In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  4, D e c e m ber   201 9,  pp.  1833~ 18 51  ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 4.pp1833-1851     1 8 33     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Modular  multilevel converter  (MMC) based STATC O M with  vector control and virtual im pe dance voltage c om pensations        A .  U. Law an 1 ,  Haid er  A . F.  A lmu r ib 2 ,   Jeen  G .  K h or 3  1 , 2, 3  D e p a rtm e n t  o f   El ectrical & Electro ni c En gin e erin g,   U ni versit y   o f Not t ingha m ,   Malaysia    1  D e p a rtm e n t  o f El ectrical  En g i n eeri ng,  Hu s s e in i   A d am u F e d e ral P o lytechn i c,  N igeria       Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  O c t   8 ,  2018   Re vise d N ov  2 0 ,   201 8   Ac ce p t ed  M a y  2 9 ,  2 019      Thi s   p aper  p r e sent s  modul a r  multi l e vel  convert e r  (MM C )  wi t h   c ir cu lati ng   curren t   c on tro l   w hich   p ro vid e s  an   i m p ro ved   balan ced  cap aci to rs  vo lt ages .  The   c o ntrol  is   a c h ie ve d  b y   em ploy in g  c o mp e n sa tion   t e c h ni qu e s   i n  t h e   ext e rnal  a nd  in t e rnal  c ont rol s   o f   th e  MM C  b a sed   st atic  c o m pen s a tor  (S TATCO M ).  P erf o rm an ce  variat io ns   a ri se  d u r in g  STATCOM   n o n - idea l  op erati on  wi th  g rid  ext e rnally  a nd   d uri ng  capaci to rs   v oltag e   t r an si ent s   due  t o  charg i n g   a nd   d ischarg i n g   w ith in   t he  M M C   t h a t  resu lt   i n  t h e  em er gen ce  of   a   vo lt age  d i sturb a nce.   T h e   p ro po rt io na l   integ r a l   ( P I)  co nt ro ll er  is  u sually  em pl oyed   i n   t he  e x t ern a l an d i n t e rnal  c on trol s fo r  a f a s t  res po n s e   and   reacti v e   current  c ont r ol .   In  t his   paper,  t he  p erf o rm anc e   o f   the  PI  c ontr ol l e r  is   im p r oved   u s i ng  vo lt age  com p en sat i on   i n  the  ext e rnal  c on tro l   a n d  v i r t u a l   im p e dance  i n   t h e   c ap a c ito r  vo lta ge   c o n t r o l  wi t h in   a   f i v e - le v e l   MMC.  The   p r o p o s e d   c o n t r o l   m i n i m i z e s  t h e  v a r i a t i o n s   i n  t h e  S T A T C O M  o p e r a t io ns  w i t h  th e  gri d   a n d   w it h i n  t h e  MM C  t o   p rovid e   a n   enhan ced  o ver a ll   s yst em   response.  K eyw ord s :   Mu lt ile ve l c o n v erter   STATCOM  P I  contro l l er  Vol t a g e  com p e n sa tio n   Co pyri gh t © 2 019 In stitute  of  Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Ab du rrah m an  Umar   Lawan ,    D e pa rtem ent o f  Elec t r i c a l a n d  Com p uter  E n g i ne er in g,  Uni v ersi ty o f  Notti n gham , Ma l ays i a Cam pus,   43 5 00 S e me ny i h .   Ma la ysia .  Em ail:  kecx 4a u a @ n ot tin g h a m .e du.m y       1.   I N TR OD U C TI O N    M u lti l e v e l   in ve rt er  t op olo g i e s  a r e  wi d e l y   a cc ep t e d   as  o n e   o f  t h e   m o s t   r ece nt   t ec hno lo g i cal  a d v a n ces   i n   p o w er  e l e ct ro ni c  i ndu st ri es.  Th e i r  u s e s   a re  m o s t l y   i n   th e   a r ea  of  h i gher- vo ltage   p ow e r   a pp l i ca ti o n s  su ch  a s   fle x ib le  A .C  t r a nsm i ss i on  sys t em s  ( F A C TS)  a p plica tio ns,  a nd  lar ge   p o w e r   e l ect ri c   d r iv e s .  Th es e  ap pl i cat i o n s   are   poss i ble   d u e   to  m u l t i leve l  con v er t e rs’  ba l a nc ed   a n d   d istr ib u t e d   v o lta ge  s tresses  tha t   a r e   s har e d  am ong  th e   sw it c h es.  P o w e r  qua lit y  ( P Q )   e nha ncem e n t  in  t he  p o w e r   s ystem   d i st ri but ion   has  b e en   a t t a i n ed   u si ng  m u l t i l e v e l  S T A T C O M s   [ 1 – 4 ] .  T h e r e  a r e  m a n y   t i m e  d o m a i n   b a s e d   c o n tr ol  s c h em es  s uc h  as  d irec t   a n d  i n - direc t   c ontro l,   pow e r   s y n ch ron i za ti on,   a n d   d ire c t -qu a dr ature( d- q)  v ec t o r   c o ntro l  m e th o d s  a p pl i e d   to  t he   mult i l e v el  S TA TCO M   f or  t h e   pow er  qua l ity  e n h a n cem e n t   [5– 8 ].   A m o ng   t he se  s c h em es,   the  m o st   c om m o n l y   em plo y e d   a re   t he   d i r ec t  con t rol  an d  t h e  d-q  ve c t or  c o n tr ol  m e t h o d s,  e mplo ye d  m o stl y   f or   r eac tive   p o w e r   (V A R ) com p ensa ti o n s i n  S T A TCO M  a pp l i c a ti ons[ 5 , 6] . STA TCO M  a pp l ica t i ons for V A R  com pe nsa t ion a n d   st a b il it y st u d i e s  have  bee n empl o y ed  b a s ed o n  differ e n t c o n t ro l s a nd m o d u l a t i on  sc hem e s [9– 11] .  G e nera lly,   t h e r e  is  t rade -o ff  b e t w e e n   t he  m odu la tio n  sc he me s,  t he  s w itc h i n g   fre que ncy,  t ra n s i e nt   respo n se  a n d   t he  u se   o f  filter s   f or  S TA TCO M   V A R   c om p e nsa t i on.   T he  t ransie nt  r e s po n s e  c a n  impr o v e   w i t h   hi gh  sw i t c h in g   fre q uenc y,   b ut   a t   t h e  e xpe nse   of  h i g h   l o ss   a nd  h a r m o ni c s .  S i nc e  fi l t e r s  su ch  a s  i n duc t o rs  a n d   ca paci t o rs  a re   i n v e r sel y   p r o p o rt io na l  to  s w i tch i ng  fre que n c y,   t he   h igh-s w itc hi n g   f re q u e ncy  a l l o w s   t h e   u se  o f  smal l   f ilt ers  and   re sult s  in   m ore  ma rg i n   g ai n  t o   b e   u s ed   t o   co n tro l   t h e   V A R   a t  t h e  mo de rate  f r e qu enc i e s .   This   con t ro l  ac t i o n   w i l l  hel p   i n  im pr o v in g  t h e  tra n s i en ts.  Fil t ers   d o  red u ce   h arm onic s   i n  t h e  s y s t e m .   H o w e ver ,   t he  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4    I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 : 1 8 3 3   –  18 51  1 834 use  o f   f i l ters  i n  V A R   a p p lic a tio n  resu l t s  i n   t he  i ncre ase  o f   t h e  sys t e m   r e s p onse   de la y  [1 2].   