Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l. 5,  N o 1 ,  Ju ly 20 14 , pp . 71 ~75  I S SN : 208 8-8 6 9 4           71     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  A Three Phase Multi Level Conv erter for grid Connected PV  System      K.S.  Srik an th   Departem ent  of  Ele c tri cal  and  E l ectron i cs  Eng i ne ering,  KL Univ e r s i t y       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Mar 28, 2014  Rev i sed  May  9, 201 Accepted  May 25, 2014      Photovoltaic en erg y   is a wide kind of green  ener g y . A high p e rf ormance on   thes e s y s t em s  is   needed  to m a ke   the m o s t  of  ener g y  produ ced  b y   s o lar c e lls .   Also, ther e must be a constan t  adapta tion du e to  the  continuous  variation o f   power productio n. Control  techn i ques for Power Converters like the MPPT  algorithm (Max imum Po wer Point Tr acking)  pr esent v e r y  good  results on   photovoltaic ch ains. Neverth e les s , lo sses on po wer elements reduce global  perform ance  and  the vol tage /curr e nt ad apta tion  is not alway s  possible.  Th is   paper presen ts a  single-phase 11 -leve l  (5 H-brid ges) cascad e m u ltil evel DC- AC grid-tied in verter . Each inv e rter  bridg e  is connected to a 200 W  solar  panel. OPAL-RT lab was used as the  hardware in the loop (HIL) real- time  control s y s t em  platform  where  a M a xim u m  P o wer P o int Track ing (M P P T algorithm was implemented based on the  inver t er output power to assure  optimal oper a tio n of the inv e rter  when c onnected  to the power gr id as well as   a Phase Locked  Loop (PLL) for phase  and frequ ency  match. A no vel SPWM  schem e  is propo sed in  this pap e r to b e  used  wit h  the  solar p a ne ls that  c a n   accoun t for voltage profile f l uctuations among the panels durin g the d a y .   Simulation and  experimental  resu lts are shown for  voltag e  and cu rr ent during  s y nchronization  mode and p o wer tr ansferring mode to  valid ate th methodolog y  for  grid  connectio n   of renew a ble res ources.  Keyword:  Co nv erter  Gri d   MPPT   Mu ltilev e Pho t ov o ltaic   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Dr. K . S .S ri ka nt h,   Depa rtem ent of Electrical a n d  El ect ro ni cs E n gi nee r i n g,   KL Uni v er sity Gree nfi e l d s,  V a dde swa r am , Gu nt u r   Di st ri ct , A n dh ra P r a d e s h,  I ndi a.   Em a il: srik an th.d sd @g m a il.co m       1.   INTRODUCTION   Because e n ergy resource s a nd t h eir  utilization  will  be  a prom inent issue  of t h is c e ntury, the  pr o b l e m s  of n a t u ral  re so urc e  de pl et i on,  e nvi ro nm ent a l  im pact s, and t h e ri si ng  dem a nd  f o r  ne ener gy   resources ha ve  been  disc usse d fe rve n tly in recent year s .  Several form s of re newa ble ze ro  pollution e n ergy   reso u r ces, i n cl udi ng  wi nd , s o l a r,  bi o,  ge ot h e rm al  and so  f o rt h,  ha ve g a i n ed m o re p r om inence  an d a r bei n g   researc h e d  by  m a ny  sci e nt i s ts and en gi ne er s [1] - [ 2 ] .  S o lar cell  in stallatio n s  in vo lve th e u s e of m u lt ip le so lar  panel s   or m o d u l e s, w h i c h ca n be c o nnect e d  i n  seri es o r  in   p a rallel to  prov id e th d e sired  vo ltag e  lev e l  to  th inverter. The cascaded H-br idge m u lti level i nverter topology requi res  a separate DC sour ce for each  H-bri dge  so  th at h i gh  po wer and / or h i g h   v o ltage th at can  resu lt fro m   th e co m b i n atio n   o f  th m u l tip le  m o d u les in  a  m u l tilevel inverter would  favor t h is topol ogy [3]-[7].  