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 .   15 ,   N o .   1 J ul y   201 9 ,   pp .   8 8 ~9 4   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 1 5 .i 1 . pp8 8 - 9 4             88       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i ae s c or e . c om / j our na l s / i nde x . php/ i j e e c s   M u l t i st r i n g   sev e n - l e v e l   q u a s i   Z - so u r c e   b a s e d   a sy m m e t r i c a l   i n v e r t e r       Jam m R am e s h   R ah u l ,   K i r u b ak ar an   A n n am al ai   D e pa r t m e n t   o f   E l e c t r i c a l   E ng i n e e r i ng ,   N a t i o na l   I ns t i t ut e   o f   T e c hno l o gy   W a r a ng a l ,   I ndi 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 N ov   1 0 ,   201 8   R e v i s e J a n   21,   201 9   A c c e pt e M a r   3 ,   201 9       I t hi s   p a pe r ,   a   s i ng l e - pha s e   m u l t i s t r i ng   s e v e n - l e v e l   Q u a s i   Z - s o ur c e   ba s e d   A s y m m e t r i c a l   I n v e r t e r   s u i t a b l e   f o r   g r i d - c o nne c t e pho t o vo l t a i c   ( P V )   s y s t e m   i s   p r e s e n t e d .   T h i s   t o po l o gy   i s   a upg r a d e   o f   qua s i   Z - s o ur c e   dc - dc   ( qZ s )   ne t w o r a nd  A s y m m e t r i c a l   m u l t i l e v e l   i nv e r t e r   ( A M L I ) .   T he   A M L I   g e ne r a t e s   a   hi g he r   n um be r   o f   l e v e l s   w i t r e duc e d   s w i t c c o unt   a nd  n um be r   o f   s o ur c e s   w he c o m pa r e t o   s y m m e t r i c a l   c a s c a de ba s e M L I .   T he   qZ s   ne t w o r a c t s   a s   a i n t e r m e d i a t e   s t a g e   be t w e e t he   l o w - v o l t a g e   P V   a r r a y   a n A M L I ,     t o   e nha nc e   t he   o ut put   v o l t a g e   g a i o f   t h e   i nv e r t e r .   T he   s t e a dy   s t a t e   pe r f o r m a nc e   o f   t he   t o po l ogy   i s   v e r i f i e t h r o ug M A T L A B   s i m ul a t i o a nd  e xpe r i m e nt a t i o n.   A   l a bo r a t o r y   pr o t o t y pe   m o de l   i s   de v e l o pe f o r   a   c a pa c i t y   of   200  W   t o   v a l i da t e   t he   t h e o r e t i c a l   s t ud i e s .   F i na l l y ,   a   c o m pa r a t i v e   a s s e s s m e n t   o f   t he   p r o po s e w i t t h e   e xi s t i ng   t o po l o g i e s   i s   p r e s e n t e d .   Ke y w or ds :   G r i c o nn e c t e P V   s y s t e m     M ul t i l e v e l   i n v e r t e r   M ul t i - s t r i ng    Q ua s i   Z - s o ur c e   n e t w o r k   C opy r i gh t   ©   201 9   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 :   J a m m y   R a m e s R a h ul ,     D e pa rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E ngi n e e ri n g ,   N a t i o n a l   I n s t i t ut e   o f   T e c hn o l o g y   W a r a nga l ,   T e l a n g a na - 500   004 ,   I n di a .   E m a i l :   r a h u l j a m m y 1925@ gm a i l . c o m       1.   I N TR O D U C TI O N   T h e   r i s e   i e l e c t ri c a l   e n e r gy   ge n e ra t i o n   v i a   r e n e w a b l e   e n e r gy   s o ur c e s   ha v e   dr a s t i c a l l y   i n c r e a s e o v e r   t h e   l a s t   de c a de .   T h e   di s t ri b ut e e n e r gy   s o ur c e s   s uc h   a s   P h o t o vo l t a i c   a n F ue l   c e l l   p r o duc e s   l ow   vo l t a ge   dc   w h i c c a n   b e   i n t e r f a c e t o   t h e   g ri o n l y   w i t h   a   s u i t a b l e   po w e r   c o n di t i o n e r.   T h e   t hr e e   w i de l y   us e d   Co n f i gu r a t i o n s   a m o n t h e   g r i i n t e r f a c e   c o n v e r t e r s   a r e   Ce n t ra l i z e d,   S t ri n a nd  M ul t i s t r i ng  I n v e r t e r s   [1].   H ow e ve r ,   M ul t i - s t ri n i n v e r t e r   i s   qu i t e   po pul a due   t o   i t s   m o dul a r i t y   f e a t ur e   w h i c f a c i l i t a t e s   p l ug   a n d   p l a y ,   f l e xi b l e   a n d   i nde p e n de n t   c o n t r o l   o f   i n di v i du a l   s t ri n g .   M ul t i l e v e l   In v e r t e r   (M L I)  a i m s   t o   o ffe r   s i g ni f i c a n t   a dv a nt a ge s   o f   t h e   b e t t e qu a l i t y   of   o ut put     vo l t a ge   a nd  c u rr e nt ,   r e duc t i o n   i f i l t e r   s i z e ,   e n a b l e s   t h e   u s e   of   f a s t   l o w   v o l t a ge   ra t i ng  s w i t c h e s   a t   hi g s w i t c h i n f r e que n c y   w i t h   r e duc e s w i t c h i n g   l o s s e s   a n o t h e r s   w h e n   c o m pa r e t o   c o n v e n t i o n a l   t w o - l e v e l   i n v e r t e r s   [2 ],   [3] .   