i s   g i v e n   b y :           (       )                               (6)     A ppl y i n A N N   t o   t h e   h a rm o ni c   m i n i m i z a t i o p r o b l e m   de s c r i b e i t h e   s e c t i o n   b e l o w   t h e   p r o c e dur e   i s   s h o w n   i F i gu r e   9.   T h e   r e s ul t s   o f   t h e   o pt i m u m   s w i t c h i n g   a n g l e s   a r e   s h o w n   i n   F i gu r e   7 .   F o r   t h e   t hr e e   t ra i n i n g   f un c t i o n s   o f   t h e   c h o s e n   a r c hi t e c t u re   w i t h   2   h i d de n e u r o n s ,   t h e   t r a i n i ng  o ut put s   a n t ra i n i n s t a t e s   a r e   s h o w n   i n   F i gu r e   8 ( a ) .   A s   s how n   i n   F i gu r e   8 ( b ) ,   t h e   m e a n   s qua r e e rr o r   f o r   gra di e nt   b e l ow   10 - 7,   f o r   M 10 - a nd  v a l i da t i o n   f o r   i t e r a t i o n   1000  i s   s h o w n .   W hi l e   o v e r a l l   pe r f o r m a n c e   i s   ri s i n g   w i t h   a i n c r e a s i n num b e o f   s e c r e t   n e u r o n s ,   i t   i s   di f f i c ul t   t o   p r e di c t   e xa c t l y   w h e t h e t h e   pe r f o r m a n c e   c a b e   i n c r e a s e b y   i n t r o duc i n g   o n e   m o r e   n e u r o n   t o   t h e   i ndi v i dua l   i t e r a t i o n.           F i gu r e   7 .   C a l c ul a t e d   s w i t c h i ng  a n gl e s           a nd        f o r   o n e   c e l l             F i gu r e   8 ( a ) .   A N N   t r a i n i ng  pe r f o r m a n c e   w i t 2   hi dde n   n e u r o n s   F i gu r e   8 ( b ) .   A N N   t ra i ni n g   pe r f o r m a n c e   w i t   hi dde n   n e u r o n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 020   :     94 8   -   959   954       F i gu r e   9 .   F l o w   c h a rt   o f   A N N   a pp l y i n t o   h a rm o ni c   m i n i m i z a t i o p r o b l e m       3. 2 .       P S O   T e c h n i q u e   P S O   ha s   b e c o m e   a   v e r y   po p u l a t e c hni q ue   f o r   s o l v i ng   p r o b l e m s   o f   n o n - l i ne a o p t i m i z a t i o n   [2 3 - 26 ] T o   o pt i m i z e   b e s t   s w i t c h i n a n gl e s ,   t h e   P S O   a l go r i t h m   i s   n e e de t o   s o l v e   n o n l i n e a r   S H E   a l go r i t h m - b a s e d   e qua t i o n s   t o   r e s o l ve   t r a n s c e n de n t a l   e qu a t i o n s ;   M A T L A B   c o di n i s   us e t o   s o l v e   t h e   n um b e r   o f   i t e r a t i o a l go ri t hm s   t o   ge t   b e t t e a n gl e s   a n d   h a rm o ni c s .   F r o m   P S O   a l g o r i t hm   num b e o f   i t e ra t i o n s .   S te p   1 :   Ini t i a l i z e   pa r a m e t e r s   o f   t h e   m e t h o s uc h   a s   v e l o c i t y   ve c t o r   V i ,   po s i t i o n   v e c t o r   X i ,   pe r s o n a l   b e s t   pa r t i c l e   ve c t o r   P i ,   pa r t i c l e   i n e r t i a   w e i gh t   C0 ,   a n g l o b a l   be s t   ve c t o r   P g.   A s s i gn   ge n e r a t i v e   v a l ue s   t o   100,   po pul a t i o n   s i z e   t o   40  a n d   c o gn i t i v e   pa ra m e t e r   C1  t o   0. 5 ,   a s   w e l l   a s   s o c i a l   p a ra m e t e r   C2  t o   1. 2 5.   