I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 No .   4 Dec em b er   2 0 1 8 ,   p p .   1 7 4 5 ~ 1 7 5 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 . i 4 . pp 1 7 4 5 - 1 7 5 4          1745       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   H a r m o n ic Mitig a tion in Tra c tion S upply  Substatio n   U sing   Ca sca ded H - Brid g e Conv erte       A.   Aw a llu din ,   C.   L .   T o h   De p a rtme n o f   El e c tri c a P o w e r   En g in e e rin g ,   Un iv e rsit T e n a g a   Na sio n a l M a lay si a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   5 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   A u g   10 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A u g   24 ,   2 0 1 8       T h e   c o n v e n ti o n a th re e - lev e i n v e rter  h a b e e n   p ro p o se d   to   a c a a   re c u p e ra ti n g   c o n v e rter  in   T ra c t io n   S u p p ly   S u b sta ti o n .   T h is  c o n v e rter  is   m a in ly   u se d   to   f e e d   b a c k   th e   re g e n e ra ti v e   b ra k in g   e n e rg y   t o   th e   g rid .   Ho w e v e r,   p a ss iv e   f il ter  is  d e sire d   to   m it ig a te  th e   c u rre n a n d   v o lt a g e   h a rm o n ics .   T h e re f o re ,   th is  p a p e r   in v e stig a tes   th e   p o ss ib il it y   to   u s e   a   se v e n - lev e C a sc a d e d   H - Brid g e   (CHB c o n v e rter  a th e   r e c u p e ra ti n g   c o n v e rter   w it h o u a d d i ti o n a f il terin g .   Th e   p ro p o se d   c o n v e rter  is  m o d e led   w it h   M AT LAB/S im u li n k   si m u latio n   so f t w a re .   It   is  th e n   si m u late d   w it h   t w o   p o ten ti a m o d u latio n   sc h e m e s,  n a m e l y   P h a se - S h if ted   P W M   ( P S - P W M a n d   P h a se - Disp o siti o n   P W M   ( P D - P W M ).   T h e   q u a li ty   o f   AC  w a v e f o r m s   p ro d u c e d   b y   th e se   tw o   m o d u lati o n   m e th o d is  c o m p a re d   a n d   st u d ied .   T h e   re su lt sh o w   th a P S - P W M   tec h n iq u e   is  p re f e ra b le  f o th is  a p p li c a ti o n   a it   o f fe re d   a   c lea n   A c u rre n wa v e fo rm   w it h   les th a n   5 %   h a rm o n ic  d ist o rti o n .   Ho w e v e r,   a   t w e n t y - one - lev e C HB  wa p re d icte d   to   c o m p l y   with   t h e   8 %   v o lt a g e   h a r m o n ic req u irem e n t.   K ey w o r d :   C ascad ed   H - b r id g co n v er ter   P h ase - s h i f ted   P W M   P h ase - d is p o s i tio n   P W M   T o tal  h ar m o n ic  d i s to r tio n   Co p y rig h ©   201 In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A .   Aw al lu d i n ,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  P o w er   E n g i n ee r in g ,   Un i v er s iti T en ag Na s io n al,   J alan   I KR A M - UNI T E N,   4 3 0 0 0   Kaj an g ,   Selan g o r ,   Ma la y s ia .   E m ail:  az r ee n . a w a llu d i n @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   L i g h R ail  T r an s it  ( L R T )   s y s t e m   is   m ai n l y   d ev e lo p ed   to   r e d u ce   tr af f ic  co n g esti o n   p r o b le m s   i n   u r b a n   cities.  I is   u s ed   to   tr an s p o r p ass en g er s   in   an   av er a g s p ee d   o f   7 0   k m /h o u r .   I n   g en er al,   an   L R T   tr ain   is   p o w er ed   u p   u s i n g   DC   elec tr i f icatio n   s y s te m   v ia   o v er h ea d   lin o r   g r o u n d   le v el   p o w er   s u p p l y   s y s te m   ( th ir d   r ail) .   Fig u r 1   ( a)   s h o w s   a   t y p ical  co n f i g u r atio n   o f   a   T r ac tio n   Su p p l y   S u b s tatio n   ( T SS )   [ 1 ] .   u n it   o f   zi g za g   tr an s f o r m er   a n d   t w el v e - p u ls s ilico n   d io d r ec ti f ier   ar e m p lo y ed   to   co n v er t   t h 3 3   k g r id   to   DC   s u p p l y   r ated   at  7 5 0   ( n o m i n al  v a l u e) .   Ho w e v er ,   ac co r d in g   to   I n ter n at io n al  Sta n d ar d   I E C 1 2 8 7 - 1 ,   all  eq u ip m en m u s s ta n d   f o r   ad d itio n al  2 0 %   o f   n o m i n al  v o ltag e   [ 2 ] .   