F o r  ins t a n ce ,  a  selec t i v e harm on ic mod u l at i o n, w hi c h  is a   lo w - fr equenc y m o d u l a t i on c o n t r o l w a s em pl oye d i n  [1 3 ]. This w a s  ca rried  o u t   u s i ng  a pr o p o r ti o n al  ( P) contr o l l er  t o ac hie v e  VAR   com p ensa t i o n  i n a n  un b a l anc e d s y stem .   Al th oug h  th e   c o nt rol   u s ed   a   s e c o nd -o rd e r   f il t e r  to   s up p r es s  t h e   e f f ec t s   o f  di stor tio ns,  t h e   pro p o s e d   con t ro l  s t i ll  o f fe rs  a   f ast  r e s p o n se   by  re ac hi n g   i ts  s tea d y - st a te  w it hi n  5   cyles.   H ow e v er,   this  c ompe nsa tio n   w a s  ac h i e v e d   w ith  a   h ig her - sw it c h in g  fr equ e nc y   ( i . e   1 0  k H z)  t o  att a in   t he  d esi r e d   c u r re n t   c ont rol   b a ndwi d t h .  F u r t he rm o r e,   w hen  t h e   P - contr o l  a c t i o n   w a s  com p are d   w ith  t he  p r o p o r tio na l  i n te gra l   ( P I )  contro l   in  t he  syste m ,   the  d i s t or ti o n   i n  t h e  c u r r ent  w a s  ma rgi n a lly  r ed uce d .  A no ther   c o n t ro l  us ing  the  c a rr ier  shifte d  pu ls e   w i d t h  m udl a u a tio n  (CS P WM)  w a s  c a rr i e d  o u t  i n   [ 1 4 ].   T his  c o n t r o l   w as  f or  a   V AR  c ompe n s a t i on  i n   a   mult i l e v el  S T A TCO M   u n d e r   d iffere nt  o pe r a ti ng  c o nd iti o n s.  T he  c o ntr o l  pe rform anc e   w as  e val u a t ed   f r o m   ca paci t i ve   m od e   to  i n duc t i ve  m ode.   The  au t hor  c l a ime d   t o   ha v e   r e duc ed  t he  s w itc h i n g   freque ncy  by  th e  use   of  a   n e w   r e act ive  c u rren t   r e f er ence ,  the  c o nt r o l  wa s  ac h i eve d   u si ng  P - con t ro l l e r   b ase d   d ec o u p l e d   c u r rent  con t ro l.  H ow e v e r ,  there   w a s  a   de la y   i n   t he  s ys t e m  at the   s t a r t   up   o f  th e   con t ro l ,   w hi ch   r e a c h e d  i t s   s t eady - st at e  aft e r  ap pro x im atel y  10   c ycle s.  T hou g h   a t  t h e   t r an si tio n,  t he  t r ans i ent   res p on se  w a s   f ast .   A   w el l - t une d   PI- c o nt roll e r   c ould   y i e l d   re sp on se  w it h  ze ro  o r mi n i mu m  st ead y  st a te  err or w i t hi n   a   sm al l rise ti m e.   H ow e v er,   P I   con t ro l l ers  may  ha ve   s om e  d r aw ba cks  w h ic h  i n c l u d e  h i gh   s ettl in g   tim e  a nd  ove rs ho ots   [9,  15].  It  h as   a l s o   bee n   r e port e d  tha t   P I   con t ro l l ers  ha ve  p o o r  t r ans i en ts  c o m par e d   t o  o t h e r  c o n t r o lle rs  s uc h  as  hys ter e sis  a n d   ram p   t i m e  c o n t rol l ers  in  v ol t a ge  s our ce  i n ve rter   ( V S I)   S TATCO M s   [ 1 5 ] .   F or  e xa mple   i n   [ 16],  P I   c ontr o l   w a s   em plo y e d   f or  S TA TCO M  v o l t a ge reg ula t io ns,   bu t osc i l l a t i on ha s o cc urre d   i n   t he re s po n s e and pr od uce d  p oor  trans i en ts  t ho u gh  t h er e  was  a  minim a l  stea d y -st a te  e rror   in   t he   c omm a nd  trac k i n g .   A lter n at ive l y,   t he   s i m ple s t  appr oa ch   i s   to   u se  car rier  s hi fted   p u l se  w id t h   m od u l at i o n  ( C S P W M )   w h i c h   h a s  a  m o d e r a t e  s w i t c h i n g   fre que nc y  fe a t ure  a n d  a   few   c ontr o l  c o m p l i c a ti o n s.   T h i s  c o u l d  b e   e m ploy ed   w i t h   p r o port i o n a l   co nt rol l ers  f o r   a  dec r ea sed  rise   t im e  and  s t e a dy-s t ate  e rror  [14] .  H o w e ve r,  t h i s  w o ul d  be   a t  t h e  e xpe ns e  of  a n  i n c r ea se d   over  sho o t  com p are d   t o  pro p o rt iona l  in t e gral  ( P I )   contro llers.   Th is  i s   p o ssibl e   du e  to   t h e   f acts  tha t   a s  t h e  P - c o n t r o l l e r  p u s h e s   h a r d e r  f o r  a  g i v e n   l e v e l  o f   a n  e r r o r ,   i t  f o r c e s   t h e   c on t r o l   t o   resp ond   q ui ck ly   but   a l s o   t o   overs ho o t   m ore .   F or  a n  M M C  i n ver t e r   s pe ci fica ll y,   i n c re asin g  t h e  s t a c ke d  ce lls  i nc rea s e s   t he  s w i t c h i n g   fre que nc y  a nd  vo l t age  r i p p l es .  D e pend in g  o n   a   n um ber  o f   t he  l e v e l s,   t h i s  w ould,   i n  tur n ,  incr ease   th e  c o n t ro l  com p l i c a t i o ns  s uc h  as  t he  c a p ac it ors  v o l t a g e   b a l anc i ng   a n d   v o l t a g e  di st u r b a n c es   w hi ch   p ro du ce   h a r mo n i c  rip p les.  H ow e v er,   t h e   sw i t c h i n g  fr eq uenc y  a n d  v o l t a g e   r i pp les  i s s ues   cou l d  be  r esol ve d  b y   t he  u se  o f  fu n d am enta l  (low )  freq u e n c y   t ec hn i q ues  suc h   a s  selec tive   ha rm o n i c   e limi n a t i o n  (S H E )  or  opti m ize d   sw it c h i n g  tec h niq u e,   b u t   w it h   an  i ncre ase d   c ontro l  com p le x ity  s uch  a s   t he   m odu la ti on  a n gl e   ca lcu l a t io n   plus   the i n her e n t  di f fic u lt im p l e m enta t i o n   o f a   lo w   sw itch i n g  te c h n i que  [1 7 ] .    An ot h e r  ch al len g e   i n  th e  MMC   i s  th e   st ack ed   cell s   cap aci t o r  vo l ta ge   b a l a n ci n g .  I f   t he   p ow er   l osses   we re   i d e n t i cal   i n  all   th e   di ff eren t  H-b r i d g e   c e l ls,  th e   l o ss es  co ul d  be   s har e d  un i f orm l y   a m ong   t he   c el ls ;   th us,  the  ac t i ve  a nd   r eac ti ve   p ow e r   w oul d  be  d is trib u t e d   e q u a lly  w i t h i n   t he   M M C .   H o w e ver ,   b eca use   o f   t h e   m i s m a t c h  a m o n g  t h e  c o m p o n e n t s  e s p e c i a l l y   t h e   c e l l  c a p a c i t o r s ,  a n d   t h e   c harg i n g   a n d  di schar g in g  dur in g   s w i t c h i n g ,  t h e  c e l l s  w o u l d   n o t  b e h a v e   i d e n t i c a l l y ,   h e n c e   r e s u l t   i n  d i f f er ent  los s e s .  Th is  l e a d s  t o   v o l t a ge   imba l a nces  a n d   h arm o n i c  d i s t or ti o n s.   