Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 1,  April 201 6, pp. 107 ~ 11 4   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i1.pp10 7-1 1 4        107     Re cei v ed  De cem ber 2 7 , 2015; Re vi sed  March 17, 20 16; Accepted  March 28, 20 16   Synchronverter Control for Parallel Operation of  Cascad ed H-Bridge Inverter      Am ar H a m z a * 1 , Sara Alta hir* 2 , Xiang w u Yan 3    State Ke y  L a b o rator y  of Alter nate Electric al  Po w e r  S y stem  w i t h  Re ne w a bl e Energ y  So ur ces (North Ch i na  Electric Po w e r Univers i t y ), Ch ang pin g  Distric t, Beijing 1 0 2 2 06, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : amarhamz a 2 010 @hotma il.c o m 1 , sara yalta her5 55@ ya h o o .com 2 ,  xi an g w u y @ hot mail.com 3       A b st r a ct   A 21-lev e ls ca scade d H-bri d ge multil eve l  in verter  topol ogy  based o n  thre e-ph ase volta g e  source   inverter h a s b een pr op osed  as a super i o r repl ace m e n t  for conventi ona l tw o-level  in hig h  volta g e   app licati ons. In  this w o rk w e   have  pres ente d  the  usa g e  of  the  new  tech niq ue c a ll ed  vi rtual sy nchro n o u s   gen erator b a se d synchro n ver t er mo del to  op erate the  multil evel i n verter as  synchron ous  g ener ator, and t o   share  active  a nd r eactive  p o w er auto m atic ally  in  ca se  of  par all e l  op era t ed i n verters  o f  the sa me typ e .   Carrier- bas ed  PW M is use d  t o  co ntrol  each  ph ase  leg   of t he c a scad e d   H-brid ge  multi l e vel  inv e rter. This   carrier-b ase d   PW M sche m e   is d e rive d fro m  the c a rrier  p h a se  disp ositi o n  pu lse w i d th  modu latio n  strat egy.   By aid  of MAT L AB/Simul i nk  packa ge  a si mulati on ex per i m e n t is esta bli s hed to v e rify the p e rfor manc e o f   the prop ose d  techn i qu e.      Ke y w ords :   di stributed  gen e r ation, casc ad ed H-Bri dge  in vert er, synchro nverter, ph ase  dispos itio n pu ls e   w i dth mo dul ati on,  para lle l op eratio n         Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   For the fo ssi l  fuel co st, pollution, an d ot her envi r onm ental  eff e ct s, the  Di stributed   Gene rato rs (DG )  ba se d o n  re ne wabl e  energy s ources  are  conn e c ted to  the p o we r  system  via  power ele c tro n ic inverte r  [1 ]. Although, the 2-level  inv e rter offe rs fa st and a c cura te control of t h e   output p o wer, it req u ire s   a DC volta g e  high er  th an  the pe ak AC voltage  whi c h is not  alwa ys  dire ctly available. In additio n , with just two le vels, the inverter o u tpu t  voltage can  have high Tot a l  Harmoni c  Distortion (THD). This is  und esirable  be ca use it requi re s hig h  freq ue ncie s a bout (3   kHz- 1 0  kHz) and the addi tion of  expensive AC filters to obtai n high quality output voltage and   curre n t, thus,  it has limited  use d  mainly  due to  swit chi ng lo sses,  switching  device  voltage ratin g   con s trai ns, a nd high Ele c troMa gneti c  Interferen ce (EMI) [2, 3].  On the other hand, multilevel  power i n vert ers present t he adva n tag e s of  pro d u c i ng bette r qu ality waveform at the p o i n t of  con n e c tion to the grid  and facilitati ng the la rg e scale inte gration of DG due to their  modula r ity.thus, multilevel  inverters are  used a s  a superi o r repla c eme n t for convention a l two- level in high voltage ap plications. Howe ver,   the large  numbe r of switche s  su bsta ntially incre a ses  the req u ire m ent of the converte r cont rolle r [4 -9].  One of the  most commo nly use d  wa y of  gene rating th e gate sig nal s for the swit che s  is  the  carri er ba se d pulse width  modulatio n. Among  different m e thod s of  ca rri er b a se p u lse wi dth  mo du lation (P WM ), the mo st  co mmon type s  are:   a) ph ase di spositio n (PD-PWM); b )  ph ase  oppo si tio n  dispo s ition  (POD-PWM),  and  c) alte rn ate   pha se opp osi t ion  di spo s itio n  (APO D-P W M).  