S te p   2 :   Ch e c fo r   t h e   c a s e   0< (C1+ C2)< a n (C1 + C2) /   2< C0 < 1,   i f   t h e   t w o   c a s e s   a r e   s a t i s f i e t h e n   t h e   s y s t e m   w i l l   b e   gua r a nt e e t o   c o ve r a ge   t o   a   s t a b l e   e qui l i b ri um   po i n t .   If   f l a s e ,   go   t o   s t e 1 .   S te p   3 :   U pda t e   t h e   V e l o c i t y ,   V i (t + 1) .     V i j (t + 1) = V i ( t )+ 1i (P i - x i (t ) )+   1i (G i - xi (t ))   (7)     S te p   4:   U pda t e   t h e   P o s i t i o n,   X i ( t + 1) .     X i j (t + 1) = X i j (t ) + V i j (t + 1)   (8)     If   I   i s   t h e   pa r t i c l e   i n de x ,   j   i s   t h e   i n de o t h e   pa r a m e t e r   o f   i n t e r e s t   t o   b e   i m p r o ve d,   i s   t h e   l o c a t i o n   of  t h e   i t pa rt i c l e   a nd  j t h   p a ra m e t e r ,   i s   t h e   di s c r e t e   t i m e   i nde x,   v   i s   t h e   v e l o c i t y   of   t h e   i t h   p a r t i c l e   a n j t pa r a m e t e r,   P   i s   t h e   b e s t   p o s i t i o n   f o r   t h e   i t h   pa rt i c l e   a n j t h   pa r a m e t e r   (pe r s o na l   b e s t ),   G   i s   t h e   b e s t   pos i t i o fo un by   t h e   s w a rm   (gl o b a l   be s t ),   c   i s   t h e   r a n do m   u n i f o r m   num b e r   b e t w e e n   0, 1]  a ppl i e t o   t h e   i t h   pa r t i c l e ,   i s   t h e   i n e r t i a   f un c t i o n ,   a   i s   t h e   a c c e l e r a t i o c o n s t a n t .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A nal y s i s   of   s w i t c hi n a ngl e   c al c ul at i on  by   A N f or   n i ne   l e v e l   i nv e r t e r   app l y   i n t o…   ( Moham m e d   R as h e e d )   955   S te p   5 :   N o w ,   us e   t h e   F i t n e s s   f u n c t i o t o   e v a l ua t e   t h e   pa rt i c l e ,       (9)     F o r   h a rm o ni c   r e duc t i o n   e l i m i n a t i o n .   F o r   s w i t c h i ng  a n gl e s   9 - l e v e l   α 1 ,   α 2 ,   α 3 ,   a n α 4   a r e   s e l e c t e i n   o r de t o   s e l e c t i v e   h a rm o ni c   1 st , 3 rd ,   5 th , 7 th   e l i m i na t e d.       (10)     S te p   6 :   C h e c t h e   c o n s t r a i n t s   ≤  α 1     α ≤  α   α   / 2   S te p   7 :   C h e c f o r   t h e   c a s e   P (xi ) < P (P i ) ,   i f   i = i + 1   n o t   s a t i s f i e t h e e xe c ut e   t o   S t e 3 .   S t e p   8 :   I f   t he   p a r t i c l e   p o s i t i o n   g e ne r a t e d   i s   t he   r i g h t   o ne ,   t h e n   c h a n g e   i t   b y   a d j u s t i n g   t he   p re v i o u s   l o c a t i o n   a s   P i   =   X i .   S te p   9 :   A dj us t   t h e   b e s t   gl o b a l   po s i t i o n   a s   P g   =   m i ( n e i g h b or  t o   P ).     S te p   10 :   T h e   m o s t   o pt i m i z e s w i t c h i n a ngl e s .   Co m pl e t e   t h e   p r o b l e m   w i t h   s o l ut i o n .   F i g u r e   10  s h o w s   t h e   ge n e ra l   P S O   f l o w   c h a r t   o f   a   m o di f i e CH B - M L Is ,   a n e a c s t e i s   di s c us s e b e l ow :           F i gu r e   10 .   ge n e r a l   f l o w   c h a r t   o f   P S O   of   a   m o di f i e CH B - M L Is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   2 N o v e m be r   2 020   :     94 8   -   959   956   4.   E X P E R I M E N T A L   R E S U L T S   O F   C H B - M L I S   ( M I = 0 . 