T o   a voi d  th is,  bala nc in g  c on tro l   s ch em es  c oul d  be   e mplo ye d  [18].   Thi s   has  be en  f urt h er   h i g h lig h t ed   a s  pa rt  o f  t h e  MMC   d es i g n   and  o p e r at io na l  c ons trai n t s  w h ic h  c o ntri b u t e   t o   t h e   ca paci t o r vo lta ge  rip ple,  c urr e nt r ipp l e,  a nd   p ow er  loss  de pe nd i ng o n   t he  c apac it or  a nd i n d u ct or  s i z es [1 9 ] .  The   ba lanc i ng  c ontro l  ha s  e f fe cts  on   t he   p o w er  qua li t y .  The   vo l t a g e   i mbal an c e   t h a t   c o ul d  ari s e   due  to  p oor   v o l tag e   b a l a n c i ng  c o ntr o l  i n jec t s  ha r m onic  c u r r ent s   i nt o   t h e  sy st e m   [ 1 8 ] .  Haw  et   a l .   [ 14 ]   and   Kaw  et   al.  [ 20]  h a v e  s t ud i e d  t h e   vo l t a g e  s u pp ort   b u t   d i d   n o t   c on s i d e r   the   issu e  of  c e ll  bala nc in g  vo l t age   dis t ur b a nce .   T h i s  d i s t u r b a n c e  c o u l d  c o n t r i b u t e   t o   t h e  e m e r g e n c e  o f   t h e   v o l t a ge  d i f fere nce  be tw e e n  t h e  a r ithm e ti c a l   ave r age   dc   c ap ac i t or  v o l t a ge  o f  a l l   t h e  p h as es,  a n d   t h e  tota l   a r ithm e t i ca l  me an  d c  ca pac i t o r  vo lta ge   f r o m  ea ch  pha se.   Th i s   c o n s i dera t i on   c o u l d   h a v e  im pro v ed   t he   s y s t e m   pe rfor m a nc e  i n   t e r ms  o f  the   a c tive   pow er  s hari ng  betw ee n  the   S T A T CO M  a n d  t h e  gri d ,  a nd  i m pro v e   sys t em   s tab i l i t y .   H ow e v er,   balanc in g  co ntr o l  add s   com p l i c a t i o ns  by  a d di n g   m a n y  co n t ro llers  m ost l y  P I - c on t r ol l e rs  i n   t he  m odu la ti o n   c o n tr ol.  T h is  a d d it i on  o f   t h e  c ont rol l e rs  i n  th e   sy st e m   p ut s  mo re  p re ssu re  o n   t h e  digi t a l   i mpl e ment at i o n ;   t hu s ,   r equ i ri ng   h ea vy   d i g i t a l  signa l   proce s s i ng.  H ua n g   e t   a l .   [2 1]  p r o p o s e d   c on tro l   u s i n g   a   r e p et i t i v e  co ntro l l e r   t o   el imina t e   harm onic   curr ent  base d  on  t h e  CS P W M.  T he  t ra ns i e nt   w as  g oo d,  h ow eve r ,  t h e   prac ti c a l  im ple m e n t a tio n  of  r e p e tit iv e  con t ro l l er  r equ i res  c o mp lica t ed  s ta bil i t y  an d  des i gn  i n   c h oos in g  t h e  ap pro p riate   low   pass  fi lt e r s  or  c omb   fi l t e r s  nee d e d   t o  s t ab i l iz e  the   con t ro lle r.  L iao  e t   a l.   i n  [2 2]   h av e   i m p r ov e d   t h e   b al a n c i ng   c o n t r ol   b ut   t he   i ssu e   of  c irc u la t i n g   c ur rent   r ip p l es   a n d   v ol t a ge  r i p p l es   r em ain.   L i v e s   e t  a l .  [ 2 3 ]  a n d   T u  e t   a l .   [ 2 4 ]  h a v e   s t u d i e d   t h e   circ u l a t i n g   c u r r e n t   t h a t   c o u l d  be   e mp lo ye d  to   ach ie ve   c a p aci t o r s  vo l t age   ba la nc i n g ,   a nd  sup p r e ss  t h e   circ u l a t i n g   cur r e nt  b y  incre a s i n g   t he  i nduc t a nce   of   t he   a r m   o f  t h e  MM C.  H oweve r ,   t h e  vo l t a g e  ac r o ss  t he  in duc t o r   ar m  d e teri ora t e s   t he  p er form anc e   o f  the   MM C  a s   t he  i nd uc tor  c onsum es  p a r t  of  t he   a m o u n t   of  t h e   rea c ti ve  pow er   ( V A R ),  a nd  t h e   c o s t   i ncr eas e   due   t o  the   in cr ease   o f   the   a r m   induc tor.  B ergna   e t  a l .  [2 5 ]   h ave   pro pose d   e ner gy- ba sed  ba l a nci n g  co ntr o l,   u si ng  a   mod e l   w h ic h  c o n t rols  t he  v o lta ge   s um  a nd  vo l t a g e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Mo du l a r  m u l t i l e v e l c onv erte r ( MMC) base d   ST AT CO M wi th  vec to r  con t r o l… ( A bd urr a h m an  U m a r L a w an)   1 835 di ffe re nce   be t w een  t he  u pp e r   a rm   c apac itor s   a nd   t heir  c or resp on d i n g   l ow er   a rm   capa c it ors  i n   t he  t hr ee - phase   M M C.  T he  c o n tr ol w a s   w ith   r espe ct t o th e  ene r g y  store d  in  t he a rm s .   I n   t h i s  pa pe r,  f or   a n  M M C  w i th   s tacke d   c el ls,   lim i t e d   s w i t c hin g   f r e q u enc y   e m p lo yed  usi ng CS P W M   as  i n  [2 1],   w oul d  pro v i d e  a   suf f icie n t   c on tr ol   b an dw i d th  w hic h   w o uld  im prove  t h e   r espo nse   a n d  prov i d e  a   go o d   d am p i ng   e ffect.   Furthe r m or e,  t h e   i ncr eased  n o.  o f  t h e   stac ke d  ce lls   v o lta ge  v ar iat i o n   i n  t h e  m u l tile v e l   w ill  be  u se d  to   i mpr o ve   t he   s t a bi l i t y   a t   b o t h   g ri d-in t e rfa c e   l e ve l  a n d   w i th in  t he  MMC   i n t erna l  c o n t r o l.   U nl ik e   in   [ 2 1 ],   w he re  a   l a r ge  s t a b i l i ty  a na lys i s  d u e   to  t he   r e p e t iti ve -c on t r oll e r  para me t e r  se l e c t i on  wa s  invo lve d ,  a  si m p le  v irt u al   i m p eda n ce  b a se d   P I   c on trol  w i t h  s o me   qua lit ies  o f  a  low   pa ss  f ilter   such  a s  har m onic s   reduc tio n  w o u l d  be  e m p lo ye d .   T his   c o n t ro l,   u n l ike   in  B e g n a   e t  a l.  [ 25],   c oul d  be  a p p l i e d   i n   b o t h   sin g l e- pha se  or  t hr ee- p h ase   syste m ,   a nd  s til l,  u ses  the   d e cou p l ed  c on tr ol .   F urther more ,  the  use   o f   C SP WM  w ith  a   h igh   in t e gral  g a i n   w oul d  e lim ina t e   t h e   ste a dy  s t a t e  er ror  [26 ]   w h e n  e m pl o y ed   i n  the  pro pos ed     con t ro l sche me .  F i gure  1  de pic t s  t h e  three - p h a se  M M C   b a s ed  S TA T C O M   s ys t e m.   I f  a n d   Vc   r e  t h e  M M C   b a s ed  STATCOM   th re e-p h a se   out pu t   cu rre nt   a nd  v o lt a g e   res p e c t i v e l y .  Vf   i s  t h e  g r i d   v o lta g e   a t   th e   po in t  of  cou p l i ng  (P CC ).  