T h e   c o n v e n t i o n a l   a n po pul a r   M L Is   a r e   N e ur a l   po i nt   Cl a m pe (N P C),   F l y i n c a p a c i t o (F C)  a n C a s c a de H - b r i dge   (CH B ),   w e l l   s ui t a b l e   fo r   hi g h   a n m e di um   p o w e r   a ppl i c a t i o n s .   M o r e o ve r ,   M L i s   a l s o   b e i n a d a pt e f o r   l o w   vo l t a ge   a n l o w   p ow e r   a ppl i c a t i o n s   a s   w e l l .   A m o n t h e   c o n v e n t i o n a l   M L Is ,   CH B   i s   m o r e   s ui t a b l e   f o r   P V   b a s e gr i d - c o nn e c t e s y s t e m   due   t o   i t s   m o dul a r i t y   f e a t ur e .   H ow e ve r ,   A s y m m e t ri c a l   CH B - M L r e p o r t e i n   [4]  r e qu i r e s   l e s s   n u m b e r   o f   i s o l a t e dc   s o ur c e s   a n s w i t c h e s   w h e n   c o m pa r e t o   s y m m e t r i c a l   M L c o n f i gura t i o n s .   R e c e n t l y ,   s e ve r a l   i n v e r t e r   t o po l o gi e s   h a v e   b e e n   i nt r o duc e d   b a s e o n   r e duc e s w i t c h   c o un t   f o r   i n c r e a s e o ut put   v o l t a g e   l e ve l s .   O n e   s uc h   po pul a r   i n v e r t e r   i s   b a s e o n   P a c ke U - Ce l l   w h i c h   u t i l i z e s   o n e   dc   s o ur c e   a n o n e   c a pa c i t o r   f o r   l e ve l   ge n e ra t i o n .   H ow e ve r ,   i t   r e qui r e s   c o m pl e c o n t r o l   s t ra t e gi e s   f o r   o b t a i n i n g   a   s e v e n - l e v e l   o ut put   v o l t a ge .   F u r t h e r ,   i t   i s   m o di f i e by   r e pl a c i n t h e   c a pa c i t o r   w i t h   a   dc   v o l t a ge   s o ur c e ;   na m e a s   A s y m m e t ri c a l   M L o r   M o di f i e P U i n v e r t e r   w hi c h   us e s   a s y m m e t r i c a l   dc   s o ur c e s   [5 - 6].   T h e   m a x i m u m   o ut pu t   v o l t a ge   i s   e qua l   t o   t h e   s um   o f   t h e   i nput   dc   s o ur c e 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       Mul t i s t r i n s e v e n - l e v e l   quas i   Z - s our c e   bas e d   as y m m e t r i c al   i nv e r t e r   ( J am m y   R am e s h   R a hul )   89   w h i c h   i s   a   l i m i t a t i o n .   I n   o r de t o   ut i l i z e   t hi s   i n v e rt e f or   g r i d - c o nn e c t e P V   s y s t e m ,   a   s ui t a b l e   po w e r   c o n di t i o n e i s   n e c e s s a r y   t o   s t e p - up  t h e   l o w   v o l t a ge   dc   ge n e r a t e f r o m   t h e   P V .   O n   t h e   o t h e r   ha n d ,   Z - s o ur c e   i n v e rt e r s   (Z S I)  r e c e i v e a t t e n t i o n   f o r   i t s   f e a t u r e s   of   i nh e r e nt   b uc k - bo os t   c a pa b i l i t y   i n   a   s i n gl e   c o n v e r s i o n   s t a g e ,   i m p r o v e o ut put   v o l t a ge   ga i n,   i n c r e a s e r e l i a b i l i t y   [7].   It   i s   p r e f e r r e d   w h e n   c o m pa r e t o   t r a d i t i o n a l   v o l t a ge   s o ur c e   a n d   c urr e nt   s o ur c e   i n v e rt e r s .   V a ri o us   t o po l o gi e s   a r e   de ri v e d   b a s e o n   Z S I,   o ut   of   w h i c h   qua s i   Z - s o ur c e   i n v e r t e r   (qZ S I)  i s   m uc h   po pul a r   f o r   i t s   c o n t i nuo us   i n p ut   c u rr e n t ,   r e duc e vo l t a ge   s t r e s s   a n s i z e   o f   c a pa c i t o r   C2  a nd  s ui t a b i l i t y   t o   di s t r i b ut e ge n e r a t i o n   [8 - 9] .   T h e   Z S i s   m o s t l y   pr e fe rr e f o r   dc - dc   a n dc - a c   po w e r   c o n v e r s i o n.   I nt e gra t i o n   o f   M L i n   c o m b i n a t i o n   w i t h   Z - s o ur c e   b a s e c o n v e r t e i s   p r e f e r r e f o r   r e n e w a b l e   a ppl i c a t i o n s   a s   i t   i nh e r i t s   t h e   b e n e f i t s   of   i m p r o v e o ut put   v o l t a ge   ga i n,   b e t t e r   i n p ut   v o l t a ge   r e gul a t i o n,   e nha n c e r e l i a b i l i t y ,   l ow   h a rm o ni c   di s t o rt i o n   a n r e duc e   f i l t e s i z e   [10] .   Ini t i a l l y ,   Z - s o ur c e   b a s e N P i s   r e po r t e d   f o r   t hr e e - l e v e l   a nd  f i v e - l e ve l   by   ut i l i z i n t w o   i m pe da n c e   n e t w o r ks ,   o n e   o r   t w o   d c   s o ur c e s   fo r   s i n gl e - p ha s e   s y s t e m   [11 - 12].   T h e s e   t o po l o gi e s   a r e   a s s o c i a t e w i t l i m i t a t i o n   o f   di s c o n t i n uo us   i n p ut   c u rr e n t   p r o f i l e .   H e n c e ,   a   qZ S b a s e t hr e e - l e v e l   N P i n v e rt e r   us i n g   t h e   do ub l e   qZ s   n e t w o r i s   r e po r t e i [13] .   