T h is   is   to   en s u r n o r m al  o p er atio n   w h e n   tr ain   en ter s   b r ak in g   m o d e.   I h as  b ee n   d o cu m e n ted   th at,   th D C   v o lt ag lev el  m a y   ac h iev 9 0 0   w h en   tr ain   is        b r ak in g   [ 3 ] .   An   elec tr ic   tr ain   w ill   w o r k   as   g e n er ato r   w h e n   it   s tar ts   b r ak in g .   T h k i n etic   en er g y   o f   tr ain   i s   n o w   tr an s f o r m ed   to   elec tr ic  en er g y   [ 4 ] .   I f   th tr ain   is   d esig n ed   with   r h eo s tatic  b r ak i n g   ca p ab ilit y ,   th r eg e n er ativ e   b r ak in g   en er g y   w ill  b d i s s i p ated   th r o u g h   a n   o n   b o ar d   r h eo s tat.   A l ter n ati v el y ,   t h is   r e g en er at i v b r ak i n g   en er g y   m a y   b d r a w n   o f f   v i s o m e   p ar allel  co n n ec ted   r e s is to r   b an k s   at  t h co n v e n tio n al  T SS .   T h m ain   r ea s o n   f o r   n o f u l l y   u ti lize  t h b r ak in g   en er g y   is   d u to   t h s i lico n d io d r ec tif ier   o n l y   a llo w s   cu r r e n to   f lo in   o n d ir ec tio n .   I n   o r d er   to   f u ll y   u t ilize  t h r eg en er ati v b r ak i n g   e n er g y ,   r ec u p er atin g   co n v er ter   ca n   b e m p lo y ed .   I n   [ 5 ] ,   th r ee - lev el  in v er ter   i s   in s talled   p ar allel  to   th t w el v e - p u ls s ilico n d io d r ec tif i er .   W h en   th tr ain   s tar ts   b r ak i n g ,   th e   in v er ter   w il b ac tiv ated .   T h u s   t h b r ak i n g   e n er g y   ca n   b d eli v er ed   b ac k   to   t h AC   g r id .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1745     1 7 5 4   1746   Ho w e v er ,   th e   i n v er ter   i n tr o d u ce s   c u r r en t   an d   v o lta g h ar m o n ic s   to   t h ac   g r id .   T h u s ,   s o m L C   f ilter s   ar e   i m p le m en ted .   O n   th o t h er   h a n d s ,   an   as y m m etr ic  C a s ca d ed   H - B r id g ( C HB )   co n v er ter   h a s   b ee n   p r o p o s ed   in   [ 6 ] .   T h p r o p o s ed   s y s te m   r ec r u its   t h r ee   u n its   o f   H - b r id g ce ll  p er   p h ase.   E ac h   ce ll  is   co u p le d   to   an   ad d itio n al   tr an s f o r m er   u n it.  T h ese  tr an s f o r m er s   ar d esig n ed   w it h   d i f f er en t u r n   r atio   to   p r o d u ce   2 7 - lev el  o u tp u v o ltag w a v e f o r m .   T h to tal  h ar m o n ics  d is to r tio n   is   r ec o r d ed   less   th a n   1   %.  T h p o w er   s e m ico n d u cto r s   ar e   s w itc h ed   ac co r d in g l y   b ased   o n   s p ec if ied   lo o k - u p   tab le.     T h ab o v em e n tio n ed   p r o p o s al s   h a v r ec r u ited   ad d itio n al   co m p o n en ts   to   en s u r t h to tal  h ar m o n ic s   d is to r tio n   m ea s u r e m e n co m p lied   w i th   t h i n d u s tr ial  s tan d a r d .   T h ese  co m p o n e n ts   i n cl u d e   p ass iv e   f i lter s   a n d   ad d itio n al  tr an s f o r m er s .   W ith   th ese  co m p o n e n ts ,   t h s ize  a n d   w ei g h o f   t h r ec u p er atin g   co n v er ter   s y s te m   wi l i n cr ea s ac co r d in g l y .   T h er ef o r e,   th is   p ap er   p r o p o s es  to   u s s y m m etr ic  C a s ca d ed   H - B r id g ( C HB )   co n v er ter   as  r ec u p er ati v co n v er ter   i n   T SS   ( Fig u r 1   ( b ) ) .   T h to tal  h ar m o n ic s   d is to r tio n   p r o d u ce d   b y   t h i s   C HB   w i ll  b f u r t h er   in v esti g ated   u s in g   t w o   d if f e r en m o d u latio n   tec h n iq u e s .   T h ese  m o d u latio n   tec h n iq u e s   in cl u d P h ase - Sh i f ted   a n d   P h ase  Dis p o s itio n   P u ls W id th   M o d u latio n .       + _ V o G r i 33  kV   50  H z   T r a c t i o n   S u p p l y   S u b s t a t i o n   ( T S S ) L R T 750  Y 12 - p u l s e Z i g z a g   T r a n s f o r m er T r a c t i o n   R ec t i f i er 12 - p u l s e   C H B   C o n v e r t e r + _ V o G r i 33  kV   50  H z   T r a c t i o n   S u p p l y   S u b s t a t i o n   ( T S S ) L R T 750  Y 12 - p u l s e Z i g z a g   T r a n s f o r m er T r a c t i o n   R ec t i f i er             ( a)                ( b )     Fig u r 1 ( a)   C o n v en tio n al  T r ac tio n   Su p p l y   S u b s tatio n   [ 1 ] ,   ( b )   Pro p o s ed   C ascad ed   H - B r id g ( C HB )   co n v er ter   ac ts   as r ec u p er ativ co n v er ter   in   co n v e n tio n a l T r a ctio n   Su p p l y   S u b s tatio n   ( T SS )       2.   