A pply i n g   K i r c hhof f’s  pr i n c i p l e   o n   a ny  le g/ p h ase   i n  t h e  three - p h ase   sy ste m   w i t h  r e sp ect  t o   no de  n ,   the  m a them a tica l   r el ati o nshi p  be t w e e n  t h e  per  p h a s e   o u t put  current   i k ,   the  l o w e r  and  u pper   arm  curr ents ( i kp  a nd   i kn ),  a nd the c i rcu l at i ng c u rrent  i ci r k  a r e   g i v en  b y:      kk p k n ii i   ( 1 )    1 2 ci rk kp kn ii i   ( 2 )       + + ‐                ‐         + ‐         + ‐         + un c V + ‐ up i wp i vp i 1 SM 1 SM 1 SM 2 SM 2 SM 2 SM SM N S M N SM N cw p V cv p V cu p V r L r L r R r R f R s R s L f L s V GR I D u i w i v i r L r R r R r R r R U V W r L r L r L ci r u i ci r v i ci r w i 1 SM N 1 SM N 1 SM N 2 SM N 2 SM N 2 SM N cw n V cun V cv n V un i vn i wn i SM 2 Vd c 2 Vd c SM P CC c V f V n f I 2 SM N 2 SM N 2 SM N     F i gure   1.  G rid-c o n n ec ted  MMC ba s e d  S TA TCO M  i n t h e  t h r ee-pha se c o n fi gura t i o n.      The   s ub-scr i p t   k   re presents a n y  o f t h e t h re e-pha se s (u,   v or w ). Ba s ed on ( 1 ) an d ( 2 ), the r egu l at ion  of  the  c i r c u l at ing   curre nt  i ci rk   a nd   t h e   o u t pu t   vo lt ag e   V ck   c ou l d   b e   ac hi ev ed   b y   co nt roll ing   t h e   u p p e r  and   l o wer  curr ents.  A nd t h e up pe r a nd l o w e r   arm  volta ges ( V ckp  a n d  V ck n )   given  in  ( 3)  a nd ( 4 ) r e spec t i ve ly.   1 2 kp d c k cc VV V   ( 3 )   1 2 kn d c k cc VV V   ( 4 )   V dk  is t h e cumu la ti ve e qu i v ale n t   d i re ct c urre nt (D C ) v o lta ge  a c r os s t h e arm s .  L r   i s t h e a r m i n du ct ance  of  e a c h  ar m.   R r   i s  t h e   se ries  r esis t a nce   a ssoc i ate d   w i t h  the  bu ffer  i nd uc ta nce  [ 2 1 ] . V ck   i s  the   M M C  A C   o u t put   vo lta ge de f ine d  a s:  * 1 sin 2 dc ck VV M t    ( 5 )  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
           ISS N :   208 8- 8 6 9 4     I n t  J Po w El ec &  D ri S y s t   Vo l. 1 0 ,  No . 4 ,   D e c  2 0 19   :  18 33 –   1 8 51  1 836 Th e   (5 )   gi v e s  th e  out put   v o l t a g e   und e r   i d e a l   c o n d i tio ns   w h e n   e a ch  v o lta ge   o f  the  s u bmod ule s   ( S M )  c a pac i tor  is  c o n s t an t  a nd  e q u a l  to  t he   v al ue   o f  V dk /N, M   a nd  I c   a r e   t he  m odu la ti on  v o l ta g e   a nd  pea k   o u t p u t   cu rren t   r esp e c t i v ely .   ω   a nd    a r e   t he   a ngu l a r   fr e quency  a n d  loa d   a ngle   r e spec t i ve ly.   The   bas ic  p er- p h a se   c o n t r o l   sc hem e s  w h ic h a r e  av e r agi ng c o nt r o l,  ind i v id ua l   c o ntr o l , and   t h e   a r m  b alan c i ng  co n trol  u se (6 ) - ( 9 )  f o r   t h ei r  i m p l e m en t a ti on ,  a nd  the   c o n t r o l  sc he me  c o u l d   b e   e x t e nd e d   t o   t he   t hr ee - phase   c on f i g u r a tio n  [ 27] .   The   m e a n i n g  o f   t he   s ymbo ls  i n  F i gur e  2- 5  a r e  def i ne d  as     1 VV V ( 6 ) 2 kk p k n CC C   ( 6 )   1 1 VV ( 7 ) kp ki N CC i N  ( 7 )     2 1 1 VV ( 8 ) kn k j N CC jN N   ( 8 )   ** VV ( 9 ) dc C Ck V N   ( 9 )      i s  the  per - p h a s e  a v era g e  ca pa cit o r  vo lta ge   i n  the  cor r esp o n d i n g   ph as e. V kp C  a n d V kn C  a r e  t h e   a v er a g e  capa c i tor   vo lta ge   o f   t h e  u pper   ar m  a nd  low e r   a r m   of   t he   c or r e spo n d i ng  ph ase   r e spec ti ve ly.   N  i s   t h e   num ber   of   t he   S M  i n   t he   u p p e r   a nd  l o w e r   a r m,   V ki C  a n d V kj C  a r e  t h e  v o l t a g e s   o f   t h e   i th  a nd  j th   S M s   i n  the  u p p e r  ar m  and  lo w e r  arm  resp ectiv e l y .   * V Ck and   * cir k i rep r esen t  th e   referen ce  vo ltag e  and   ref e r e nc e  c i rcul a t i ng  c u r r e nt   i n  th e  c o r r e spo n d i n g  l e g  r e spe c t i ve l y .           F i gur e   2.   B loc k   d ia gr a m   o f  a v er a g ing  co ntr o l     F i g u r e   3 .   I ndiv i d u a l   b a l a n c i ng   c ont r o l  b l oc k  dia g r a m       F i gur e   2  de pi c t s  t h e  a v e r ag in g  lo o p   d iagr a m ,   this  c o n tr o l   p us he s  t h e   a v er age  v o lta ge V k C of   e ach  pha se   l e g   t o  fo l l ow   i ts  r ef e r enc e   v o l t a ge * V Ck .  Wh en * VV Ck Ck ,  * cir k i   i nc r e ases  a nd  f o r c es  t he   a ct ua l  ci rc u l a tin g   c u rre n t   ci r k i   t o   foll o w   i t s   r e f ere n ce  c u rre n t   * cir k i m a ki ng V Ck   t o  trac k   it s   referen c e  voltag e * V Ck .  P I   co nt r o l l e r s   c an  b e   emp l oy e d   i n   t h e  t r ac k i ng , a n d   t h e   out put  v ol ta ge   c ommand   ci r k v   from   t h e a v er ag in g  c ont r o l   c a n be  p r o du ce d for   t h e  CS P W M.   T he   g a i n s   o f   t h e  P I   c o n tr oller s   whi c h  are  1 K ,  2 K ,  3 K  a n d   4 K  c o u l d   b e   ob ta ine d   b ase d   on  in ter n a l   m ode   c on tr o l   t he o r y  [28] .         + ‐   F i gur e   4.   A rm ba l a n c i n g   c o n t r o l  b l oc k  d i agr a m  + ‐ + + + ‐ + ‐ +   F i gur e  5.   V olta ge   c om m a nds  f or   t he  P WM   b a l anc i ng  co n t r o l   o f  t h e  MM C  a r m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Mo du l a r  m u l t i l e v e l c onv erte r ( MMC) base d   ST AT CO M wi th  vec to r  con t r o l… ( A bd urr a h m an  U m a r L a w an)   1 837 The   i n di v i d u a l  bala n c i n g   c on t r ol  p us hes  ea c h   S M  c a pac i t o r   vo l t a ge ind iv i dua l l y   i n   e very   s ubmo d u le   to  f ol low   i t s  v o ltage  reference * V Ck ,   the  i n di v i d u a l   ba la nc in g  c ontr o l  bl oc k  d i a g ram   is  d e p ic te d   in  F i g u r e   3 .   The  ob t a in ed  v o l tage   c omm a nd   f or  t his  mod u l at i o n   c o n t r o l   is kB v .  W h en . * (, ) VV Ck i j Ck t h e  ar m  cur r ent  i s   cha r g i ng  t h e  S M   c a p ac i t or,   the   po lar i t y   o f  t h e  ou tpu t   c urr e nt   i s  pos iti ve.   