A   Z - s o ur c e   b a s e s e ve n - l e v e l   i n v e rt e r   w i t h   r e duc e s w i t c h e s   us i n g   m ul t i l e v e l   dc   l i n i n v e rt e r   i s   r e po r t e i n   [ 14] .   A   qZ S b a s e s e v e n - l e v e l   C H B   i n v e r t e r   [1 5]  i s   r e po r t e f o r   P V   a ppl i c a t i o n s .   F r o m   t h e   l i t e r a t u r e   [16],   i t   i s   n o t i c e t h a t   m o s t   of   t h e   Z - s o ur c e   b a s e M L t o p o l o gi e s   a r e   b a s e d   o n   N P a n CH B   w h i c h   de m a n ds   m o r e   s w i t c h   c o un t ,   i s o l a t e dc   s o ur c e s   a n c o m pl e xi t y   i n   c o n t r o l   f o r   i n c r e a s e o ut pu t   v o l t a ge   l e v e l s .   T h i s   m o t i v a t e s   t h e   a ut h o r s   t o   de v e l o a   m u l t i s t r i ng  s e v e n - l e v e l   qZ s   b a s e A s y m m e t r i c a l     i n v e r t e [17]   w i t h   r e duc e dc   s o ur c e s ,   de v i c e   c o un t ,   s i z e   a n d   i n c r e a s e o v e r a l l   e f f i c i e n c y   f o r   t h e   g r i d - c o n n e c t e P V   s y s t e m .   In   t h i s   w o r k,   Q ua s i   Z - s o ur c e   b a s e d c - dc   c o n ve r t e r   i s   us e a s   t h e   i nt e rm e di a t e   pow e r   c o n di t i o n e r   b e t w e e n   t h e   P V   a n s e v e n - l e v e l   A s y m m e t r i c a l   i n v e r t e r.   It   i s   u t i l i z e t o   bo os t   t o   t h e   de s i r e dc   l i n v o l t a ge   i n   o r de r   t o   i n t e r f a c e   w i t h   t h e   g r i d,   di s c us s e i n   S e c t i o n   2.   A   c o m pa r a t i v e   s t ud y   i s   m a de   w i t e xi s t i n Z - s o ur c e   b a s e s e v e n - l e v e l   i n v e r t e r s   t o   s h o w c a s e   t h e   m e ri t s   o f   t h e   pr o po s e s t r uc t u r e ,   gi v e n   i S e c t i o n   3.   T h e   t h e o r e t i c a l   s t udi e s   a r e   v e r i f i e t hr o ug h   M a t l a b   s i m ul a t i o n   a nd  e xpe r i m e n t a l   p r o t o t y pe ,   pr e s e nt e i n   S e c t i o n   4.   T h e   s t e a d y   s t a t e   pe r fo r m a n c e   of  t he   m o de l   i s   pr e s e n t e i n   S e c t i o n   5.   F i n a l l y ,   t h e   c o n c l udi n r e m a rks   a r e   gi v e i S e c t i o n   5.       2.   P R O P O S ED   T O LO LO G Y   F i gu r e   de pi c t s   t h e   p r o po s e m ul t i s t ri n s e v e n - l e v e l   qZ s   b a s e a s y m m e t r i c a l   i n v e rt e r   f o r   g r i d - c o n n e c t e P V   s y s t e m .   T h e   qZ s   b a s e dc - dc   n e t w o r a c t s   a s   a   b a s i c   u n i t   a nd  i nt e rm e d i a t e   s t a ge   w h i c h   b oo s t s   t h e   i nt e rm i t t e n t   i n pu t   dc   vo l t a ge   ob t a i n e f r o m   t h e   P V   a rr a y ,   t o   t h e   de s i r e dc   l i n v o l t a ge   by   r e gul a t i n t h e   dut y   c y c l e   of   t h e   s w i t c h e s   1   a nd  2 .   A   C   f i l t e r   i s   us e f o r   c o n v e r t i ng  t h e   pu l s a t i n g   dc   l i n k   v o l t a ge   t o   s t a b l e   dc   vo l t a ge .   E a c h   b a s i c   un i t   c a n   b e   c o n s i de r e a s   a   s t r i n g .   H e r e ,   t w o   s t r i ngs   a r e   c o n s i de r e w h i c h   c a n   b e   c o n t r o l l e i nde pe n de n t l y ;   f a c i l i t a t e s   s i m pl e   c o n t r o l   o f   o pe r a t i o n.   T h e   a s y m m e t ri c a l   i n v e rt e r   i s   f e w i t h   t w dc   l i n v o l t a ge s   1   a n d   2   w h o s e   v a l ue s   a r e   b i na r y   i n   na t u r e   t o   ge n e ra t e   t h e   s e v e n - l e v e l   o ut put   v o l t a ge s   o ± 3  , ± 2  , ±    a n d   0 .   It   u t i l i z e s   o nl y   s i s w i t c h e s ,   o ut   o f   w h i c 5   a nd  6   a r e   o pe ra t e d   a t   t h e   f un da m e nt a l   f r e que n c y .   T h e   s w i t c h e s   3   a n d   4   a r e   o pe ra t e d   a t   s w i t c h i n g   f r e que n c y ,   w hi l e   t h e   s w i t c h e s   7   a n 8   a r e   o pe ra t e a t   a r o u n ha l f   t h e   s w i t c h i ng  f r e que n c y .   T h e   t o po l o g y   c a b e   e xt e n de t o   a i n c r e a s e n u m b e r   o l e v e l s ,   by   a ddi n t h e   s t r i n gs   w i t h   s ui t a b l e   c h a n g e s   i n   t h e   a s y m m e t r i c a l   i n v e r t e r .   T hi s   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   p r o v i de s   b e t t e r   pe r f o r m a n c e   i n   t e r m s   o f   e n ha n c e o ut put   vo l t a ge   ga i n   w i t h   l o w   T H D ,   l ow - v o l t a ge   ri de   t hr o ug c a p a b i l i t y ,   f i l t e r   s i z e   r e duc t i o n   a n d   l o w   E M d u e   t o   t h e   i n c r e a s e num b e o f   l e ve l s .           