To  maxi m i ze the  energy ha rvested from  each string,  a   m a xim u m  pow er p o i n t  t r ac ki ng  (M PP T) st r a t e gy  i s  nee d ed . Th e task  of  find ing  th op ti m u m  o p e ration  po i n might increase  the com p lexity and co m ponent count as the num b er of is olated DC sources increas e. The   app r oach  ch os en t o  deal   wi t h  t h e  n u m b er  of  i n put  s o urc e s was  t o  m oni t o r  AC   o u t p ut  p o w er  pa ra m e t e rs  in stead   o f   DC  in pu t m easu r emen ts [8 ]. Trad itio n a l m u ltil ev el in v e rters i n clud e cascad e d  H-bridg e  inverter,  di o d e cl am ped i nvert e r , an d f l y i ng capaci t o r s  i nvert e r . T h i s  pape r f o cuse s on t h e si ngl e - p h ase 1 1 -l e v el  ( 5  H - b r i d g e s) cascad e  m u ltilev e l i n v e rter.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   71  –  75  72 2.   PV CELL  TOD A Y  p hot o vol t a i c  (P V) p o we r sy st em are bec o m i ng  m o re and  m o r e  po pul ar , wi t h  t h e i n crease   of e n er gy  de m a nd an d t h e  conce r of e nvi ro nm ent a l   pol l u t i o n a r o u nd t h e w o rl d.  Fo ur  di ffe ren t  sy st em   co nfigu r ation s  are wi d e ly dev e lop e d in   grid -con n ect ed   PV  p o wer app licatio n s : th e cen tralized  i n v e rter  sy st em , t h e st ring i n ve rt er sy st em , t h m u lt i   st ri ng i n ve rt er sy st em  and t h m odul e-i n t e gr at ed i nve rt er s y st em Gen e rally th ree typ e s o f  inv e rter syste m s e x cep t th e ce nt r a l i zed i nvert e r  sy st em  can be  em pl oy ed as sm al l - scal e di st ri b u t e d ge ne rat i on  ( D G )  sy st em s, such a s  resi dent i a l  powe r  a ppl i cat i ons.  The m o st  i m port a nt  d e si gn   con s t r ai nt   of  t h e P V   D G  sy s t em  i s  t o  o b t a i n  a  hi gh  v o l t a ge  gai n .  F o r  a  t y pi cal  PV m odul e,  t h e  o p e n - c i r cui t   v o ltag e  is abo u t 2 1 V  and  th max i m u m  p o w er  po in t ( M PP) v o ltag e  is ab ou t 16 V. And  the u tility g r id   is 220  or 1 1 0 Vac .  Th eref ore ,  t h e hi gh  vol t a ge am pl i f i cat i on i s  o b l i g at o r y  t o  real i ze t h e gri d -c on nect ed  fu nct i on an d   achi e ve t h e l o w t o t a l  ha rm oni c di st o r t i o (TH D ) .  T h e c o n v e n t i onal  sy st em  requi re l a rge  num bers  of  PV   m odul es i n  ser i es, and t h no rm al PV array  vol t a ge i s  bet w een 1 50 a nd  4 5 0 V , a nd t h e s y st em  power i s   m o re  than 500W. This syste m  is not appli cable to the  m odule - int e grate d  inve rt e r s, beca use the  typical powe r  rating  of the m odule - integrate d  inve rter  syste m  is  below 500W,  and the m o du les with powe r ratings  betwee n 100  and  2 0 0 W  a r al so q u i t e  com m on. The  ot he r m e t hod i s  t o   use a l i n e f r e q uency  st e p - up  t r ans f o r m e r, and t h no rm al  PV array  vol t a ge i s  b e t w een 3 0  a n d  15 0V . B u t th e lin e frequ en cy tran sfo r m e r has th e d i sadv an tag e o f  larg er size an d   weigh t . In  th e grid-conn ected  PV sy stem, powe r electroni c inve rters are neede d  to re alize  t h e p o w er  co n v ersi on gri d  i n t e rc on nect i o n ,  an co nt r o l   opt i m i zati on.  