Whe n   i t   is  r e v er sed,  t he   a r m   c urrent   get s   t he   opp osi t e  p o l ari t y.  T h e   p ro port i ona l  con t ro l l er  w it h   a   gai n   5 K c o uld   be   e mp l o y e d .   T h e   c ont rol   blo c k  for  the   ar m  ba lanc i ng  is  s h o w n  in  F i gure     4 .   This  c on tro l   l esse ns  t he  d i s cr epanc i e s   i n  vo lta ge s  be tw e e n  t h e  vo lta ge s  of  u p p e r   a nd  l o w e r   a r m.  T he  vol ta ges, V kp C an d  V kn C   a re   a lso  k now n  as  t h e   a ve rage   v ol ta ges  o f   t he   pos it ive  ar m  a nd  ne ga t i ve   a rm   r e s pe cti v el y .   T he  p rop o r t i ona l  co n t ro ller 6 K c o u l d  be  e mp l oye d.   F igure    5   show s  t h e   m a t h em ati c s  for  th e   overa ll  vo l t a g e  c o mm and  g e nera tio n  for   t h e  CS P W M  i n   t he   c on tro l   d i a gram   repr esenta t i o n   [ 2 9 ].  H oweve r ,  the  c i rc u l a t ing   curr ent  c o n t r o l   b ase d   o n  F i g u re    2   w hic h   i s   usi n g  t h e  P I-contro l  is  u s u a l l y   i n s ufficie n t  i n   s uppr essin g   t he   c i r cula ti n g   c urr e nt   [2 1].   Thus,   vo lta ge   d ist u rb a n ce  is  i ntr o d u ced  o n   the   S M s  a n d   i n jec t s  harm o n ic   c urr e nt   d ur ing   n o rm al  ope rat i o n .  T ak i n g  in  a ny   p hase- k ,  the   varia t io n  c o u l d   b e   exp l a i ne d  by  t h e  rela ti o n shi p   b e t w e e n   t he  e nerg y  st ore d   w i t h i n  t h e  MM C  a r m s .  The  act ive  e n erg y   s tor e d  i n   the upper and lower  ra ms are  a s  f o llows:    2 1 2 kp C k p WC v N   ( 10)  2 1 2 kn C k n WC v N   ( 11)    Where   C  is  t he   S M   ca pac i tanc e.  F r o m  (10)  a n d   ( 11),   let  t h e   a c t i ve  v o l tage   d i s tur b a n ce   w h i c h   con t ri b u tes  t o   t he   M MC  v ar i a tio n  be   w ri t t e n   i n  t e rm s  of  t h e   D C  com p one nt dc I a n d   harm o n ic   c om po ne n t s n i   as      1 1 1s i n 22 3 k Ck p d c n n Ni vM t i i d t C       ( 12)    1 1 1s i n 22 3 k Ck n d c n n Ni vM t i i d t C       ( 13)    Where  kp vc   a nd  kp vc are  the   v o l t a g e  chan ge   d ue   t o   d i s t urba nce s   i n  the   up per   a n d  low er  a r m s  respe c t i ve l y . The  c i r cu lat i ng  curr ent i n  th e   M M C  c o u l d  be  give n  a s    1 1 3 ci r d c n n ii i    ( 14)  F o r  ty p i ca l  S T A T CO M   a p pli c a tio ns,  t h e   D C   c omp one nt  dc I   i s   z e ro  s inc e   t her e   i s  no   D C  l i nk   D C  vo lta ge  s o u r ce.   T he  h arm o n i c  com p one n t s n i   a r e  t h e  n t h   o r d e r  h a r m o n i c s   o f  t h e  c i rc ul a tin g  c u rr ent.  Th e r efo r e, t h e  rea l   o u t put  v olt a ges of t he  upp e r  a nd low e r   arms   c onsi d eri n g   the  varia t i o n c oul d  be a s       1 1s i n 2 Ck p d c C k p VM t V v    ( 15)     1 1s i n 2 Ckn d c C kn VM t V v    ( 16)    The n  cons i d eri ng  the   var i a t i o n,  the  t o t a l   out pu t v o l t a g e  of t he  pha se  l eg c o u ld  b e  give n as   f ol low s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4    I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 : 1 8 3 3   –  18 51  1 838   11 si n 22 ckp ckn d c C k p C kn C k n C kp d c kd VV V v v M t v v V V    ( 17)    The r ef ore,   kd v   i s  the   v o l ta ge   v a r iat i o n   b e t w e en  t he   p ha se -le g   a nd  the   to ta l   S M   vo lt ag es   ( i . e. dc V )  w h en  t he   s ys te m   is  u n d er   nor m a l  m o d u l at io n.   E q u a t i o ns  ( 6) –(9)  d e s cri b e  t h e  c a p ac itor   v o l t a g e  c o nt r o l  an d   the  a c t i v e  p o w e r  sha r in g  w i t h in  a ny  le g.  I n  ot her  w o rds,   t he  a c t i v e  pow er  b ala n ci n g   i s   per-pha se,  an d  it  i s   em plo y e d   b y  a d jus t i n g  the   dc   c ircula t i n g   c u r rent  w it hin  th e   pha se  l eg;   th u s ,  i t   h a s  no   i nf lu en ce   o n   th e  t o t a l  ac t i ve  pow er  a bsor bed  b y   t he   S TA TCO M   a t  the  g r id  t hre e -pha se  i n te rfa c e   [1].     T o  co ntr o l  the   ac ti ve  pow e r   and  t h e  rea c ti v e   pow er  a t   t h e  gri d   P CC  s h o w n  i n   F ig ure   1,   t he   g ri d - inte r f ac e  re fer e nce s   f or  t he   i ns tan t aneo us  ac t i ve  c urr e n t   * fd I an d   th e   re ac t i v e cu rre n t   * fq I  coul d  b e  ob t a i ne d  a s  foll o w s :     ** (V V ) fd C C IK    ( 18)    K   i s  the   pr opor ti ona l  c o n t ro l l e r   g ai n.  * V C   i s  the   r e fe renc e  D C   v o l t a ge  f or  t he  S M  c a pa c i tor s .   V C is   the a r i t hme tica l   a ve rage  ca p a c it ors vo l t a g e   of  a l l  t he S M capac it ors  i n   t he  thre e  le g s  an d  d e fi ned  as   ,, 1 VV 3 k ku v w CC   ( 19)  The   r eac ti ve  c ur rent  r efe r e n c e   * fq I co ul d  be   a s   in  [ 1 4 ],   a ssu m ing   a ll  the   l o ad   r ea ct ive   p o w e r  i s   ob ta ina b le fro m   the S T A T CO M. T h i s  co ul d   be  d efi n ed  a s     * * L fq Lq fd Q II V    ( 20)    wh ere L Q a nd  L q I are   t h e   r eac tive   lo ad  pow er   a nd   c urre nt  r e s pe cti v e l y.  fd V is  t he   M M C   o ut put   vo lta ge   i n  t h e  d- ax is  u sua l l y   a lig ned   w ith   t he  g rid   v o l t a ge   u s i ng   t h e   p ha se -l o c k e d  loop .  N e g l e c ti ng   t h e   g rid  so u r c e   i mp ed an c e   ( s L an d s R )   in  F ig u r e  1,  t he   r e l at ion s h i p  be tw e e n  the   gri d   A C  v o l t a ge  ( f V ),  a nd   MMC   base d  S T A T CO M A C  ou t p u t  vol ta ge  ( c V ) in the  d , q  f orm s :    22 2 c d fd fq fd fd rr r ff f c q fq fd f q f q VV I I I d LR L LR L dt VV I I I              ( 21)    I n   ( 21), fq I   r e p resent s  t h e  rea c tive   c u r r ent  of  t he  M MC  i n  q-axi s ,  w h ile  f d I   i s  the   act i v e  c u rre nt  i n   the   d- ax is.  cd V   a nd  cq V   a re  t he  d - a xi s  an d  q-ax i s   M M C   out pu t  vo l t age  res p e c tive l y.   fq V  i s   q - a x i s  g r i d   vo lta ge.  