PD-PWM   tech niqu e  i s  based on a compa r ison of a   sinu soi dal si g nal at the fun damental fre quen cy refe rence and tri a ngula r  high f r eque ncy carri e r   sign als to de termine level s  of output voltages. Th e carrie r sig nals a r e in  pha se an d h a ve  amplitude off s et. This techniqu e gene rated lowe r T HD with hi g her mod u lati on indices, see   Figure 10 [10 ,  11].  Gene rally, the DG  can  op erate in i s la n d  mode  or g r i d  co nne cted  mode. In case of islan d   mode, ho w to sha r e a c tive and re activ e  powe r  amo ng parallel conne cted inv e rter b e come  a   chall enge  [1]. Und e r i s la nd ing mo de, vol t age ma gnitu de an d fre q u ency a r e  drift  at the poi nt  o f   comm on cou p ling therefore islan d ing  p r otection i s  important issu e s .     In orde r to   make  pa rallel  co nne ction, t he mo st im p o rtant p o int i s  that th e loa d  shari ng  among   invert ers. Usually ther e  are two types of  control  sc he m e s. Fi rst  one  ba sed  on t he  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  107 –  114   108 comm uni cati on sy stem, which limit the  system  relia b ility, and expanda bility. The se co nd o n e  is  based o n  d r oop m e thod  whi c h  ope rate thro ugh  tight adju s tm ent over th e  output volta g e   freque ncy an d amplitude o f  the inverter to compe n sate the active and rea c tive p o we r unb alan ce   [1, 12].     In [5], the integratio n of a large  scale  PV plant was p r esented a nd a study on the use of   a novel co nverter top o log y  for the reali z ati on of the  VSG: a cascaded  H-b r id g e  topology ba sed   on sin g le ph a s e current so urce inverte r s (CHB -CSI ) was inve stigate d .   In [ 13 ],  carrie r-b ased P W M is  used to  sep a rately  co ntrol e a ch ph ase  leg  of the  modul ar  multilevel inverter  and to  allow the li ne -to-lin e  voltag e to be devel oped im plicitl y . These  ca rrier- based PWM  scheme s  a r e  derived from t he ca rri er di spositio n strat egy.  In  order  to mi mic a synchronou s gen era t or cha r a c teri stic, th e mai n  functio n   of V S G is to  control the inj e cted p o wer  at AC side in verter of a DG.  In this p ape r,  a twe n ty on e-level volta g e  source  inverter cascad ed H-b r idg e  t opolo g y  based i s   pre s ented  as a  ca se  study i n  o r der t o   st udy t he imp a ct  of  different  conv erter topol ogi es  on the d e si gn  and o peratio n of the Virtu a l Sync h r on o u s G ene rato rs (VSG s). T h e VSG ben efits   its inherent o peratio n freq uen cy and vo ltage dro opi n g  mech ani sm  for load sh ari ng.            The rest  of this p ape r i s   orga nized a s  follows: se ct ion II rep r e s e n ts the m a th ematical  model  of SG. Detail s of u s ed casca ded   H-b r id ge s inv e rter and  the  VSG co ntrol  are  pre s e n te d in  s e c t ion III. In s e c t ion IV the s i mulation  res u lt s  ar e disc us sed. All the s i mulations are  performed   in MATLAB/SIMULINK. Fin a lly, concl u si ons a r e me ntioned in  se ction V.      2.  Mathem atica l  Model of Sy nchrono v e rter    The m a them atical m odel  of the th re e-ph as e cylindri c al -roto r SG  that  de scrib ed by  equatio n (1 -1 3) is u s ed in t h is pa per a s   controlle r [4, 5, 14].               (1)           (2)   Whe r e    is th e pha se te rminal voltage .    is the stat or ph ase current.     i s  t h e  t h r e e - pha se ge nerated voltage.    and   are th e re sista n ce and ind u cta n c e of the stat or wi nding s,  r e spec tively.    2      (3)      ‚    (4)        (5)     ‚     (6)     ‚    (7)       2 3  2 3     2 3  2 3  (8)         (9)   _    (10 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Synchron vert er Co ntrol for  Parallel O peration  of Ca scaded  H-Bri d g e  Invert er (A m a r Ham z a)  109  1     (11 )           (12 )   2 √ 3     (13 )   Whe r e   is the mecha n ical torqu e  appli e d  to the rotor.    