The  resi de nt i a l  gri d -c on nect ed P V   sy st em  i s  sho w n i n  t h bel o Fi gu re  1.       Fi gu re  1.  Di a g r a m  of a  resi den t i a l  gri d - c o n n e c t e d P V  sy st e m       grid connec ted system  is  connected to a  large i n d e p e nd en g r i d   (typ ically th e p u b lic electricity  g r i d )  and  f e ed s po w e r  in t o  th e g r i d Gr id  conn ected   syste m s v a r y  i n  size  f r o m  r e sid e n tial ( 2 - 10kW p)  to   so lar  powe r stations . This  is a  form  of dece ntralized electri city  g e n e ration .  In th e case  of resid e n tial or  b u ild ing  m ount ed g r i d   con n ect ed  PV  sy st em s, t h e el ect ri ci t y  dem a nd  of t h e b u i l d i ng i s  m e t  by  the P V  sy st em . Onl y   th e ex cess is  fed  in t o  th e gri d   wh en   t h ere i s  an e x cess .  T h e feedi n g of  el ectricity in to  th g r id requ ires th t r ans f o r m a ti on  of  DC  i n t o   AC  by  a  speci al g r i d -c o n t r ol l e d i nve rt er.       3.   PROP OSE D  CO NCEPT   Th is p a p e r p r esen ts  si n g l e-ph ase 11 -level  (5   H-bridges) cascad e  mu ltilev e l DC-AC grid-tied  i nve rt er as sh o w n i n  t h e Fi g u r e 2. Eac h  i n v e rt er b r i d ge i s  con n ect ed t o  a  20 W  s o l a panel .   OP AL - R T l a was used as t h e hardware in t h e loop  (HIL real-tim control sy stem  platform  wh ere a  Maxim u m  Power Poi n Tracki ng  (M P P T) al g o r i t h m   was i m pl em ented bas e on t h e i nve rt er o u t p ut  p o we r t o  ass u re  opt i m al  operat i o n   of t h e inve rter when c o nne cted to t h power grid  as well as a Phase  Loc k ed  Loop   ( P LL)  for  ph ase and  fre que ncy  m a tch.  A  n o v el  S P W M  sc hem e  i s  pr o p o sed  i n   t h i s  pa pe r t o   b e  use d  wi t h  t h e sol a panel s  t h at  ca n   account  for  vol tage profile fl uctuations  am ong the  pa nels  during the  day. B ecause e n ergy  resources a n d thei u tilizatio n  will b e  a  p r o m i n en t issu o f  th is cen t u ry, th e pro b l ems o f  n a t u ral  resource d e p l etio n,  envi ro nm ent a l im pact s, and   t h e ri si n g   dem a nd  f o ne w e n er gy  res o urce s ha ve bee n   di scusse d fe r v en t l y  i n   recent yea r s.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Three Phase  Multi Level Converter for  grid  C o nnected PV Syste m  (K.S.  Srikanth)   73     Fig u re  2 .  Mu ltilev e l in verter syste m  o v e rv iew      An  ove r v i e of t h e sy st em   i s  sho w n i n  Fi gu re. T h e co re  com pone nt  of  t h i s  i nvert e r  d e si gn i s  t h e   fo ur -s wi t c h c o m b i n at i on sh o w n i n  Fi gu re.  B y  con n ect i n g t h DC  s o u r ce t o  t h e AC  out put   by  di f f ere n t   co m b in atio n s  o f   th e four  switch e s, Q 11 , Q 12 , Q 13 , a nd  Q 14 , t h ree  di f f e rent  v o l t a ge  out put  l e vel s   can be  gene rated for each  DC source,  +V dc , 0,  a nd - V dc . A cascad e inv e rter with  N inp u t  sou r ces  will p r ov ide  (2 N+1 )  l e vel s   t o  sy nt hesi ze t h AC   out p u t   wave f o rm . Th e DC   so urc e  i n  t h e i n ve rt er  com e s from  t h e PV   arrays, a nd the switching signals c o m e  from   the  m u ltic arrier sinus o idal pulse  widt h m odulation  (SP W M )   cont rol l e r.  T h e  1 1 -l evel  i nve r t er co nne ct s fi ve  H- bri dges  i n  se ri es an d i s  co nt rol l e d by   fi ve set s   of  di f f ere n t   SPW M  signals   to gene rate  a near  sinu so id al  w a v e fo r m  [ 9 ]- [1 1 ]     4.   