F i gu r e   1 .   P r o po s e M ul t i s t ri n g   S e v e n - l e v e l   qZ s   b a s e A s y m m e t r i c a l   I n v e rt e r   C 0 1 L 1 L 2 C 1 S 1 D o 1 C 2 C 2 C 0 2 L 1 L 2 C 1 S 2 D o 2 + B a s i c   u n i t   D 1 D 2 S 4 S 8 S 3     S 7 C o L o S 5 S 6 V 2 V 1 V P V 1 V P V 2 + G r i 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 .   15 ,   N o .   1 J ul y   201 9   :     8 8   -   9 4   90   2. 1 .       q Zs   d c - d c   C o n v e r te r   T h e   qZ s   b a s e dc - dc   c o n ve r t e r   b oo s t s   t h e   i n p ut   v o l t a ge   o bt a i n e f r o m   t h e   p h o t o vo l t a i c   a rra y   t o   a   c o n s t a n t   dc   l i n v o l t a ge .   It   c o n s i s t s   o f   a   t y pi c a l   i m pe d a n c e   ne t w o r k,   o n e   s w i t c h   f o r   o ut put   v o l t a ge   r e gu l a t i o n.   T h e   C - f i l t e r   i s   us e f o r   c o n v e r t i n pu l s a t i n g   dc   v o l t a ge   ob t a i n e a c r o s s   t h e   s w i t c h   t o   r e gul a t e dc   b us   v o l t a ge   1 a n d   2 .   A s s um i n g   c o n t i nuo us   c o n duc t i o m o de   of   o pe r a t i o n ,   t h e   t o t a l   o pe r a t i ng  pe ri o T   i s   b a s i c a l l y   di v i de i nt o   a c t i v e   s t a t e   T 1   a n d   s h o o t   t hr o ug h   s t a t e   T 0 .   T h e   e qu i v a l e n t   c i r c ui t s   o f   qZ s   dc - dc   c o n v e r t e u n de s h o o t - t hr o ug s t a t e s   a nd  a c t i v e   s t a t e s   a r e   s h o w n   i F i gu r e   2 .     0 + 1 = 0 + 1 = 1     (1)     W h e r e , D 0   a nd   1   a r e   t h e   du t y   c y c l e s   un de s h o o t   t hr o ug a nd   a c t i v e   s t a t e   r e s pe c t i v e l y .   T h e   dc   l i nk  vo l t a ge   [18 a c r o s s   t h e   s w i t c h   o f   t h e   qZ s   n e t w o r i s        (  ) =   1 + 2 = 1 1 2 0    (2)         (a )       (c )     (b )     F i gu r e   2 .   E qui v a l e nt   c i r c ui t s   o f   qZ s   dc - dc   c o n v e r t e (a )   S h o ot - t hr o ug s t a t e   (b A c t i v e   S t a t e   (c t y pi c a l   v o l t a ge s   a n c u rr e n t s   w a v e fo r m s       T h e   a t t e n u a t e f i l t e r e d   o ut put   v o l t a ge   w h i c h   i s   f e t o   s e v e n - l e ve l   a s y m m e t r i c a l   i n v e r t e r   i s   g i v e n   b y     0 =    (  ) = 1 1 2 0    (3)     T h e   s w i t c h e s   of   t h e   qZ s   dc - dc   c o n v e r t e r   a r e   o pe r a t e a t   a   l ow e r   dut y   c y c l e   w i t h i n   t h e   r a n ge   o   [0. 1 - 0 . 3]  w h e n   c o m pa r e t o   t h e   c o n v e n t i o na l   b o o s t   c o n v e r t e r   f o r   a n   e qui v a l e nt   o ut put   v o l t a ge   ga i n .   O pe r a t i n g   a t   hi g h e r   v a l ue s   o f   dut y   c y c l e   i n v o ke s   h i g h   i n p ut   c u rr e n t   w h i c h   l e a ds   t o   i n c r e a s e l o s s e s   a n d   r e duc t i o n   i n   e f f i c i e n c y .       2. 2 .       S e v e n - Le v e l   A s ym m e tr i c a l   I n v e r t e r   T h e   a s y m m e t r i c a l   i n v e rt e i s   f e w i t t w o   c o n s t a nt   dc   b us   v o l t a ge s   1   a n d   2   o b t a i n e f r o m   t h e   s t ri n gs   t o   s y n t h e s i z e   t h e   s e ve n - l e v e l   o ut put   vo l t a ge .   T hi s   i nv e r t e r   i s   a dv a n t a ge o us   i n   c o m pa ri s o n   w i t h   CH i n v e r t e r;   a s   i t   r e qui r e s   o nl y   s i s w i t c h e s   a nd  o pe r a t e s   w i t h   r e duc e a v e ra ge   s w i t c h i ng  l o s s e s .   H ow e v e r ,     i t   de m a n ds   s w i t c h e s   o f   di f f e r e n t   v o l t a ge   ra t i ngs .   T h e   s w i t c h e s   5   a n d   6   a r e   ra t e d   a t   3  ;   s w i t c h e s   3   a n d   4   a r e   ra t e a t   2  ,   s w i t c h e s   7   a nd   8   a r e   ra t e d   a t    .   I t   c a b e   n o t i c e t ha t   t h e   o pe ra t i n g   f r e que n c y   of   t h e   s w i t c h e s   i s   i n v e r s e l y   pr o po r t i o n a l   w i t h   r e s pe c t   t o   t h e   v o l t a ge   s t r e s s   a c r o s s   t h e   s w i t c h,   w hi c o pt i m i z e s   t h e   ov e r a l l   s w i t c hi n l o s s .   F i gu r e s   3(a )& (b s h o w s   t h e   m ul t i c a rr i e r   s i n us o i da l   P ul s e   w i dt h   m o dul a t i o n   t e c hni que   a n t h e   c o rr e s po n di ng  s w i t c h i n g   s c h e m e   f o r   t h e   ge n e r a t i o n   o f   c o n t r o l   p ul s e s .     