CASCAD E H - B RID G E   C O NVER T E R   C ascad ed   H - B r id g ( C HB )   co n v er ter s   ar w id el y   u s ed   i n   m ed iu m   a n d   h i g h   v o ltag e   in d u s tr ia l   ap p licatio n s   w h ic h   in cl u d H VDC   [ 6 ] ,   ST A T C OM   [ 7 ] ,   r ailw a y   [ 8 ] ,   an d   m o to r   d r iv e s   ap p licatio n s   [ 9 ] .   C HB   is   o n o f   th cla s s ic  m u ltil e v el   co n v er ter s   o th er   th a n   Ne u tr al  P o in C lai m ed   ( NP C )   an d   Fl y i n g   C ap ac ito r   ( FC )   co n v er ter s   [ 1 0 ] .   I is   d o cu m e n ted   th at  C HB   co n v er ter   h as   r ea ch ed   s ev en tee n - v o lta g e - le v el  in   t h m ar k et.   B esid es,  C HB   co n v er ter   u s es   less er   n u m b er   o f   p o w er   s e m ico n d u cto r s   to   g e n er ate  s a m e   n u m b er   o f   o u tp u t   v o ltag w a v e f o r m   co m p ar to   NP C   an d   FC   [ 1 1 ] .     2 . 1 .   O pera t io na l P rincipa   T h p o w er   cir c u it  o f   C HB   co n v er ter   is   p r esen ted   i n   F ig u r 2 .   A   s er ies  o f   H - b r id g ce lls   ( HC )   ar e   e m p lo y ed   to   p r o d u ce   s tair ca s w a v e f o r m   at  AC   ter m i n als.  H - b r id g ce ll s   ar th k e y   m o d u les  to   co n s tr u ct  a   C HB   co n v er ter .   A s   s h o w n   i n   Fig u r 2   ( b ) ,   th p o w er   cir cu i o f   H - b r id g ce ll  is   eq u iv a len to   s in g le - p h a s e   in v er ter .   T h er ar f o u r   p o w e r   s w itc h es  ( S1 ,   S1 ,   S2   an d   S2 )   co n n ec ted   i n   H - b r id g c o n f i g u r atio n .   T h ese   s w itc h es  ar th e n   co u p led   to   f lo a tin g   ca p ac ito r   ( in   p ar allel  co n n ec tio n ) .   T h s w itc h i n g   e v en f o r   S1   an d   S1   m u s b co m p le m e n tar y   to   e ac h   o th er .   Fi g u r 2   ( c)   s h o w s   th p o s s ib le  s w itc h i n g   co n d itio n   o f   H - b r id g e   C ell.   W it h   p r o p er   co n tr o lled   o f   t h ese   p o w er   s w itc h es,  a   u n it  o f   H - b r id g e   ce ll   w i ll  co n t r ib u te  t h r ee   v o lta g e   lev els  ( + V c 0 V c )   at  th H - b r id g ce ll  ter m i n al,   v HC .   T h u s ,   p h a s v o lta g o f   C HB   ca n   b o b tain ed   b y   s u m m i n g   u p   all  th v HC   v al u i n   o n p h ase  le g .   E q u atio n   ( 1 )   s h o w s   t h g en er al  p h a s v o lta g eq u atio n .     N i HC pn pi v V 1   ( 1 )     w h er p   r ep r esen ts   p h ase - a ,   p h ase - b   o r   p h ase - c an d   N   is   th to tal  n u m b er   o f   H - b r id g ce l ls   co n f i g u r ed   in   o n p h ase  leg .   I n   o r d er   to   p r o d u ce   b alan ce   th r ee   p h ase  o u tp u v o ltag es,  C HB   m u s e m p lo y e q u al  n u m b er   o f   H - b r id g ce lls   f o r   all  p h ase  le g s .   T h n u m b er   o f   o u tp u v o ltag lev els,  m ,   ca n   b esti m a ted   w i t h   ( 2 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Ha r mo n ic  Mit ig a tio n   in   Tr a ctio n   S u p p ly  S u b s ta tio n   Usi n g   C a s ca d ed   H - B r id g C o n ve r ter ( A .   A w a llu d in )   1747   1 2 N m   ( 2 )     w h er N   is   t h to tal  n u m b er   o f   H - b r id g ce lls   co n n ec ted   i n   o n p h ase  le g .   T h m o d u lar   s tr u ctu r o f   C H B   co n v er ter   in cr ea s es  t h a v a ilab ilit y   a n d   f le x ib ilit y   to   r ea ch   h ig h er   v o ltag le v el  u s i n g   lo w   v o lt ag s e m ico n d u c to r s .   B y   i n cr ea s in g   th n u m b er   o f   H - b r id g ce lls ,   t h T o tal   Har m o n ic s   Di s to r tio n   ( THD )   o f   cu r r en ts   a n d   v o lta g es   ca n   b f u r t h er   r ed u ce d   [ 1 1 ] .   B esid es,  s o m e   r ed u n d a n t   H - b r id g ce ll s   ca n   b ad d ed   to   i m p r o v t h c o n v er ter   r elia b ilit y   [ 9 ] .   