8 1 )   U S I N G   P S O   A N D   A N N   T E C H N I Q U E S   A   s o ur c e   c o d e   f o r   o pt i m i z a t i o n   us i ng  l a n gu a ge   b a s e o n   t h e   A N N   a nd  P S O   t e c hn i q ue s   ha s   b e e n   de ve l o pe t o   o pt i m i z e   t h e   pe r f o r m a n c e   of   a   m o di f i e d   n i n e - l e v e l   C H B - M L Is .   T h e n,   t h e   s o ur c e   c o de   pr o duc e d   w a s   e m be dde i D S P - T M S 320F 2 812.   F i gu r e   12  a n F i g ur e   1 d i s pl a y   a   t i m i n g   di a g r a m   o f   ni n e - l e v e l   upda t e CH B - M L Is .   In   t h e   c o n f i gura t i o n   o f   n i n e - l e v e l   m o di f i e CH B - M L Is ,   a s   s h ow n   i n   t h e   m e t h o do l o g y ,   t w o   c e l l s   o pe r a t e .   T h a t   c e l l   c o n s i s t s   of   f i ve   s w i t c h e s   i n c l ud i n b i - di r e c t i o na l   s w i t c h e s ,   na m e l y   S 1,   S 2,   S 3,   a n S a nd  bi - di r e c t i o n a l   s w i t c h e s   S 5.   It   i s   n o t e f r o m   t h e s e   f i gu r e s   t h a t   t h e   1 s w i t c h e s   ha v e   t h e   s a m e   s w i t c hi n t i m e s   us i n a   s w i t c h i n g   f r e que n c y   o f   2500 H z .   T h e   s w i t c h i ng  a n g l e s   of   n i n e - l e v e l   m o di f i e CH B - M L Is   w e r e   de t e r m i n e us i n t h e   A N N   m e t h o d,   a nd  t h e   v a l ue s   of  t h e   s w i t c h i n a n g l e s   ob t a i n e a r e   e qua l   t o   1 = 5. 57,   2 = 1 8. 2 7,   3 = 33 . 37 ,   a n d   4 = 51 . 59   S uc h   s w i t c h i n a ngl e s   h a v e   be e n   e n c o de d   i n t o   t h e   s o ur c e   c o d e   a n t h e n   i n s e r t e i n   t h e   D S P - T M S 320F 2812  t o   pr o duc e   t h e   o ut put   o f   t h e   i n v e r t e r   w a v e fo r m .   O n e   c y c l e   w i t h   a n   M v a l ue   of   0. 81,   h a s   a   dura t i o n   o f   0. 02s   i n   t h e   pr o g r a m m i n o f   s o ur c e   c o d e .   T h e   o pt i m i s a t i o n   o f   t h e   o ut put   v o l t a ge   a nd  c urr e n t   w a ve fo r m   o f   a   n i n e - l e v e l   m o di f i e C H B - M L us i n t h e   A N N   t e c hn i que   w a s   de ve l o pe o n   t h e   b a s i s   of   t h e   t i m i n g   di a g r a m s   o b t a i n e d,   a s   s h o w n   i F i gu r e   14.   T h e   S H E   t e c h ni que   o f   t h e   f u n da m e n t a l   s w i t c hi n g   f r e que n c y   s c h e m e   i s   us e t e l i m i na t e   t h e   s pe c i f i c   o r de r   h a r m o n i c s   o f   t h e   i n v e rt e r   o ut pu t .   A   m o di f i e CH B - M L w i t e qua l   D s o u r c e s   i s   us e i t hi s   r e s e a r c h.   S H E - P W M   i s   t h e   m o dul a t i o n   t e c hn i q ue   us e h e r e ,   i n v o l v i n t h e   n o n l i n e a r   e qu a t i o n s .   T h e   A N N   a n P S O   a p pr o a c h e s   a r e   us e t o   a c h i e v e   o pt i m a l   s w i t c hi n g   a n gl e s   f o r   l o w - o r de r   ha rm o n i c s .   T h e   o ut pu t   v o l t a ge   ha rm o ni c s   of   a   m o di f i e CH B - M L us i n A N N   ha v e   b e e n   c a l c ul a t e d   a s   s h o w n   i F i gu r e   15  a n d   i t s   T H D   v a l ue s   a re   e qua l   t o   9. 4%.             F i gu r e   11 .   