V o + - + - I o I L 1 D R C 1 C 2 L 1 V i n - + + - L 2 + - C o + - I L 2 I D   =   0 D 0 1 I D 0 1   =   0 0 0 1 I o i D 0 V L V D C V c 1 V c 2 S T N S T i L T = T 0 + T 1 T 0 T 1 V i n S V D L 2 C 2 C o V i n V o - + + - - + + - I o D R i L 1 i D C 1 + - i L 2 L 1 + - 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       Mul t i s t r i n s e v e n - l e v e l   quas i   Z - s our c e   bas e d   as y m m e t r i c al   i nv e r t e r   ( J am m y   R am e s h   R a hul )   91     (a )     (b )     F i gu r e   3 .   ( a )   M ul t i c a rri e S i n us o i da l   P W M   (b S w i t c h i ng  s c he m e s   fo r   7 - l e v e l   i n v e r t e r       3.   C O M P A R I S O N   WI TH   EX I S TI N G   TO P O LO G I ES   A   b r i e f   c o m pa r i s o n   o f   t h e   pr o po s e i n v e r t e r   w i t h   e xi s t i ng  s e ve n - l e v e l   qZ s   b a s e i n v e r t e r s   i n   t e r m s   of   t h e   n u m b e r   o a c t i v e   a n pa s s i v e   c o m po n e n t s ,   t o t a l   b l o c ki n v o l t a ge   a nd  c o n t r o l   c o m pl e xi t y   i s   s h ow n   i T a b l e   1.   I t   c a n   b e   n o t i c e t h a t   t h e   p r o po s e i n v e r t e r   r e qui r e s   r e duc e s w i t c h   c o un t ,   l e s s   n u m b e r   o f   dc   s o ur c e s   a n i n d uc t o r s .   T h e   pr o po s e i n v e r t e r   de m a nds   l o w e r   de v i c e   c o un t   w h e n   c o m pa r e t o   po pul a r   s e v e n - l e v e l   CH B - qZ S a n Ca s c a de qZ S I.   T h e   t o t a l   b l o c ki n v o l t a ge ;   t h a t   i s   t h e   s um   o f   t h e   vo l t a ge   s t r e s s e s   a c r o s s   a l l   t h e   s w i t c h e s   i s   c o m put e d   t o   b e   15      w h i c i s   s l i g ht l y   h i g h e c om pa r e d   t o   CH B - qZ S I,   w h e r e      i s   t h e   dc   l i n v o l t a ge .   T h e   c o n t r o l   i s   s i m p l e ,   a s   t h e   qZ s   dc - dc   c o n v e r t e r s   c o n s i s t   o a   s i n g l e   s w i t c h   w h i c h   c a n   b e   c o n t r o l l e d   i n de pe n de n t l y   t o   pr o duc e   c o n s t a n t   dc   b us   v o l t a ge .       T a b l e   1. Co m pa ri s o n   o f   P r o po s e In v e r t e w i t h   E xi s t i n g   T o p o l o gi e s   P a ra m e t e r s   CH B - q Z S I   [1 5 ]   Ca s c a d e d   q Z S [1 4 ]   P ro p o s e d   In v e r t e r   In p u t   d c   s o u r c e s   3   3   2   In d u c t o r s   6   6   4   Ca p a c i t o r s   6   6   6   D i o d e s   3   3   4   S w i t c h e s   12   10   8   T o t a l   Bl o c k i n g   V o l t a g e   12     18     15     Co n t r o l   C o m p l e x i t y   M e d i u m   M e d i u m   L o w       4.   R ES U LTS   A ND  DISCUSSIO N   4 . 1 .       S i m u l ati o n   R e s u l ts   F i r s t l y ,   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   m o de l   i s   t e s t e i n   M a t l a b   s i m ul a t i o n   w i t h   t h e   p a r a m e t e r s   s h o w n   i T a b l e   2.   A s s um i ng  c o n t i nuo us   c o n duc t i o n   m o de   of   o pe r a t i o n ,   t h e   s t e a dy   s t a t e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   m o de l   i s   t e s t e fo r   i n put   v o l t a ge s   V P V 1,   V P V o f   30V   a n 60V   r e s p e c t i v e l y ,   s h o o t   t hr o ug h   dut y   c y c l e ,   D O   of   0. 25  t pr o duc e   a   de s i r e 110V r m s   a c   o ut put   v o l t a ge .   T h e   v a l ue s   of   t h e   i n d uc t a n c e   a n c a pa c i t a n c e   o f   t h e   qZ s   n e t w o r a r e   de s i g n e a s   pe r   t h e   gui de l i n e s   a r e   gi v e n   i n   [1 9].   T h e   f i l t e r   c a pa c i t o r   i s   s e l e c t e a s   2000μ F   i o r de t o   ke e t h e   v o l t a ge   f l uc t ua t i o n s   i s pe c i f i e l i m i t s   [20] .         T a b l e   2 .   S i m u l a t i o a nd  E xpe r i m e nt a t i o n   P a r a m e t e r s   P a ra m e t e r s   A t t ri b u t e s   In d u c t a n c e   o t h e   q Z s   c o n v e rt e L , r L   0 . 5   m H ,   0 . 0 9 2 Ω   Ca p a c i t a n c e   o f   t h e   q Z s   c o n v e r t e r   C , , r c   S w i t c h i n g   F r e q u e n c y   o q Z s   n e t w o rk   1000 F , 0 . 1 2 Ω   1 0   K H z   S w i t c h i n g   F r e q u e n c y   o M L   3   K H z   F i l t e r   Ca p a c i t o C o ,r c0   2000 F , 0 . 1 2   F i l t e r   P a ra m e t e r s   L f ,C f   4 m H ,   2 5   F   RL   L o a d     6 0   , 1 0   mH       F i gu r e   4(a s h o w s   t h e   s i m ul a t e w a v e fo r m s   o f   t h e   i n pu t   v o l t a ge ,   i n pu t   c u rr e n t ,   di o de   c u rr e nt   a n dc   b us   v o l t a ge   fo r   t h e   qZ s   n e t w o r k.   