A lt h o u g h   C HB   o f f e r s   m a n y   ad v a n ta g es   b y   h ir in g   m o r H - b r id g ce l ls ,   th co m p lex i t y   o f   it s   p o w er   cir cu it  a n d   co n tr o ller   d esig n   w ill  i n cr ea s e   p r o p o r tio n all y .   T h u s ,   s e v e n - lev el  C HB   is   f ir s s e lecte d   f o r   th is   s t u d y .   T h r ee   u n i ts   o f   H - b r id g ce lls   w ill  b e   e m p lo y ed   p er   p h ase  leg   ( N   3 ) .       HC aN HC bN HC c 2 HC c 1 HC cN n a b c HC b 2 HC b 1 HC a 2 HC a 1 + _ 1 a HC v + _ 2 a HC v + _ an HC v C S 2 S 2 ' S 1 S 1 ' H - br i dg e  C e l l   ( HC ) + _ v c HC v + _       ( a)                   ( b )                                                                                                  ( c )     Fig u r 2 P o w er   cir cu it o f   ( a)   C ascad ed   H - B r id g co n v er ter ,   ( b )   H - b r id g C ell,   ( c)   S w itc h i n g   co n d itio n   v er s u s   H - b r id g ce ll o u tp u t v o ltag le v el,   v HC       2 . 2 .   M o du la t io n T ec hn iq ues   S y m m etr ic  C ascad ed   H - B r id g co n v er ter   h as  b ee n   i n v esti g ated   w it h   d if f er en t y p es  o f   m o d u latio n   tech n iq u es,   s u ch   as   Sp ac Ve cto r   Mo d u latio n   ( S VM )   [ 1 2 ] ,   Selecti v Har m o n ic  E li m i n at io n   ( SHE)   [ 7 ] , [ 1 3 ] Selectiv Har m o n ic  Miti g atio n   ( SHM)   [ 1 4 ] ,   an d   Sin u s o id al  P u ls W id th   Mo d u latio n   ( SP W M)   [ 1 5 ] , [ 1 6 ] Am o n g   al l,  SP W tech n iq u is   s i m p ler   to   b i m p le m e n t ated   [ 1 7 ] .   A   s i n u s o id al  w a v e   ( co n tr o s i g n al)   is   co m p ar ed   w it h   s er ies o f   h i g h   f r eq u e n c y   tr ian g u lar   w av e s   t o   g en er ate  s p ec i f ic  g at in g   s i g n als.  SP W m e th o d   is   f u r t h er   d iv id ed   in to   P h ase - S h i f ted   P W M,   P h ase - Dis p o s iti o n   P W M,   P h ase  Op p o s itio n   PW M,   an d   A lter n at e   P h ase  Op p o s itio n   P W [ 1 8 ] .     2 . 3 .   P ha s e - Sh if t ed  P uls Width  M o du la t io n   (PS - P W M )   P h ase - Sh i f P W ( P S - P W M)   m et h o d   h ad   b ee n   co m m er ciall y   ap p lied   to   C HB   co n v er ter   [ 1 0 ] .   T h is   tech n iq u u s es  N   p air s   o f   tr ia n g u lar   w av e f o r m   ( i PS t r i v _ an d   i PS t r i v _ )   to   co n tr o N   n u m b er   o f   H - b r id g c ells   p er   p h ase  leg .   T h ese  tr ian g u la r   w av e s   ar s et  to   s a m a m p l it u d an d   id en tical  f r eq u e n c y   ( i n   k Hz  r a n g e) .   T h u s ,   th a m p li tu d an d   f r eq u en c y   m o d u latio n   in d e x es, a m an d   f m ar f o r m u la ted   as f o llo w s :     1 _ ˆ ˆ PS t r i s i n e a V V m   ( 3 )     s i n e t r i f f f m   ( 4 )     Fig u r 3 ( a)   illu s tr ates  P S - P W s ch e m f o r   s ev e n - le v el  C HB   co n v er ter   in   p h ase - [ 1 5 ] .   T h r ee   d o m i n a n tr ia n g u lar   w a v es,  n a m el y   1 _ PS t r i v   to   3 _ PS t r i v ar ar r an g ed   in   s eq u en ce   w it h   p h ase  d ela y   an g le ,   o f   6 0   ap ar t f r o m   ea c h   o th er .   T h p h ase  d elay   a n g le,   ,   is   b asicall y   d er i v ed   f r o m :     N 1 8 0   ( 5 )   S1   S2   v HC   (V)   ON   O F F   +V c   O F F   O F F      0   ON   ON      0   O F F   ON   V c     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1745     1 7 5 4   1748   B y   as s u m i n g   t h at  t h e   ca p ac ito r   v o ltag e,   V c ,   v alu e   is   co n s tan tl y   f i x ed   i n   al t h H - b r id g c ells ,   p ai r   o f   tr ian g u lar   w a v e,   i PS t r i v _ an d   i PS t r i v _ is   u s e d   to   co n tr o HC pi .   A s   s h o w n   i n   Fi g u r 3   ( a)   ii.    Fig u r 3   ( a)   iv . ,   th i PS t r i v _ w a v i s   p r o d u ce d   b y   in v er s el y   d u p licati n g   t h d o m in an t i PS t r i v _ w av e f o r m s .   T h s w itc h i n g   co n d itio n s   ar g iv e n   in   ( 6 )   an d   ( 7 ) .   