The  MM C-t o -gri d im peda nc e  i s   a s     22 rr Tf f T T LR Z LR L R    ( 22)    Usi n g   th e  , dq Q vari able   i n  ( 23)  a n d   ( 24) ,  a nd  ass u min g   t he  S T A TCO M   c urre nts  tr ac k   t h ei r  cu rre n t   re fe ren c es  a s i n  [ 14 ], t h e  M MC o utp u t   vo l t a g e  cou l d  be   co nt rol l ed  u s i ng   ( 25).    df d c d T f q T f d QV V L I R I     ( 23)  qf q c q T f d T f q QVV L I R I    ( 24)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Mo du l a r  m u l t i l e v e l c onv erte r ( MMC) base d   ST AT CO M wi th  vec to r  con t r o l… ( A bd urr a h m an  U m a r L a w an)   1 839     ** , _ (, ) ( , ) (, ) _ (, ) ( , ) (, ) * * * * 2 2 dq P i dq f d q f d q I i d q f d q f dq T cd d f d f q T f d fq T cq q f q f d T f q fd QK I I K I I d t L VQ V I I R I L VQ V I I R I      ( 25)      2.   T H E PROPOSED VIRTUA L  IMPEDANCE A ND  VECTO R   CONT R O L COMPENS A T I ONS   The   p r op ose d   c on tro l   i n t ro du ce s  e x t r a  vo lta ge  c om pe nsa t i on  i n   t he  e xte r na l  c o n t r o l   o f   t he  M M C   w ith  t he   g ri d  a nd  a d ds  a n  ex t r a  com p ensa t i on  su p p o r t  in  t he   i n t erna l  c o n t ro l .   T he se   t w o   c omp e nsa tio ns  a re   em plo y e d   t o  form   t he   o vera ll   c o n tro l .   U n like   [14]  a n d   [30] ,  i n   t h is  c o n tr ol,  vo l t a ge  c om p e nsa tio n  i s   con s i d ere d   i n s te ad  o f  cur r ent  w h ic h  has   t o   p ass  t h ro ug h  the  PI- contr o l l e r s  or   P -con trol lers  a n d   a d d s   add i tio na l   stre ss  o n   t he  c o n t rolle rs  dur in g  t h e   tra n s i e n ts.   A l s o  un l i ke  [ 14],   the  ne gl i g ib le  a c t ive   c u r r ent  t r a n sf er  i s  con s i d ere d   t o   enh a n ce  th e   d - a x i s   c ont rol ,   a n d   e xt ra   c om pe n s a t i o n   i n   t he   i n t er na l  c o ntr o l  i s   in t r od uc ed  t o  e n ha nce  t h e  c a p aci t o rs  v olta ge   b a l a n c i n g .  Th is  w o ul d ,   i n   t u rn ,  en h a nc e  t h e  act iv e  p o we r  bala nc i n g   w i th i n   t he   S TA TC O M ;  t h us,  e n h a nci n g  the   ove ra l l   s ys t e m   co ntr o l.  P r i nc iple s  o f   t r a ns ie nt   i m p ac ts   em plo y e d   i n  [31]  a n d   t he  c a p ac it ors  vo l t ag e  varia t io n   ar e  sum m e d  u p   t o  ge ne rate  a n  extra   trans i e n t  vo l t ag e   sup por t   t o  the  P I  contro l l e r s a t  the  g r i d  i n te rfa ce  duri ng t h e  tr ans i e n ts.     2.1.   E x ter n al c on tr ol   v o l t a ge c o m p e n s ation   of  t h e  MM C   I n   F igure   1,  t h e   d -q  v o l t a ge  d ro p  w h i c h  c o ntr i b u t e   t o   t h e   s ma ll   v ar iat i on s  betw ee n  the   S T A T CO M  des i red  v o lta g e   c om m a nds  ( * cd V   a nd  * cq V   ) ,  a nd  t h e   S T A T CO M  v o lta ges  ( cd V   a nd  cq V ) ,  a r e  g i v e n   i n   t h e   d - axi s  a nd q-a x is  form s   a s  * cd cd cd VV V     ( 26)  * cq c q cq VV V    ( 27)  S i nce  fa s t   s p e e d   r espo nse   w i t h   m in im al   v a r iat i on  is  t he   a im  o f  STA T C O Ms,  t h ese  v o lta ge   dev i a t i o ns  ( cd V and cq V )  c oul d  b e   s u b t r ac ted  in  f or m  of  c om pe ns atio n  t o   m i t i g ate  t h e  v a r iat i ons,   an d  spee d  u p   t he  c urre nt   r e s p o n s e   duri n g  t h e  t r ans i e n t s .   The   vo l t a g e  c o mpe n sa tio n  i s   d eri v ed  a s  from  (26)  a nd  (2 7 ) ,  t h e   c o rres p ondi ng   d e s i r ed   S TA TC OM  c u rren t s  w o u l d   h a v e   s ma l l   d evia t i o n s  from   t he ir  c orr e sp o n d i ng   ou tpu t   c urre n t s ,  these  v aria ti o n  a re  d efine d  a s    * fq fq fq II I    ( 28)  * fd fd fd II I    ( 29)  A s s u m e  t h e  r e s i s t a n c e   i n  ( 2 2 )  t o   b e  z e r o ,  a n d   t h e  t o t a l  i n t e r f a cin g   i nd uc ta nc e  T L in  ( 2 2 )   w h ic h   a l s o   con t ri b u tes  to t he  S TA TCO M  va r iat i ons  i s  mod i fie d   d ue  t o  hig h -s wi t c hi ng [3 1 ]  an d  c on sid e red   a s     2 r Tc om f L LL   ( 30)  To  r e duce  the  var i a tio n  assu m i ng  it  ha ppe n s   dur in g  t h e  tra n s i en t  t i m e   ( i.e . t ),   i n  order   t o   s pee d   u p   the  res p o n se  o f  the  PI -contro l l e r  and  re duce  t h e  cur r en t  err o r  i n   ( 28)   a n d   ( 29),  an  a ddi t i ona l  tra n s i e n t   v o l t a g e  cou l d be  der iv e d  fr o m  (21) a s    * () fq f q q T com T co m f d II VL L I t    ( 31)  S i nce  t h e  va ri ati o n   ha p p e n s  dur in g  the  tran sie n t  t i me   ( i . e. t )   in  e ver y   s w i tc hin g   p er io d  [31],   th e  sw it c h i n g  fre q uenc y  ( i .e . s f )  cou l d  be  e s t i m ated   a s  th e  in ve rse  o f   t he   t ra nsi e nt  t i m e  for   t h e   i nt ro du c e d  com p en sat i on,  a nd t h e  com p e n sa ti n g  vo l t a ge  in  t h e   q-a x is  w ou ld   th en  b e a s     q s Tc o m f q Tc o m f d Vf L I L I    ( 32)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