It   c a n   b e   n o t i c e t ha t   t he   i n p ut   c u rr e n t   i s   c o n t i nuo us   i n   na t u r e ,   w hi c h   i s   a l s o   e v i de n t   f r o m   t h e   di o de   c ur r e nt   p r o f i l e   a n t h e   dc   b us   vo l t a ge   i s   a l m o s t   m a i n t a i n e c o n s t a n t .   F i gu r e   4(b 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 .   15 ,   N o .   1 J ul y   201 9   :     8 8   -   9 4   92   de pi c t s   t h e   dc   l i nk  vo l t a ge   a n di o de   vo l t a ge   w h i c h   a r e   pul s a t i n a nd  c o m pl i m e n t a r y   t o   e a c h   o t h e r.     F i gu r e   4(c )   s h o w s   t h e   c a pa c i t o v o l t a ge s   1   a n d   2   w h i c a r e   b oo s t e t o   45V   a nd   15V   r e s pe c t i v e l y .     F i gu r e   4(d)  de pi c t s   t h e   i n v e r t e r   o ut put   v o l t a ge ,   f i l t e r e o ut put   vo l t a ge   a n o ut put   c urr e n t .   T h e   w a ve fo r m s   fo r   t h e   qZ s   II   n e t w o r a r e   a l s o   s i m i l a t o   t ha t   o f   qZ s   I.         (a )       (b )       (c )       (c )     F i gu r e   4 .   S i m u l a t e w a v e fo r m s   o f   (a )   I n pu t   v o l t a ge ,   i n p ut   c urr e n t ,   di o de   c urr e nt   a n d   dc   b us   v o l t a ge   (b dc   l i n k   v o l t a ge   a nd  d i o de   v o l t a ge   (c Ca p a c i t o r   v o l t a ge s   o f   qZ s   (d)   I n v e r t e r   o ut p ut   v o l t a ge ,   F i l t e r e o ut pu t   vo l t a ge   a nd  o ut p ut   c urr e nt       4 . 2 .       Ex p e r i m e n tal   V e r i f i c a ti o n     A   l o w - s c a l e   e xpe r i m e nt a l   p r o t o t y p e   i s   de v e l o pe a s   a   p r o o f - of - c o n c e pt   f o r   a   c a p a c i t y   of   200  W   i n   t h e   l a b o r a t o r y   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   5.   T h e   g a t i ng  pu l s e s   fo r   t h e   s w i t c h e s   a r e   ge n e r a t e us i n g   X i l i n s y s t e m   ge n e ra t o r   b l o c ks   i n   M a t l a b   s o f t w a r e   w i t h   A t l y s   S pa r t a n - 6   L X 45  F P G A   pr o c e s s o r .   T h e   s w i t c h e s   IR F 640N   M o s f e t ,   S c h o t t ky   di o d e   M BR 20200CT   a r e   us e i n   qZ s   n e t w o r ks ,   C T 60  IG B T   m o dul e   f o r   s e ve n - l e v e l   i n v e r t e r.   T h e   T L P 250  o pt o c o upl e r   a c t s   a s   t h e   d r i v e r   c i r c ui t   a n p r o v i de s   t h e   n e c e s s a r y   i s o l a t i o n   f r o m   t h e   pow e r   c i r c u i t .   T w o   r e gul a t e dc   s o ur c e s   a r e   us e a s   i n put   v o l t a ge   s o ur c e s   fo r   t e s t i n t h e   m o de l .     T h e   e xpe r i m e n t a l   r e s ul t s   a r e   c a pt u r e us i n T e kt r o n i D P O   3034  w i t h   t h e   h e l o f   D i f fe r e n t i a l   p r o b e   T M D P 0200   a n d   Cu rr e nt   P r o b e   T CP 0030 .   T h e   e xpe r i m e n t a l   r e s ul t s   o t h e   i n put   v o l t a ge ,   i n pu t   c urr e n t ,   di o de   c urr e n t   a n dc   b us   vo l t a ge   of  qZ s   a r e   s h o w n   i n   F i gu r e   6 ( a ) .   It   c a b e   n o t i c e t h a t   du ri n t h e   s h o o t - t hr o ug h   pe ri o d,   t h e   i nput   c u rr e nt   i n c r e a s e s   l i n e a rl y   w h i l e   t h e   c u rr e n t   t hr o ug h   t h e   di o de   i s   z e r o .   F r o m   F i gur e s   6 (b a nd  (c ),   i t   c a n   b e   o bs e r v e t h a t   t h e   dc   l i n v o l t a ge   i s   pul s a t i ng  i n   na t u r e   a n t h e   c a pa c i t o r   v o l t a ge s   a r e   boo s t e d   b a s e o n   t h e   s h o o t - t hr o ug h   dut y   c y c l e   a n a r e   c o n s t a n t   i n   s t e a dy   s t a t e .   F i gu r e   6 (d)  s h o w s   t h e   w a ve fo r m s   of   t h e   i n v e r t e r   o ut put   v o l t a ge ,   5 0 6 0 7 0 0 . 4 0 1 0 . 4 0 1 1 0 . 4 0 1 2 0 . 4 0 1 3 0 . 4 0 1 4 3 0 3 1 V i n 1   ( V ) V 1   ( V ) T i m e   ( s e c ) 1 2 0 0 1 2 3 4 I D 1   ( A ) I i n 1   ( A ) 2 0 4 0 6 0 0 . 4 2 0 1 0 . 4 2 0 2 0 . 4 2 0 3 0 . 4 2 0 4 0 . 4 2 0 5 2 0 4 0 6 0 T i m e   ( s e c ) V d c l i n k   ( V ) V d i o d e   ( V ) 0 . 4 0 1 0 . 4 0 1 1 0 . 4 0 1 2 0 . 4 0 1 3 0 . 4 0 1 4 2 0 3 0 4 0 5 0 T i m e   ( s e c ) V c 1 V c 2 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 - 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 V o   ( v ) V o f i l t e r e d   ( V ) I o   ( A ) 0 . 