is the elect r o m agneti c  torq ue.   is  the   rotor angl e.   and   are th e  active an d re active po we r  respe c tively.   is the in ertia  consta nt.    is the field e x citation.   is  the angula r  speed.   is the nominal mecha n ical spe ed.    is  the  freque ncy droop co efficie n t.    is  the  voltage droo p coefficie n t.   is the output voltage  amplitude.       3.  In v e rter De s c ription and  VSG Contr o l   Figure 1  depi cts th e thre e-pha se inve rte r  whic h con s i s ts of  ca scad ed conn ectio n  of 10   cell s of H-b r i dge in ea ch  pha se of the inverter . Each bri dge  co nsi s ts of four insulated - g a t e   bipola r   tran si stor (IGBT) switch es drive n   by  pulse width-mo dulate d  (PWM ) gat e circuit s , an d  isolate d  DC sou r ce. The  VSC use d  to perform  the  function s of the DC/AC co nversi on an d  to   interface with  the grid if deeded.    Figure 2 sho w s th e po we r circuit for o n e  pha se le g  of a three - lev e l ca scade d i n verter.  The  circuit ge nerate s  th ree  voltages at the outp u t (+ V d c, 0, -V dc) a s  in ta ble 1.  We a s sum e  that   the DC bu s  of the VSC i s  con s tant. T hen, Th e AC output ph ase voltage i s   con s tru c ted   by  addin g  the vo ltages  gen era t ed by the dif f erent  cells.  One a d vanta ge of this  structure i s  that  the  output wavef o rm is n early  sinu soi dal [ 15 , 16 ].   The ove r all structu r e a s  d epicte d  in Fi gure  3 is  sh o w n to be  equ ivalent to a SG with   cap a cito r ba n k  conn ecte d i n  parallel  with the st ato r  t e rmin al. Figu re 4 a nd 5  d epict s the bl o c k   diagram of the VSG contro l and two VSGs suppli ng a  commo n loa d , resp ectivel y  [14].        Table 1. the switchi ng stat e s  co rrespon di ng to Figure 2  S1  S2 S3 S4      Vo  1  1  0  0  0  0  1  1  1  1  0  1  0  0  1  0  +Vdc  0  0  -Vdc           Figure 1. Three pha se 2 1 -l evel ca scade d H- Bri dge m u ltilevel inverter (Y-  con n e c ted)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  107 –  114   110     Figure 2. One  cell structu r e  of cascad ed  inverter          Figure 3. The  main circuit  of three pha se inverter  with load an d gri d           Figure 4. Block di agram of  VSG control            Figure 5. Isol ated syste m  inclu d ing two VSGs      4. Resul t s  and  Analy s is   To examine the pro p o s ed  method, the mat hemati c al  model descri bed by equati ons (1- 13 ) is applied  to  the casca ded H-brid ge inverter  that shown in Figure 1  and the isolate d  syste m   of figure 5 i s  simulate d in  MATLAB/Simulink.  Th e  para m eters f o r sim u lation  are p r e s ent ed in   table II. As a result, the inverter behav es as a  sy nchronous generator. Sinc e, it’s important  for   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Synchron vert er Co ntrol for  Parallel O peration  of Ca scaded  H-Bri d g e  Invert er (A m a r Ham z a)  111 large  scal e in verters to  sh are th e lo ad i n  propo rti ona l to their cap a citie s  to im p r ove the  sy stem   reliability a n d  re dund an cy, the  real  an d  rea c tive   po wer delivered by  syn c h r onv erters co nne cted  in  pa rallel ca n  be autom atically sha r ed. From Fi gu re s 6 an d 7  it ca n be  ob se rve  that, the out put  active and  re active po wer for two simil a r inverte r s most be  sam e , so it is no t nece s sary to   repe at the sa me re sult. Also both active  and re ac tive  power tra c k their refere nces very well.    Two  cases a r e  simul a ted  to evaluate  the p e rfo r man c e  of the  pro posed  metho d  un de r  different in ert i a con s tant. We  note that  the ove r sho o ts in th e a c tive and  rea c tive powe r   are  limited in case of small ine r tia. As a result, for a give n freque ncy  droo p co effici ent D p ,  J sho u ld  be made  sma ll.    The result s o b tained fo r the load  can b e  see n  in Fig u re 8 a nd 9,  whi c h sho w  the loa d   power an d ou tput frequen cy, respe c tively. When  an active load increase from 22 0kW to 240kW,  at t =  0.2  s, the  system  re spo nde d very  fast.  