D e s i g o f   a   s i n g l e - p h a s e   m o di f i e CH B - M L fo r   ni n e - l e v e l   a ppl i c a t i o n s             F i gu r e   12 .   T i m i ng  d i a g r a m   o f   ni n e   l e v e l s   m o di f i e CH B - M L Is   fo r   c e l l   o n e   c o m p r i s i n g   S 1 ,   S 2 , S 3 ,   S 4 a n S s w i t c h e s   w i t M I= 0 . 81   us i ng  A N N   t e c hni que     F i gu r e   13 .   T i m i ng  d i a g r a m   o f   ni n e   l e v e l s   m o di f i e CH B - M L Is   fo r   c e l l   o n e   c o m p r i s i n g   S 6 ,   S 7 , S 8 ,   S 9 ,   a n d   S 10   s w i t c h e s   w i t M I= 0 . 81   us i ng  A N N   t e c hni que   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A nal y s i s   of   s w i t c hi n a ngl e   c al c ul at i on  by   A N f or   n i ne   l e v e l   i nv e r t e r   app l y   i n t o…   ( Moham m e d   R as h e e d )   957       F i gu r e   14 .   O p t i m i s a t i o n   o f   ni n e - l e v e l   m o di f i e CH B - M L Is   o ut put   v o l t a ge   a n d   c u rr e n t   w a v e fo r m   w i t M I= 0 . 81   us i ng  A N N   t e c hni que       F i gu r e   15 .   O p t i m i s a t i o n   o f   t h e   ha r m o n i c   o ut pu t   vo l t a ge   w a v e fo r m   s pe c t r u m   o f   t h e   m o di f i e CH B - M L Is   w i t M I= 0 . 81   us i ng  A N N   t e c hni que             F i gu r e   16 .   O p t i m i s a t i o n   o f   t h e   ha r m o n i c   o ut pu t   c urr e n t   w a v e fo r m   s pe c t r u m   o f   t h e   m o di f i e CH B - M L Is   w i t M I= 0 . 81   us i ng  A N N   t e c hni que     F i gu r e   17 .   T i m i ng  d i a g r a m   o f   ni n e   l e v e l s   m o di f i e CH B - M L Is   fo r   c e l l   o n e   c o m p r i s i n g   S 1 ,   S 2 , S 3 ,   S 4 a n S s w i t c h e s   w i t M I= 0 . 81   us i ng  P S O   t e c hni que             F i gu r e   1 8 .   T i m i ng  d i a g r a m   o f   ni n e   l e v e l s   m o di f i e CH B - M L Is   fo r   c e l l   o n e   c o m p r i s i n g   S 6 ,   S 7 , S 8 ,   S 9 ,   a n d   S 10  s w i t c h e s   w i t M I= 0 . 81   us i ng  P S O   t e c hni que     F i gu r e   19 .   O p t i m i s a t i o n   o f   ni n e - l e v e l   m o di f i e CH B - M L Is   o ut put   v o l t a ge   a n d   c u rr e n t   w a v e fo r m   w i t M I= 0 . 81   us i ng  P S O   t e c hn i que       T he   re s u l t s   o f   t he   t i m i ng   d i a g ra m   o f   t he   m o d i f i e d   CH B - M L I s   o f   ni ne   l e v e l s   b a s e d   o t h e   P S O   t e c hni q u e   a re   p re s e nt e d   i F i g u re   1 7   a nd   F i g u re   1 8 .   T he   o p t i m i z e d   a ng l e   o f   s w i t c hi ng   a c hi e v e d   i s   e q u a l   t o   1   =   7 . 2 3 ,   = 2 1 . 0 8 ,   3 = 3 5 . 9 2 ,   a nd   4 = 5 5 . 9 1 .   F i g u re   1 9   s ho w s   t he   o p t i m i z a t i o o f   a   m o d i f i e d   CH B - M L I ' s   o u t p u t   v o l t a ge   w a v e f o rm   u s i ng   P S O   t e c hni q u e .   D u e   t o   t he   i nc o rre c t   e s t i m a t i o o f   t he   s w i t c hi ng   a ng l e s ,   o p t i m i z a t i o o f   o u t p u t   v o l t a g e   w a v e f o rm s   o f   a   m o d i f i e d   CH B - M L I s   w a s   s m o o t he t ha o p t i m i z a t i o f o t he   A N N   t e c hni q u e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.