4 0 . 4 2 0 . 4 4 0 . 4 6 0 . 4 8 0 . 5 - 2 - 1 0 1 2 T i m e   ( s e c ) 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       Mul t i s t r i n s e v e n - l e v e l   quas i   Z - s our c e   bas e d   as y m m e t r i c al   i nv e r t e r   ( J am m y   R am e s h   R a hul )   93   f i l t e r e o ut put   v o l t a ge   a n o ut pu t   c urr e n t .   It   i s   e v i de n t   t ha t   a l l   t h e   e xpe ri m e n t a l   r e s ul t s   a r e   i n   go o a gr e e m e nt   w i t t h e   s i m u l a t i o r e s ul t s .             F i gu r e   5 .   E xpe r i m e nt a l   S e t up   o f   t h e   P r o po s e In v e rt e r             (a )   (b )         (c )   (d)     F i gu r e   6 .   E xpe r i e m e n t a l   w a v e fo r m s   o f   (a )   I n pu t   v o l t a ge ,   i np ut   c u rr e n t ,   di o de   c urr e n t   a n dc   b us   v o l t a ge   (b dc l i n v o l t a ge   a n d   di o de   v o l t a ge   (c C a p a c i t o v o l t a ge s of   qZ s   (d I n v e rt e o ut put   v o l t a ge ,   F i l t e r e d   o ut put   vo l t a ge   a nd  o ut p ut   c urr e nt       5.   C O N C LU S I O N   A   s i n gl e - p ha s e   m u l t i s t r i ng  s e v e n - l e v e l   qua s i   Z - s o ur c e   b a s e a s y m m e t ri c a l   i n v e r t e r   i s   p r e s e nt e f o r   t h e   g r i d - c o nn e c t e p h o t o vo l t a i c   s y s t e m .   T h e   p r o po s e i nv e r t e r   i s   a n   u pg r a de   o f   qua s i   Z - s o ur c e   dc - d c   c o n v e r t e r   a n s e v e n - l e v e l   a s y m m e t r i c a l   i n v e r t e r   w i t f e a t u r e s   o f   r e duc e s w i t c h   c o un t ,   m o dul a ri t y ,     hi g h   e f f i c i e n c y   a n s i m p l e   c o n t r o l .   A   b r i e f   c o m pa ra t i v e   s t udy   i s   m a de   t o   s h o w c a s e   t h e   m e ri t s   o f   t h e   p r o po s e d   i n v e r t e r.   T h e   s t e a dy   s t a t e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   m o de l   i s   t e s t e a n v e r i f i e i n   s i m u l a t i o n   a n e xpe r i m e n t a t i o n ,   a n t h e   r e s ul t s   a r e   p r e s e n t e d .   V i n 1   [ 2 5   V / d i v ] V 1   [ 5 0   V / d i v ] I i n 1   [ 2   A / d i v ] I D 1   [ 2   A / d i v ] V d c l i n k   [ 5 0   V / d i v ] V d i o d e   [ 5 0   V / d i v ] V c 1   [ 2 0   V / d i v ] V c 2   [ 2 5   V / d i v ] V o   [ 1 0 0   V / d i v ] V o   ( f i l t e r e d )   [ 1 2 5   V / d i v ] I o   [ 2   A / d i v ] 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 .   15 ,   N o .   1 J ul y   201 9   :     8 8   -   9 4   94   R EF ER EN C ES   [ 1]   N .   A .   R a hi m ,   e t   al . ,   " M ul t i s t r i ng   F i v e - L e v e l   I n v e r t e r   w i t N o v e l   P W M   C o nt r o l   S c he m e   f o r   P V   A ppl i c a t i o n, "   I E E E   T r ans ac t i ons   on   I ndu s t r i a l   E l e c t r o ni c s ,   v o l .   57 ,   p p.   2 111 - 212 3,   20 1 0.   [ 2]   S .   K o ur o ,   e t   al . ,   " R e c e n t   a dv a nc e s   a n i ndu s t r i a l   a p pl i c a t i o ns   o f   m ul t i l e v e l   c o nv e r t e r s , "   I E E E   T r an s ac t i ons   on   I ndu s t r i al   E l e c t r o ni c s ,   v o l .   57 ,   pp.   2 553 - 258 0,   20 10 .   [ 3]   S ur o s o ,   e t .   a l . ,   " S i m pl i f i e f i v e - l e v e l   v o l t a g e   s o ur c e   i nv e r t e r   w i t l e v e l - ph a s e   s h i f t e c a r r i e r s   ba s e m o d ul a t i o t e c hni que , "   I ndone s i an  J ou r na l   o f   E l e c t r i c a l   E ngi ne e r i ng   and  C om put e r   Sc i e nc e ( I J E E C S) v o l .   13 ,     pp.   46 1 - 468,   2 019 .   [ 4]   M .   S .   M a no ha r a n ,   e t   al . ,   " A   N e w   P ho t o vo l t a i c   S y s t e m   A r c hi t e c t ur e   o f   M o dul e - I nt e g r a t e C o nv e r t e r   w i t a   S i ng l e - s o ur c e A s y m m e t r i c   M u l t i l e v e l   I nv e r t e r   us i ng   a   C o s t - e f f e c t i v e   S i ng l e - e n de P r e - r e g ul a t o r , "   J our n al   o f   P ow e r   E l e c t r oni c s ,   v o l .   17 ,   pp .   222 - 231 ,   201 7.   [ 5]   Y .   O une j j a r ,   e t   al . ,   " P a c ke U   C e l l s   M u l t i l e v e l   C o nv e r t e r   T o po l ogy :   T he o r e t i c a l   s t u dy   a nd  E xpe r i m e n t a l   V a l i da t i o n, "   I E E E   T r an s ac t i ons   on   I ndu s t r i al   E l e c t r o ni c s ,   v o l .   58 ,   p p.   129 4 - 1306 ,   2011 .   [ 6]   K .   K .   