MATL AB/SI M ULI N K  RE SULTS   Here t h e si m u l a t i on i s  carri ed  out  by  t w o ca ses 5. 1 an d 5. 2 .  Three P h ase  C a scaded  11 l e vel  In vert e r   co nn ected to   grid   with ou t PV Cells.  2. T h ree Phase Cas caded 11 level  In verte r  c o nnected to  gri d   with PV  Cells. All th ese Cases A carrier sh i f t i n g P W M  Tech ni q u e i s  use d .         5.   SIMULATION RESULTS  5.1. Three Phase  Cascaded  11 -level I n ver t er  Connecte d  to Grid without P V   Cells   Th e sim u latio n resu lts are  shown in  t h e Fi g u re 3  and   4 .           Fig u re  3 .  11  lev e l   Ou t p u t   Voltag e  of cascaded  M u ltilev e l In v e rter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   71  –  75  74       Fig u re  3 ( a). Grid  Vo ltag e   wit h ou t PV cell   Fig u re 3 ( b). Grid   Vo ltag e  wit h ou PV  cell       5.2. Three Phase  Cascaded  11 Level I n ve rter  Connecte d  to  Grid with PV Cells         Fi gu re  4.  O u t p ut  v o l t a ge  o f  t h ree  phase  C a scad ed 11  lev e l i n v e rter  with   PV cells          Fi gu re  4(a ) .  O u t p ut  v o l t a ge  o f  t h ree  pha se  C a scad ed   1 1  level in v e rter  with PV cells      6.   CO NCL USI O N   This pa pe r pre s ented a  Single Phase a n d three phas e ele v en-le v el casca de H- bri d ge i n vert er , w h i c uses PL L an M PPT wi t h  se parat e  s o l a pa nel s  as  DC sou r ces t o  in teract with  th e power  g r i d A SPW M   approach was prese n ted  to de al  with  the  une v en power transferring c h ar acteristics o f  t h co nv en tio n a SPW M   m odul at i on t e c hni que . T h i s  t echni que  p r o v e d t o   be s u cce ssful   d u e t o  t h e i rra di ance  pr ofi l e  an d t h e u s e o f   capaci t o rs  t o  s m oot h t h vol t a ge  fl uct u at i o n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Three Phase  Multi Level Converter for  grid  C o nnected PV Syste m  (K.S.  Srikanth)   75 The system  was dri v en at  2kHz beca use  of  spee d co nst r ai ns o f  t h e c o nt r o l  pl at f o rm , whi c req u i r e d   bul k filter com ponents. Gri d  connection results were  s h own usi ng the  propose d MPPT algorithm .   Future   work i n cludes  the use  of a  DSP plat form  to increase s w itching freque ncy  and  red u ce fi l t er re qui r e m e nts. The   entire PV syst e m  structure a n d its in teracti o n with th grid  thro ugh  PL L  an d M P P T  al go ri t h m s  were  sho w b y  th sim u lat i o n resu lts.      REFERE NC ES    [1]   F aete F i lho, Yu e Cao,  Leon  M   Tolber t. 11- leve l  Cas caded   H-bridge Grid-tied In verter  Interf ace  with Solar Pan e ls.   IEEE Trans.  201 0:  968-972 .   [2]   AJ Morrison.  Global Demand Projections  fo Renewab l e Energy  Resources .  I E EE  C a na da  E l e c t r i c a l  Po we r   Conference. 200 7: 537-542.   [3]   J Rodriguez, S  Bernet , Bin Wu, JO Pontt, S Ko uro. Mu ltil evel Voltage-Source- C onverter Topol ogies  for  Industrial  Medium-Voltag e  Drives IEEE Transactions  on  Industrial Electronics . 2007 ; 54( 6): 2930- 2945 .   [4]   LM  Tolb ert,  F Z  P e ng. M u l til ev el Conv erters   as  a Ut ili t y  Int e rf ace  for R e newa ble  Energ y  S y s t em s .   IEEE  Pow e Engineering Society Summer Meeting ,  S e attle . Washington. 2000; 1271- 1274 .   [5]   S Khom foi, LM. To lbert .  Mul til evel  Power Con v erters.   