T h p o w er   s w itc h   S1   is   co n tr o lled   b y   co m p ar in g   th s i n u s o id al  w a v w it h   th d o m in a n t   i PS t r i v _ w av e f o r m .   W h e r ea s ,   S2   i s   tr i g g er ed   o n   w h e n   th e   p air in g   tr ia n g u lar   w a v e,   i PS t r i v _ is   g r ea ter   th a n   th s in u s o id al  w a v e.     S1   o f   HC pi   ar tr ig g er ed   ON  w h en   i p PS t r i s i ne v v _   ( 6 )     S2   o f   HC pi   ar tr ig g er ed   ON  w h en   i p PS t r i s i ne v v _   ( 7 )     w h er p   r ep r esen ts   p h ase - a ,   p h ase - b   o r   p h ase - c ; a n d   i   iter ates f r o m   1 ,   2 ,   …,   N   T h o u tp u v o ltag w a v e f o r m ,   ai HC v o f   ea ch   H - b r id g ce ll  is   tr i g g er ed   b etw ee n   +1   p . u .   an d   1   p . u . ,   w h ic h   is   eq u i v ale n to   + V c   an d   V c .   B y   ad d in g   u p 1 a HC v 2 a HC v an d 3 a HC v ,   s ev en - le v el  p h a s e - o u tp u t   v o ltag w a v ef o r m   i s   g e n er ated   as  s h o w n   in   Fi g u r 3   ( a)   v .   T h p ea k - to - p ea k   o u tp u p h as v o ltag is   s tep p in g   u p   f r o m   3 V c   s lo w l y   to   r ea ch   +3 V c .                                                                                                    ( a)                                                                                                                             ( b )     Fig u r 3 .   P u ls W id th   Mo d u la tio n   in   C HB   co n v er ter   w h ich   e m p lo y s   t h r ee   u n it s   o f   H - b r id g ce ll,  ( a)   P h ase - Sh i f ted   P W [ 1 5 ] ,   ( b )   P h ase - Dis p o s itio n   P W M       2 . 4 .   P ha s e - Dis po s it io n P uls Wi d t h M o du la t io n ( P D - P W M ) :   I n   P h ase - Di s p o s itio n   P W ( P D - P W M) ,   N - p air s   o f   tr ia n g u lar   w a v ( i PD tri v _ an d   ) ( _ i N PD t r i v )     ar e   also   d e m a n d ed   to   co n tr o N   n u m b er s   o f   H - b r id g e   ce ll  in   C HB   co n v er ter .   Fi g u r e   4   ( b )   i.  illu s tr ates   th e   P D - P W m eth o d   w i th   t h r ee   d o m in an tr ian g u lar   w av e s   n a m el y   1 _ PD tri v to   3 _ PD t r i v .   T h ese  tr ian g u lar   w a v es  ar s et  w it h   s a m a m p lit u d an d   f r eq u e n c y .   I n   g e n er al,   th a m p lit u d r atio   o f   ea ch   ca r r ie r   w a v e, i PD t r i V _ ˆ ,   is   eq u all y   d i v id ed   b y   t h to tal  n u m b er   o f   H - b r id g ce ll s   as d esc r ib ed   in   ( 8 ) .     N V i PD t r i 1 ˆ _   ( 8 )   0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 P S - P W M [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 v H C a 1 [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 v H C a 2 [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 v H C a 3 [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -2 0 2 v a n [ p u ] t i m e   ( s ) 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 P D - P W M [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 v H C a 1 [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 v H C a 2 [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -1 0 1 v H C a 3 [ p u ] 0 . 0 7 5 0 . 0 8 0 . 0 8 5 0 . 0 9 0 . 0 9 5 0 . 1 -2 0 2 v a n [ p u ] t i m e   ( s ) iv .   iii.   i.   i i.   v .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Ha r mo n ic  Mit ig a tio n   in   Tr a ctio n   S u p p ly  S u b s ta tio n   Usi n g   C a s ca d ed   H - B r id g C o n ve r ter ( A .   A w a llu d in )   1749   T h d o m i n an tr ian g u lar   w a v es, i PD tri v _ ar s tack ed   u p   u s i n g   ( 9 ) .   W h er ea s ,   th p air i n g   tr ian g u l ar   w a v e,   ) ( _ i N PD t r i v ,   is   s h i f ted   v er ticall y   d o w n   u s i n g   ( 1 0 ) .     1 1 _ _ _ ˆ 1 PD t r i PD t r i PD t r i V i v v i     ( 9 )     1 1 ) ( _ _ _ ˆ PD t ri PD t ri PD t ri V i v v i N     ( 1 0 )     T h am p lit u d m o d u latio n   in d ex ,   a m ,   m u s s et  to   less   th a n   1   u s i n g   ( 1 1 ) .     T h is   is   to   en s u r th at  th e   C HB   co n v er ter   al w a y s   o p er ates in   li n ea r   m o d u la tio n   m o d e.       