G up t a ,   e t   a l . , " T o po l o gy   f o r   m ul t i l e v e l   i nv e r t e r s   t o   a t t a i m a xi m um   num be r   o f   l e v e l s   f r o m   g i v e D C   s o ur c e s , "   I E T   P ow e r   E l e c t r on i c s ,   v o l .   5 ,   pp .   4 35 - 446 ,   201 2.   [ 7]   F .   Z .   P e ng ,   "   Z - S o ur c e   I nv e r t e r , "   I E E E   T r an s ac t i ons   on   I ndu s t r i al   A ppl i c a t i ons ,   v o l . 39 ,   p p.   50 4 - 510 ,   2 003 .   [ 8]   J .   A nde r s o n ,   e t   al . ,   " F o ur   Q ua s i - Z - S o ur c e   I n v e r t e r s , "   in   P r oc e e d i ngs   P ow e r   E l e c t r oni c s   Spe c i a l i s t s   C on f e r e nc e   P E SC ,   200 9,   pp .   274 3 - 2749 .   [ 9]   Z .   R a s i n,   e t   al . ,   " D e s i g a nd   D e v e l o pm e n t   o f   G r i c o nne c t e Q ua s i - Z - S o ur c e   P V   I n v e r t e r , "   I n t e r na t i o nal   J o ur na l   of   P ow e r   E l e c t r on i c s   a nd  D r i v e   Sy s t e m ( I J E P E D S) v o l .   9,   p p.   19 89 - 2005,   20 18.   [ 10]   O .   H us e v , e t   a l . ,   " C o m pa r i s o o f   I m pe da nc e - S o ur c e   N e t w o r ks   f o r   T w o   a nd  M u l t i l e v e l   B uc k - B oo s t   I nv e r t e r   A ppl i c a t i o ns , "   I E E E   T r ans a c t i o ns   on   P ow e r   E l e c t r on i c s ,   v o l .   31,   p p.   756 4 - 7579 ,   2016 .   [ 11]   P .   C .   L o h ,   e t   al . ,   " T hr e e - l e v e l   Z - s o ur c e   i nv e r t e r s   u s i ng   a   s i ng l e   L C   i m pe da nc e   n e t w o r k , "   I E E E   T r ans ac t i o ns   on   P o w e r   E l e c t r o ni c s ,   v o l .   22 ,   pp.   7 06 - 711 ,   2007 .   [ 12]   P . C .   L o h , e t   a l .,  " F i v e - l e v e l   Z - s o ur c e   d i o de - c l a m pe d   i nv e r t e r , "   I E T   P o w e r   E l e c t r o ni c s ,   v o l .   3,   p p.   50 0 - 510,   2 010 .   [ 13]   O .   H us e v ,   e t   a l . ,   " S i ng l e   P ha s e   t h r e e - l e v e l   n e u t r a l - po i n t - c l a m pe q ua s i - Z   s o ur c e   i nv e r t e r , "   I E T   P ow e r   E l e c t r oni c s ,   v o l .   8,   pp .   1 - 10 ,   2 015 .   [ 14]   M .   R .   B a na e i ,   e t   al .,   " S i ng l e   P h a s e   Z - s o ur c e - ba s e m ul t i l e v e l   i n v e r t e r   w i t r e d uc t i o o f   s w i t c he s , "   I E T   P ow e r   E l e c t r oni c s ,   v o l .   5 ,   pp.   3 85 - 392 ,   2012 .   [ 15]   D .   S un ,   e t   a l . ,   " M o de l i ng ,   i m p e da nc e   d e s i g a nd  e f f i c i e nc y   a na l y s i s   o f   qua s i - z   s o ur c e   m o dul e   i c a s c a de pho t o   v o l t a i c   s y s t e m , "   I E E E   T r ans ac t i o ns   on   I ndus t r i a l   E l e c t r on i c s ,   v o l .   61,   pp .   610 8 - 6117 ,   2014 .   [ 16]   R .   P a l a ni s a m y ,   e t   a l . ,   " M a x i m um   B o o s t   C o nt r o l   f o r   7 - l e v e l   Z - S o ur c e   C a s c a d e H - B r i dg e   I nv e r t e r , "   I n t e r na t i ona l   J our nal   o f   P ow e r   E l e c t r on i c s   a nd  D r i v e   Sy s t e m ( I J P E D S) v o l .   8,   pp .   739 - 746 ,   201 7.   [ 17]   J .   R .   R a hu l ,   e t   a l . ,   " A   N e w   C a s c a de d   Q ua s i - Z   S o ur c e   B a s e S i ng l e   P ha s e   S e v e n - L e v e l   I n v e r t e r , "   i I E E E   St ude nt s   C onf e r e nc e   on   E l e c t r i c al ,   E l e c t r on i c s   a nd   C om pu t e r   Sc i e nc e   SC E E C S,   201 6,   pp .   1 - 4.   [ 18]   Y .   L i ,   e t   a l . ,   " Q ua s i - Z - S o ur c e   i nv e r t e r   f o r   P ho t o v o l t a i c   po w e r   g e ne r a t i o s y s t e m s , "   in   P r oc e e di ngs   2 4t A nnua l   I E E E   A pp l i e P ow e r   E l e c t r on i c s   C o nf e r e nc e ,   2009 ,   pp .   918 - 92 4.   [ 19]   D .   S un ,   e t   al .,   " I m pe da nc e   D e s i g o f   Q ua s i - Z   S o ur c e   N e t w o r k   t o   L i m i t   D o ubl e   F u nda m e nt a l   F r e que nc y   V o l t a g e   a nd  C ur r e n t   R i ppl e s   i S i ng l e - P ha s e   Q ua s i - Z   S o ur c e   I nv e r t e r , "   E ne r gy   C onv e r s i o C onf e r e nc e   and  E x p os i t i on ,   2013 pp.   2 745 - 275 0.   [ 20]   Y .   H .   L i a o ,   e t   al . ,   " N e w l y - C o ns t r uc t e S i m p l i f i e S i ng l e - P ha s e   M ul t i s t r i ng   M ul t i l e v e l   I nv e r t e r   T o po l o gy   f o r   D i s t r i bu t e d   E n e r g y   R e s o ur c e s , "   I E E E   T r a ns a c t i on s   on  P ow e r   E l e c t r oni c s ,   v o l .   26 ,   pp .   2386 - 23 92 ,   2 011 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.