F i gu r e s   1 1  an d   1 2  dep ic t th e in ve r t e r  ou tp u t  ph as e  voltage whi c h  comp rise 21-level and its redu ced  o r de r THD. The m easure d  outp u t voltage THD  wa s 2.02%. Figure s  13  and  14 sho w  the  purely  sinu so idal load volt age s and  cu rrents  whi c h a r e  in pha se.         Figure 6. Output active po wer of on e in verter with: (H=1s& H=0.0 05s)          Figure 7. Output rea c tive powe r  of  one i n verter  with: (H=1s& H=0.0 05s)          Figure 8. Loa d active for two pa rallel in verters with: (H=1s& H=0.0 05s)  0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0 5 10 15 x 1 0 4 Ti m e ( s ) Ac t i v e  P o we r ( W )     H = 0. 0 05s H=  1 s 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0 500 0 1 000 0 1 500 0 Ti m e (s ) R e c t i v e  P o we r ( Va r )     H = 0 . 005 s H= 1 s 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0 1 2 3 x 1 0 5 Ti m e ( s ) lo a d  P o w e r ( W )     H = 0. 0 05s H= 1 s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  107 –  114   112     Figure 9. The  system freq u ency with (H=1s & H=0.005 s)          Figure 10. Simulation of carri er-ba s e d  PWM sc he m e  usin g the in  phase dispo s ition (IPD),   (a) Mo dulatio n sign al and i n -ph a se ca rri er wavefo rm s (b) Pha s e “a” output voltage          Figure 11. Inverter o u tput p hase voltage  21-level s   0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0 10 20 30 40 50 60 Ti m e ( s ) F r e que nc y ( H z )   H = 0. 0 05s H= 1 s -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 (a )   (b )   -1 0 V d c +1 0 V d c + v e  n ode - v e  n ode 0. 12 0. 1 4 0. 1 6 0. 1 8 0. 2 0. 2 2 - 5 000 0 5 000 Ti m e ( s ) P h as e  V o l t a g e ( V )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Synchron vert er Co ntrol for  Parallel O peration  of Ca scaded  H-Bri d g e  Invert er (A m a r Ham z a)  113     Figure 12. Ha rmoni c Spe c trum of 21 -level  Phase Volt age at modul ation index =0 .98          Figure 13. Th ree - ph ase loa d  voltages            Figure 14. Th ree - ph ase loa d  curre n ts        Table 2. sim u lation parame t ers  Parameters   Values   Parameters     Values   V  V  RMS P  Q  D D V  ω 500 V 6.2kV 120kW 12.9kVar 94 117 5058 314 r a d/sec H K R L C P  f  f 0.005s 150000 0.13Ω 2.02mH 1.15µ F 240kW 7.5kHz 50Hz   5. Conclu sion   In this  pap er  a control  st rat egy nam ed  synchr onve r ter that provide i nertial  and  da mping   effect wa s u s ed to co ntrol  a 21-l e vel ca scade d  H-bri dge inve rter t opolo g y base d  on thre e-ph ase  0 100 0 2 000 300 0 40 00 50 00 60 00 7 000 0 10 20 30 40 50 F r e q ue nc y ( H z ) F u nda m e n t a l  ( 5 0H z )   =  4 148  ,  T H D=  2. 02% M a g ( %  of  F u nda m e nta l ) 0. 2 0. 2 5 -5 0 0 0 0 50 00 Ti m e ( s )  L o a d  Vo l t a ge s ( V)     0. 2 0. 2 5 -4 0 -2 0 0 20 40 Ti m e (s )  L o ad  C u r r en t s ( A )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  107 –  114   114 voltage source inverte r  in  orde r to e m ul ate t he dyna mic a nd tra n sient perf o rma n ce  of SGs  a n d   to produ ce b e tter quality waveform at the termi nal. More over, pa rallel op erati on of two large  scale DGs  wi th an isol ate d  load  wa s investigat e d . The overall p e rform a n c e  wa s evaluate d  for  two different ca se s of inertia consta nt. The  pro p o s e d  method wa s verified through si mulati on  res u lts.     To the  be st  of ou r  kno w l edge, S G  p o pular  to give excelle nt  re spon se s whe n   ope rate  with hi ghly in ductive  syste m  a s  in  case  of high  voltag e po we r  syst em, thu s , this pap er confirmed   a benefit of usin g VSG tech niqu e for large  scale  d i stribute d  gen erato r s in re gard of b r ing  the  whol e pe rformance of SG  in high volta ge po we r  sy stem. This  can  open  ne w a pplication s  in  the  future.        