           ISS N :   208 8- 8 6 9 4     I n t  J Po w El ec &  D ri S y s t   Vo l. 1 0 ,  No . 4 ,   D e c  2 0 19   :  18 33 –   1 8 51  1 840   Fig u r e 6 .  MMC   b ased   S TAT C OM syste m wi th  t h e   p r o pose d  ext ern a l   a n d   i n t er na l  co ntr o l  sc hem e s.      S i milar l y,   f r o m   ( 21) ,   the  c o r r e spond i ng  a c t i v e  vo l t age   c o m p en sa ti on  w o ul d  be   d e r i v ed  a s :   ( ) (3 3 ) fd d T co m T co m f d T c o m f q I d VL R I L I dt    ( 33)   S i milarly   ( 3 3 )  is simpl i fied  furth er as :       () ( 3 4 ) d s T c o m fd T c o m fd T c o m fq Vf L I R I L I    ( 34)   D u r i n g  t he  t r a n s ie nts,   t he   v o l t a ge  d r o p  va r i a b le s ( i . e .   ,, , Tc o m fd Tc o m fd Tc o m fq RI L I RI an d Tc o m f q LI  in  ( 34)   a n d   ( 32)   c a n   b e   co nsi d er e d   a s  n on- tr ans i e n t  ter m s,   w hose   var i a t i o ns  c a n   b e  a d eq ua te ly  c on tro lle d   b y   t he  P I  c o n t r o ller s ;   th us,   ig nor e d .   I n   t he   o t h er   h a n d,   ( 17)   s h o w s   h ow   t he v olta ge  v a r ia ti o n   kd V   c ou l d   c o n t r i bu te to the   emerg e n c e   of   a   s ma l l   a cti v e  p o w er  d if f e ren c e   bet w een   t h e   t h r ee - p h a s e   ac t i ve   p ow er   a t  the  gr i d ,   and  t h e   sum m a tion  o f   t he  t hr ee   a ve r a g e   p e r - phase   a c t i v e   p o w e r   c ont r o l l e d  w i t h i n   t he  M M C   u si n g   F i gur e  2 - 5.     I n   o the r   w o r d s ,   the   co n t r i b u t i on  of  t he   i nter na l   ac tive   vo l t a g e   d i s turb a n ce   p ro du ce d   in   e ach  leg / pha se   e xp l a ine d   i n  S e cti o n  I I   [21]   i s  co n s i d er ed.           F i gur e   7.   V olt a ge  v ar ia ti o n   d - q   c om po ne nt s      Th us,   the s e   var i at i o n s   p r o duc e  the   c a p ac i t or   v o l tage   d - q   v ar iat i o n   c o mpo n e nts  s how n   i n   F igur e  7.   I n   ot her   w o r d s,   t h e   a r i t h me t i c a l   a ver a ge  d c  c a p ac it or   v o l ta ge   o f  a ll  t h e  pha ses,  i .e. V C ,  and  t h e  ar i t hm et ica l   me an   d c   ca p a c i to r  vo lt ag e  of   e ac h   ph a s e  wil l   p r odu ce   vol t a g e   v a r i a t ion  d- q  com p one n t s  a s   s h o w n   i n  F i g u r e     7.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Mo du l a r  m u l t i l e v e l c onv erte r ( MMC) base d   ST AT CO M wi th  vec to r  con t r o l… ( A bd urr a h m an  U m a r L a w an)   1 841 U s in g  the   d- q  t r ansfor m,   it  is  possi b l e  from   t he  v o l t a ge  d iffer ence s V , Ck ku V Ck kv  a n d V Ck kw  t o   ob ta in  t he  d -q   v a r ia tio n  co m pone n t s  Cd v  a n d . Cq v Th e  an gl e    r e p res e nt s  t h e   ex t e nt   o f   t h e  v o lt age  varia t i o n  a m on g  t h e  S M   c apa c itor s   w ith  r espec t   t o  the  S T A T CO M   o ut put  c u rrents  in  t he  d -q  fram e ,   and  is   gi ve n a s   11 ta n t a n fq C q fd Cd Iv I v     ( 35)    Th e n   t h e   c o rres p ondi ng   t o t al  v o l t a g e   v a r i a t i o n   i n   t h e   d -q  f ra me   g i v e n   i n  (3 2)   a n d   ( 3 4 ) ,  coul d  be   modi fie d  w i t h  re spe c t t o  th e   v ol t a ge va r ia ti o n   a m ong t h e  S M  c ap a c itor s ,   and g i ven a s    () ( ) () ( ) dc om s T c o m f d C d qc om s T c o m f q C q vf L I v vf L I v     ( 36)    The   o p p o s i ng  si gna ls  dc om v  a n d   qc om v   i n   ( 36)  a re  t o  be  c on si dere d  a s   t he  c om pe nsa t i ng  sig n a l s  to  t h e  P I   c ont r o l   a c t ions   i n   t h e  d-q  con t ro l.  T he   c o m pen s a t i n g   v a riab l es  dc om v and qc om v   a r e   t hen   ad de d  t o   t he   o u t p u t s   of  t he  d ,  q-P I   c on tro l l e rs  ( d Q  a n d q Q )   in  t he  v olta ge   r efere n ce  e qua tio n  g i ve n  i n   ( 2 5 ).   T h i s  w i l l   g e ne rate  t he  enha nc e d   c om pen s ate d   v o lta ge  r e f er ence   (  * cd k V  a n d  * cq k V )  gi ve n  i n   ( 37).   F r om  ( 3 6 ),   onc e  the  s t e a dy- st a t e is rea che d ,   the capa c i t o rs vo lta ge var iat i ons  Cd v  a nd Cq v  i n F i g u re   7 and t h e c u rre nt  var ia ti o n s  fd I and  fq I  c ea se  to pr evai l.  T his  w ill  ma ke the  com pen s at i on t o  c ease   to  exi s t .        * * * * 2 2 T cd d d co m f d f q T f d fq T cq q q c o m f q f d T f q fd L VQ v V I I R I L VQ v V I I R I     ( 37)    2.2.   MM C in t e r n al con tr ol   u sin g   v i r tu al  i m p ed an c e  b ased  com p e n s ation   The   v o lta ge v a r ia tio n  from   w i th in t he MM C  di s cuss ed in Se ctio n  II,   i s a  volta ge   r i p p l e a n d p r o d u ces  the   D C   c irc u l a t i n g   c ur rent   ci r k i   w ith  r ip ple   c u rre nt   c omp o n e n ts  [ 3 2 ] .   T he  u se   o f  t h e  P I-c ontro l lers  i n  th e   in t e rna l   c o n tro l   o f  t h e  M M C  is  o ne   o f  t h e  m o s t   c om m o n  s o l u tio ns   t o   o b t a i n  a  z e r o   s t a t i c  e r r o r   i n  c o n t r o l l i n g   the   dc   c irc u l a ti ng   c urr e n t .  H o w e ver,   P I-c ontr o lle rs  h a v e  t h e  sm a l l  e f fec t   i n  s uppr ess i n g   t he  h ar mon i c  v o l t a g e   un less   a   h ig h-ga in  h i g h- orde r  con t ro llers  s uch   as  r eso n a n t  c o n t ro l l ers  are   em pl oye d  w i th   t he  P I-c on trolle rs.  Ba se d o n  t he i nte g ra l fe a t ure of reso n an t co ntr o lle rs, t he  s up p re ss io n o f  t he low - o rder har monic v o l ta g e  c ou ld   b e   a c h i e v e d .   T h i s  con t ro l   i s   m o s tl y   a c hi ev e d   u si n g   se cond-o r d e r   r esona nt   c on tro l lers  f or   t he  l ow   h arm o n i cs.   To c ance l   hi g h - o rder  har moni cs,   large - order   re sona te  c on tro l l e r s ha v e  to  be  e mploye d.    A nd  m a ny  o f   t he m  ha ve  t o  b e   c a s cade d   f or  b e tter   harm on ics  el imi n a tio n  [ 2 1 ] .  No t e ,  t h e  b a nd widt h  of  t he   c i r cu lat i ng   c ur ren t   c on t r o l ler s   a re  v ery  sma ll  d u e   to   t h e  l i m it ed   s amp l e  an d  p r o cess i n g   f req u e nc y   in  M M C s ;   th us,   inc r ea sing   t he   o rde r   o f  t h e  re son a n t   c o n tr ol l e r  c o u ld  n o t   b e  feas i b le   [ 21].   A n o t her  a p pr oac h   t o   reduc ing  t h e  i m pacts  o f   t he  v o l tage  h a r m o nic s   i s  t h e  use  of  t he   r e p et it i v e  co nt rol l er.  H o we v e r,  t h e   r ep e t i t i ve  con t ro l l er  d esi gn  re quire s  a   com p le x  st a b il it y  a n a l ys i s   on  t h e  co n t rol l er- f i lte r  des i g n .   More over ,   t he  implem e n ta t i o n   o f  repe ti t i v e   c on tro l l e r  requ ire s   a   h e a vy  d i gi ta l   si gn al   p roce ssi n g .   