N i PD t r i s i n e a i V V m 1 _ ˆ ] p . u. [ ˆ   ( 1 1 )     T h f r eq u en c y   m o d u la tio n   i n d ex ,   f m ,   ca n   b ca lcu lated   u s in g   ( 4 ) .       B y   a s s u m i n g   t h a ea c h   H - b r id g ce ll  al w a y s   m ain tain s   co n s ta n V c   v al u e,   th is   p ap er   w il s i m p lify   th ex p la n atio n   b y   n o m in a tin g   i PD tri v _ an d   ) ( _ i N PD t r i v to   co n tr o l p o w er   s w i tch e s   in   HC pi .     S1   o f   HC pi   ar tr ig g er ed   ON  w h en   i p PD t r i s i n e v v _   ( 1 2 )     S2   o f   HC pi   ar tr ig g er ed   ON  w h en   i N p PD t r i s i n e v v _   ( 1 3 )     w h er p   r ep r esen ts   p h a s e - a ,   p h ase - b   o r   p h ase - c a n d   i   iter at es  f r o m   1 ,   2 ,   …,   N .   Fi g u r 3 ( b )   ii.    Fig u r 3 ( b )   iv .   p r esen t h P W in   ea ch   H - b r id g ce l to g et h er   w it h   its   r ele v an o u p u v o ltag e   w a v ef o r m ,   ai HC v Si m i lar y ,   ea ch   H - b r id g ce ll  p r o d u ce s   th r ee - le v el  o f   v o l tag w av e f o r m s .   B y   s u m m i n g   u p   th v o lta g e   w a v e f o r m s   of 1 a HC v to 3 a HC v ,   s ev e n - lev el   p h ase - o u tp u v o ltag w a v e f o r m   i s   p r o d u ce d   ( Fig u r 3   ( b )   v . ) .       3.   SI M UL AT I O V E R I F I CA T I O N   A   s e v en - le v el  C ascad ed   H - B r id g ( C HB )   co n v er ter   is   m o d eled   u s in g   M A T L A B / Si m u li n k .   T h e   s i m u lat io n   m o d el  i s   u s ed   to   s t u d y   t h A C   w av e f o r m s   q u alit y   w it h   t w o   d if f er en m o d u la ti o n   tech n iq u e s   w h ich   ar d escr ib ed   in   Sectio n   2 . 2 .   T h to tal  h ar m o n ic  d is to r t io n   o f   A C   w a v e f o r m s   ar m ea s u r ed   w it h   t h MA T L A B   P o w er g u i F FT   A n a l y s i s   T o o l.      3 . 1 .   Si m ula t io n M o del   Fig u r 4   ( a)   s h o w s   t h C HB   c o n v er ter   s i m u latio n   m o d el.   T h 3 3   k g r id   an d   t h zi g za g   tr an s f o r m er   ar m o d elled   as   b alan ce d   t h r ee - p h a s R L - lo ad   in   t h is   s i m u latio n .   T h RL - lo ad   v al u e s   ar s e b y   tr y   an d   er r o r   to   m ee t h b r ak in g   c u r r en le v el  g iv e n   i n   [ 1 ] .   Ni n u n i ts   o f   H - b r id g ce ll s   ar e m p lo y ed .   T h e y   ar ev en l y   d is tr ib u ted   in   p h a s le g - a,   p h a s le g - b   a n d   p h ase  le g - c.   F ig u r 4   ( b )   s h o w s   th p o w er   cir cu it  o f   H - b r id g ce ll.  Fo u r   u n its   o f   I G B T   s w itc h es  ar co n n ec ted   i n   H - b r id g co n f ig u r atio n .   T h ca p ac ito r ,   w h ic h   s u p p o s es  to   b co n n ec ted   in   p ar allel  to   th H - b r id g p o w er   s w itc h es  is   m o d eled   as  co n s tan d s o u r ce .   T h d s o u r ce   is   s et  to   3 0 0   V.   T h is   p ap er   ass u m ed   th a th tr ac tio n   n et w o r k   w i ll  h o ld   u p   to   9 0 0   ( DC   lin k   v o ltag e,   V dc )   w h e n   tr ain   i s   b r ak in g .   T h V dc   is   eq u all y   d iv id es b y   th r ee   u n it s   o f   H - b r id g c ell  p er   p h ase.       Fig u r 4 ( c)   an d   4 ( d )   illu s tr ate  th P S - P W an d   P D - P W s i m u lat io n   m o d els  f o r   co n tr o ll in g   t h H - b r id g ce lls   u s ed   in   p h a s e - a.   T h ese  b lo ck s   ar d u p licated   f o r   o th er s   p h a s e - leg   b y   i n tr o d u cin g   p h ase - b   a n d   p h ase - s i n u s o id al  w a v es  a s   t h co n tr o s i g n al s .   T h a m p lit u d o f   all  s i n u s o id al  w a v e s   ar s et  to   0 . 5 4 5   V,   5 0   Hz.   T h e y   ar p r o g r am ed   to   b e   ap ar f r o m   ea ch   o th er   w ith   1 2 0   p h ase  s h i f t.  T h am p lit u d m o d u latio n   i n d ex ,   m a   is   s et  to   0 . 5 4 5 ,   m ai n l y   to   en s u r th at  t h e f f ec tiv v al u o f   th p r o d u ce d   lin e - li n v o ltag es  w il ac h ie v e   5 8 5   [ 1 ] .   