6. Ackn o w l e dg ement  This pa pe r is  sup porte d by The Natu ral  Scien c e Fu nd ings of Hebei  (E2014 502 1 09) an d   The Fun dam ental Re se arch Fun d s fo r t he Ce ntraln  Universitie s  (2014Z D3 0).   The autho rs woul d like to than k Oma r  Busati, for hi s help.       Referen ces   [1]   Z hang G et a l .  A novel c ontr o l strategy for  para lle l-con nec ted conv erters  in low  volta ge  micr ogri d , in  T r ansportation Electrificati on Asia-Pac ific  (ITEC  Asia-Pac ifi c ). IEEE Conference a nd E x p o . 2014: 1- 6   [2]   Adam GP et al. Quasi-t w o - l e v e l an d three- le vel op eratio n o f  a diode-c l am ped mu ltilev e l i n verter usi n g   space vector m odu latio n .  Power Electronics, IET . 2012; 5(5): 542-55 1.  [3]   Rodri g u e z J, JS Lai an d F Z  Peng. Multil evel i n verters:  a surve y   of topol ogi es, co ntrols, and   app licati ons.  IEEE Transactions on Industrial Electronics . 2 002; 49( 4): 724 -738.   [4]   Malin o w ski M  et al. A survey on c a scad e d  multil evel i n verters .   IEEE  Transactio n s o n  Industria l   Electron ics.  20 10; 57(7): 2 197 -220 6.  [5]   T o rres M, et al.  Integratio n of  a lar ge-sc ale  photov olta ic  pl ant usi ng  a  multilev e l c onv er ter topol og y   and virtu a l sy nchro nous  ge nerator co ntrol , in IEEE 23rd Internationa l S y mposium  on Industrial  Electron ics (ISIE). 2014: 26 20 -262 4.  [6]   Shinta i T ,  Y  Miura  and  T  Ise.  Reactiv e  p o w e r control  for lo ad s hari n g w i th virtua l  synchro no u s   gen erator co ntro l. in 7th Inte rnatio nal P o w e r Electroni cs  a nd Motio n  C o n t rol Confer enc e (IPEMC) .   201 2: 846- 853.   [7]   Z hong QC an d   T  Hornik.  Con t rol of pow er inverters in rene w able en ergy  and s m art grid  integrati o n .  John W i l e y  & S ons. 201 2; 97.   [8]   Rash eed M, R  Omar and M  Sula iman. H a r m onic R e d u ct i on in M u ltil eve l  Inverter Base d on S upe r   Cap a citor as a  Storage.  T E LK OMNIKA Indon esia n Journ a l o f  Electrical Eng i ne erin g . 201 5; 16(3).   [9]   Murali M. A Ca scade Mu ltilev e l Z - Source  Inv e rter for Photo v oltaic S y stem.   T E LKOMNIKA Indones ia n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri ng.  201 5; 16(3) .  [10]   Mc Grath BP and DG Ho lmes .  Multicarrier P W M strategies  for mu ltilev e l i n verters.   IEEE Transactions   on   Industri a l El ectronics . 20 02 ; 49(4): 858-8 6 7 .   [11]   Konstanti n o u   GS and  VG  Agel idis.  P e rfo r ma nce  eva l u a tion  of h a lf-b ridg e casc ad e d   multi l ev el   converters  op erated w i th  multicarri er sin u s oid a l PW M techn i qu es . in 4th IEEE  Conferenc e on  Industria l Elect r onics a nd A p p licatio ns, ICIEA. 2009.   [12]   Lazzar i n T B ,  GA Bauer an d  I Barbi.  A control strategy for parall e l o per ation of sin g l e - phas e volta g e   source inv e rte r s:  analys is, desi gn and   e x peri m e n tal   re sults .  IEEE Transactions  on   In du stri a l   Electron ics. 20 13; 60(6): 2 194 -220 4.  [13]   Adam GP et al. Modul ar multilev e l i n ve rter:  Pulse  w i dth modu lati o n  and ca pac itor bal anci n g   techni qu e.  Power Electronics, IET . 2010; 3(5): 702-7 15.   [14]   Aoui ni R et  al.  Virtual syn chron ous g e n e rators dyn a m ic perfor m a n c e s , in IEEE International  Confer ence  on  Electrical Sci e nces an d T e chnol ogi es in Ma ghre b  (CIST E M). 2014: 1-6.   [15]   Lin B R , YP  Chie n  and  H H  Lu.  M u ltil ev el i n verter w i t h  seri es co nn ection  of H- br idg e  ce lls , in  Proceedings of  the IEEE 1999 In ternational Confer enc e on Po w e r  Electronics  and Driv e S y stem s ,   PEDS' 99. 19 99 : 859-86 4.  [16]   Kouro S  et a l .  Sing le  D C -li n k cascad ed H-bri dge multil eve l  mu ltistring  ph ot ovolta ic e nergy  convers i o n   system w i th in here n t bala n ce d oper ation . in  IECON 2012- 3 8 th Annu al  Co nferenc e on IEEE Industria l   Electron ics So ciet y ,  IEEE. 20 12: 499 8-5 005.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.