F ro m  Se ct i o n   II,  t h e   a c t ive  vo lta ge  d isturb a n ce kd v   c on tri but e s   t o  t h e  S T A T CO M  d i s t or ti on   i n  e ach  p h a se   l e g ,  b y   g e nera tin g  vo l t a g e   varia t i o n  be tw ee n  t h e  le g  and  t h e   to ta l  S M   vol ta ge s  (i. e . dc V ).   I f  the  var i at i on  c o u l d  b e   m i n im ize d ,   b y   in j e c t ion o f  an exter n a l  virt u a l   c urrent o pp osi ng the   c i r c ula t i on c u rr ent, the vo l tage  di s turb a n ce impa c t s  c oul d  be  m i t i g a t e d ;  t hus,  the  t o ta l  o u tp ut  v olta ge  w ou ld  e q u at e  t h e  t o t a l   S Ms  v ol t a ges.  A nd  t h e  v o l t a ge   d ist o rt i o ns   w o u l d bec o me  m i n im a l .  Th is  s e c t i on  co ns iders the i m p r ove d  m ode l  of  c irc u lat i on  c u r r e n t  de ve l ope d   in [2 1 ],   w hic h   c ons i d ers  the  pr esenc e   o f  t h e  v o lta ge   d is t u r b a n ce   i n  t h e  cl ose d   l o o p .   A ls o,  i t  em p l oys  t he   v irt u a l   i m p eda n c e   c o n cep t  base d  o n   d ro o p -m eth od  to  i ncre ase  t h e  M M C   i n t e r na l  i m pe dance   a n d  l e ss e n   t h e   a mo unt   o f   t h e  unwa n t e d   circ u l a t i on c u rre nt [1 2 ].  To che c k t h e i n fl uen c e   of t he v irt u a l  i m p e d a n ce  in  ensuri n g an i m p rove d st e a d y-sta t e   and   d yna mic   p e r f orm a nc e, th e  P I-c ontrol l e r  in   F i g u re 8  w i l l ha v e  p k as the  pr o p o rt i ona l  c o effi c i e n t,  i k  a s   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
           ISS N :   208 8- 8 6 9 4     I n t  J Po w El ec &  D ri S y s t   Vo l. 1 0 ,  No . 4 ,   D e c  2 0 19   :  18 33 –   1 8 51  1 842 in te gr a l   c oef f ic ien t ,   a n d  ha ve  t he   o pe n- l oop  tr a n s f er   f unc t i o n   as  () . i Gs   T h e refore,   th e  dyn amic  b e h avio r   of   the  cl ose d - l o o p   w oul d  be   a s  fo ll ow s :     * __ __ __ () ( ) ( ) () ( 3 8 ) 2( ) kd ci rk ci rc pi i i rr p i i i rr p i i i ks k i s V s is Ls R k s k Ls R k s k     ( 38)     F r om  ( 38) ,   it  cou l d  be   s ee n  t h at  t he   i n t e r na l  cir c u it  c o u l d  b e   m odele d  in  t he  e qu i v al en t  f o r m   a s  * () () () . ( ) ( 3 9 ) () kd cir c cir k o Vs is g s i s Zs     ( 39)   () gs is  t he   c irc u la tin g  cur r en t  re fer e nce - t o -m easure d   c irc u l a ti ng  c u r r ent  tr a n sf er   f unc t i o n ,   and  () o Zs i s   t he  im p eda n c e  tra nsfer   fu n c t i o n  of t h e  cl o s ed-l oo p sys t e m .          F i gur e  8.   I m p r ove d  c i r c u l a t i n g  cur r ent  co ntr o l  u s in g  con v e n t i o n al P I co n t r o ller      Cons i d er ing  ( 3 9) ,   i t   i s  c l e a r   t h at   t he   i m p e d a n ce  () o Zs   a ffe c t s  t h e  c i rc u l at ing   cur r ent  c o ntr o l .   T o   i m p o s e  a  d e s i r e d  i m p e d a n c e   () v Zs and  r e duc e  t h e  impa c t   o f  the  vo l t a g e  di stur ba nce   f o r   an  i m p r o ve d  st ab ili ty ,  th e   cu rre n t   re f e ren c e   * () cir k is c o uld  be  o bta i ne d  f r o m  a  n e w   desir e d  c u r r ent  r e fe r e nc e   * ' () ci r k is as  a   f u n c tio n  of  t he  v o lta ge  d is t u r b anc e .   This  c o u l d  be   a c h ie ve d  by  t h e  dr o o p - m e t hod  as    ** ' () () () ( 4 0 ) () kd ci r k ci r k v Vs is i s Zs    ( 40)   wh ere   () v Zs is  t he  v ir tu a l   i mpe d a n ce ,   and  c o uld  be  obta i ne d   by  ta ki n g   t he   t i m e   der i va ti ve  o f  a  v i r t ua l   i ndu c t an ce   vir L (i.e .  () vi r v Zs s L w h ere   s is the  L ap lac e   opera tor) .   P u tt i n g  ( 4 0)   i nt o  ( 3 9) ,   the  d y na mic   e qua t i o n   o f  t h e   i n t e r n al  c u r r e nt - l o op  of   t he  M M C   c o u l d  b e   m odi f i ed  a s  fo l l ow s  :     * ' () ( ( ) ( ) ) () () . ( ) ( ) ( 4 1 ) () () ci r c ci rk ov kd vo gs Z s Z s is g s i s V s Zs Z s      ( 41)     () ( ) () () ( ( ) ( ) vo ov ov Zs Z s Zs gs Z s Z s is  t he  a ve r a g e   c apac itor   vo lta ge  c o n tr o l   t ota l   i m p e n den c e  tr ans fer   f u n c tio n.   T he   s tab i lit y eff ects of   t h i s  v i r t ua l  i m pedanc e  i n   t h e  clo s ed   l oo p   sy s t em  a re  d escrib ed   i n   Section   III- C.   I t   has  bee n   r epor te d  tha t   t he   u se   o f  t h e  d e r i va tive   of  v ir tu al   i mp ed an ce  () vi r Zv s s L  i n c r e a s e s   t h e  t o t a l   i n t e rn a l   i mp eda n ce ,   a n d   re duce s   t h e   c i r cul a t i on   o f  un want ed   c u r r e nt  [ 33 ] .   H ow e v er ,   wit h   t he  p r e senc e  o f   no ise,   e s p ec ial l y   in  t he   e x p e r ime n t a l   o p era t i ons   o f  the   M M C ,   t h e  de ri v a ti v e   t er m  am pli f ies   the   n o i se   i n  t h e  sys t em   [ 1 2 ].   T o  min i miz e   t h e   a m p l i fie d   n o i se   u s u a l ly  g en er ated  by  the   der i va t i ve   v ir t u al  i mpe d ance ,   a  low   pa ss  f i l t e r   ( LP F )   c oul d  be   e mplo ye d  a l o n g   w it h  the   de r i va tive   b ased  i mp ed an ce .  Ho wev e r,  i t   ha s  b een   r e por te d  t h at  t he  L P F   can  i ntr o d u ce   a n  a d d i tio na l   de la y  w h i c h  d e p e nds  on  the  type s  of   t he   o p e r a t i ng  pa r a m e ter s   s uc h  a s   t he   l oa ds  a nd  f i l t er s  i n   t he   s ystem   [ 2 1] .   I n   t he   o t h er   h a nd,   t he  v ir tu al   t r a ns i e nt  i m p e d anc e   c once p t  co u l d  be  e m p l o yed  t o   g e n er ate  o ppos in g  v i r t ua l  c u r r ent  s i gna ls  ( i. e. cv i r i a nd  Lvi r i )  wi th   t he   s ta b i l i t y   e nha nce m e n t   w i t h o u t   t he   i n c r e ase  in  t he  s yste m  dela y.   F r o m  ( 41) ,   it  c o uld  be  s ee n  t h a t   t he  e n h anc e d   t ota l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.