T h is   v o ltag le v el  is   d o cu m e n ted   as  t h r ated   n o r m in a v o lta g at  s ec o n d ar y   w i n d i n g   o f   th zi g - za g   tr an s f o r m er .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1745     1 7 5 4   1750   T h tr ian g u lar   ca r r ier   w a v es  a r s et  to   1 0 5 0   Hz  f o r   b o th   P W s ch e m es.  I n   P S - P W M,   th a m p lit u d o f   th d o m i n a n ca r r ier   w a v es   ( T r ian g le  1   to   T r ian g le  3 )   ar all  s et  to   1   w it h   6 0   p h ase  s h if t.  W h er ea s ,   PD - P W li m its   th e   a m p li tu d o f   t h s i x   tr ia n g u lar   w a v e s   to   1 /3   V.   T h ese  ca r r ier   w av e s   d o   n o h a v p h a s d elay .   A l l si m u latio n   p ar a m e t er s   ar s u m m er ized   i n   T ab le  1 .         ( a)     ( b )                                                                                                               ( c)                                                                                                                     ( d )     Fig u r 4 .   Si m u latio n   m o d el:  ( a)   C ascad ed   H - B r id g ( C HB )   C o n v er ter ,   ( b )   P o w er   cir cu i t o f   H - b r id g C ell  ( HC ) ,   ( c)   P S - P W M ,   ( d )   P D - PW M       T ab le  1 Sim u latio n   P ar am e ter s     C a sc a d e d   H - B r i d g e   ( C H B )   C o n v e r t e r   P a r a me t e r s   P u l se - W i d t h   M o d u l a t i o n   p a r a me t e r s   PS - P W M   PD - P W M   N u mb e r   o f   H - b r i d g e   C e l l   p e r   p h a se ,   N   3   A mp l i t u d e   M o d u l a t i o n   I n d e x ,   m a   0 . 5 4 5   0 . 5 4 5   C a p a c i t o r   v o l t a g e   l e v e l   p e r   H - b r i e g e   C e l l ,   V c   3 0 0   V   F r e q u e n c y   M o d u l a t i o n   I n d e x ,   m f   21   21   R e si st i v e   L o a d   p e r   p h a se ,   R   0 . 3     T r i a n g u l a r   w a v e s p h a se   d e l a y   a n g l e ,   t r i _P S   60   0   I n d u c t i v e   L o a d   p e r   p h a se ,   L   5 0   µ H   A mp l i t u d e   r a t i o   o f   t r i a n g u l a r   w a v e s, i PD t r i V _ ˆ   1   1 / 3           3 . 2 .   Si m ula t io n r es ults   B o th   m o d u latio n   m et h o d s ,   P S - P W an d   P D - P W ar ev alu ated   t h r o u g h   s i m u la t io n s .   T h e   s i m u lat io n   r es u lts   ar p r ese n te d   s id b y   s id f o r   co m p ar is o n .   T h s i m u latio n   r es u lt s   o f   P S - P W is   co m p iled   in   co lu m n   ( a)   w h ile  co lu m n   ( b )   r eser v ed   f o r   P D - PW M.   T h s i m u latio n   r esu l ts   o f   p h a s e - ar o n ly   p r ese n ted   in   Fi g u r 5   an d   Fig u r 6   w it h   f u ll  d is c u s s io n .   I d en tical  r es u l ts   ar o b s er v ed   r ep ea ted ly   in   p h ase - b   an d   p h ase - c.   I n   ad d itio n ,   th r ee - p h ase  v o ltag es  a n d   cu r r en w a v e f o r m s   ar ill u s tr ated   in   Fi g u r 7 .   L astl y ,   Fi g u r 8   d is p la y s   a   s et  o f   T HD  m ea s u r e m en t s   o f   th e   C HB   co n v er te r   s i m u lated   w i th   d if f er en t   n u m b er s   o f   H - b r id g e   ce lls   p er   ar m .     A   s er ie s   o f   tr ian g u lar   ca r r ier   w a v es  an d   m o d u latin g   w a v ar p r esen ted   in   Fi g u r 5 .   A   5 0   Hz  s in u s o id al  w av e f o r m   i s   clea r ly   s h o w n   in   Fi g u r 5   i.  T h p ea k   v alu o f   t h is   s i n u s o id al   w av i s   ca p tu r ed   s lig h tl y   ab o v 0 . 5   lev el  in   th zo o m - i n   v ie w   o f   F ig u r 5   ii.  T h ese  f i g u r e s   co n f ir m ed   th e   m o d u latio n   i n d ex ,   m a ,   h as  b ee n   s et  ac co r d in g l y .   T h d o m i n an tr ian g u lar   w a v es  ar p lo tted   u s in g   s o lid   lin w it h   it s   p air in g   ca r r ier   w a v es  p r ese n ted   i n   d o tted   lin f o r   b o th   m o d u latio n   tec h n iq u es.  As  s h o w n   i n   F ig u r e   5   ( a)   ii.,   th e   tr ian g u lar   w a v es   o f   P S - P W ar s et  to   2   p ea k - to - p ea k   a n d   s h i f ted   h o r izo n tal l y   ( 6 0 )   i n   s eq u en ce .   