Power Electronics Hand book,  2nd  Edition Elsev i er. ISBN   978-0-12- 08847 9-7, 2007; Chap ter 17: 451-482.   [6]   S Busquets-Mo nge, J Rocaber t, P Rodriguez,  S Alepuz,  J Bordonau. Multilevel Diode-clamped Converter   for   Photovoltaic Generators with  In dependen t  Volt a g e Control of  E ach Solar  Arra y . IEEE Transacti ons on Industrial  ele c tr onics . 200 8; 55: 2713-272 3.   [7]   E Ozdemir, S O z demir,  LM Tolbert,  B O z pineci. Fundamental Fr equency  Modulated Multilev el I nverter fo r Three- phase Stand-alo n e Phot ovoltaic Application.  IE EE App lied  Po wer Ele c tronics  Conference an d Exposition . 2 008;  148-153.   [8]   SA Khajehoddin ,  A Bakhshai, P  Jain.  The App l ication o f  th e Ca scaded Multil ev el Conv er ter s  in  Gr id Connect e d   Photovoltaic Sys t ems . IEEE Can a da Elec trical Power Confer ence. 2007: 296-301 .   [9]   S Ozdem i r, E Ozdem i r, LM Tolber t, S Khom foi. Elim ination of Harmonics in a Five-level Diode- c lam p ed  Multilev e l Inv e r t er Using Fundam e ntal Modul ation.  In ternation a l Conference o n  Power Electr onics and Drive  sy ste m s.  2007; 2 7 -30: 850-854.   [10]   JS Lai, FZ Pen g . Multilevel C onverter s - A  New Breed of  Power Converters.  IEEE Transactions on Indu stry  Applica tions . 19 96; 32(3): 509-5 17.   [11]   B Kavidha, K  Rajambal.  Transformerless Cascaded Inverter   Topology for Photovolta ic  App lic ations. Ind i a   International Co nference on  Power El ectronics, C h ennai, Ind i a. 20 06: 328-331.   [12]   O Alonso, P  Sanchis,  E Gubi a, L Marro yo .   Cascaded H-bridge Multilevel Converter for Grid Connected   Photovoltaic Generators with I ndependen t  Ma xi mum Power  P o int T r acking o f  each So lar  Ar r a y.  IEEE Power  Electronics Specialist Confer ence. 2003; 731-735.   [13]   A Abete,  R Napoli,  F Spertino.   A Simulation Pr ocedure to Predict the M onthly Energy Supplied  by Grid Connected  PV Sy ste m s.   Pho t ovolta ic  Ene r g y  Conversion. Pro ceed ings  of 3rd   W o rld Conferen ce. 2003;  3:  242 7-2430.   [14]   E Villanuev a , P Correa, J Rodriguez.  Control of a Single Phase Hbridge Multilevel Inverter for Grid-connect ed P V   Applica tions . Power Electronics  and Motion  Con t rol Conf eren ce.  Poznan. Poland.  2008; 451-455.   [15]   RB Godoy , HZ Maia, FJT Filh o, LG  Junior, JOP Pinto, GS  Tatib ana.  Desig n  and Implementation of a Utility  Interact ive  Conv erter for Smal Distributed Gen e ration . IEEE In dustr y  Applications  Conference.  2006; 1032-103 8.   [16]   S M   S ilva, BM  Lopes ,  BJ C F ilho, RP  Cam p ana, W C   Boaventur a . P e rform ance  Evalu a tion of P LL Algorithm s  for  Singlephase Grid-c onnected S y s t ems.  IEEE Ind u stry Applica tio ns Society  Annu al Meet ing , Se a ttle , W a shington 2004; 2259-226 3.       BI O G R A P HY  OF   A U T HO       K.S.Srikanth was born in Kakin a da, Andhra Prad esh, India in  the  y e ar 1977.  He was awarded  B.Tech EEE d e gree  in th year 1999 from  Che nnai Univ ersity . He was awarded M.Tech  Instrumentation  degree  in the  y e ar 2001 from Andhr a University. He was awarded Ph.D degree in  the  y e ar 2010 fr om Andhra Uni v ersity . He h a s 13  y e ars of teaching experience. He is currently  working as  pro f es s o r in th e d e partm e nt  of  E l ec tric al  and  El ectron i cs  Eng i n eering ,  Koneru  Lakshmaiah University , Vijay a w a da, Andhra Pradesh, India.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.