O n   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Ha r mo n ic  Mit ig a tio n   in   Tr a ctio n   S u p p ly  S u b s ta tio n   Usi n g   C a s ca d ed   H - B r id g C o n ve r ter ( A .   A w a llu d in )   1751   o th er   h a n d ,   th e   P D - P W e m p lo y s   s i x   id e n tical  ca r r ier   w a v es  w ith   an   a m p li tu d o f   1 /3   p ea k - to - p ea k .   As   s h o w n   in   F ig u r 5   ( b )   ii.,   th ese  s ig n als ar s h i f ted   v er ticall y   u s in g   ( 9 )   an d   ( 1 0 ) .                                                                     ( a)                                                                                                                                                                 ( b )       Fig u r 5 .   Si m u latio n   r esu l ts   f o r   ( a)   P S - P W M,   ( b )   P D - PW M.   T h s u b - p lo ts   s h o w : i.   tr ian g u l ar   ca r r ies  w it h   o n co m p lete  c y cle  o f   m o d u la tio n   s i g n a l,  ii.  Z o o m - i n   v ie w   o f   tr ian g u lar   w av e s       W h en   th e   C HB   co n v er ter   is   s i m u lated   w it h   P S - P W s c h e m e,   all   H - b r id g ce ll s   ar b ei n g   ac ti v el y   tr ig g er ed .   T h s i n u s o id al  w a v is   f u ll y   m o d u lated   b y   t h r ee   p air s   o f   t h tr ia n g u lar   w av e s .   As  r es u lt,   ea ch   o f   th H - b r id g ce lls   p r o d u ce s   th r ee - le v el  o u tp u v o lta g w a v ef o r m   a s   s h o w n   i n   Fi g u r 6   ( a)   i.    iii.  A ll  th e   ai HC v k ee p   to g g li n g   b et w ee n   3 0 0   V,   0   V,   an d   3 0 0   V.   T h p o w er   ar e v e n l y   d is tr ib u ted   a m o n g   t h r ee   H - b r id g ce lls   i n   ea ch   p h ase  le g .   Ho w e v er ,   in   P D - P W m eth o d ,   o n ly   H - b r id g C ell s ,   HC a 1   an d   HC a2   p r o d u ce   th r ee - le v el  o u tp u v o ltag e s ,   th HC a3   co n s tan t l y   g e n er ates  z er o   v o ltag lev el  a s   s h o w n   i n   Fig u r 6   ( b )   i.    iii.   T h th ir d   u n it  o f   H - b r id g ce ll  is   in ac t iv co u n tin u o u s l y   b ec au s t h th ir d   p air   o f   th e   c ar r ier   w a v es  s w i n g   ab o v th m o d u la t in g   w a v e.   F ig u r e   5   ( b )   r ec o r d e d   th at  3 _ PD t r i v   s w i n g s   f r o m   0 . 6 6 7   to   1   w h ile   its   p air in g   ca r r ier   o s cilates  b et w ee n   0 . 6 6 7   an d   1   V.   T h s w itch in g   ev e n ts   o cc u r   in   C HB   co n v er ter   u s i n g   P D - P W M   is   m u c h   lo w er   co m p ar to   P S - P W s ch e m e.     T h eo r ec tically ,   C HB   co n v e r ter   w i th   t h r ee   u n i ts   o f   H - b r id g ce ll  p er   p h ase,   s h o u ld   g en er ate  s ev e n - lev el  o u tp u v o lta g w a v ef o r m .   Ho w e v er ,   as  th a m p l itu d m o d u lat io n   in d e x ,   m a   is   s et  to   0 . 5 4 5 ,   a   f iv e - lev el  p h ase  v o ltag e   w a v ef o r m   is   o b s er v ed   at   th e   A C   te r m i n als  f o r   b o th   m o d u latio n   tech n iq u es.  Fi g u r 6   i v .   s h o w s   th p h ase  v o ltag e,   v an ,   i s   to g g led   b et w ee n   3 0 0   to   6 0 0   w h e n   t h m o d u lati n g   s i g n al  r ea ch e s   its   p ea k   ar o u n d   0 . 9 8 5   s .                                                                       ( a)                                                                                                                                               ( b )       Fig u r 6 .   Si m u latio n   r esu l ts   f o r   ( a)   P S - P W M,   ( b )   P D - PW M.   T h s u b - p lo ts   s h o w s   t h o u tp u t v o ltag w a v e f o r m s   f o r   H - b r id g C e lls : i.   H C a1 1 a HC v   ,     ii.  HC a2 2 a HC v   ,   iii.  HC a3 3 a HC v an d   iv .   p h ase - v o lta g w a v e f o r m , v an   0 . 9 8 0 . 9 8 2 0 . 9 8 4 0 . 9 8 6 0 . 9 8 8 0 . 9 9 0 . 9 9 2 0 . 9 9 4 0 . 9 9 6 0 . 9 9 8 1 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 P S - P W M 0 . 9 8 4 0 . 9 8 4 2 0 . 9 8 4 4 0 . 9 8 4 6 0 . 9 8 4 8 0 . 9 8 5 0 . 9 8 5 2 0 . 9 8 5 4 0 . 9 8 5 6 0 . 9 8 5 8 0 . 9 8 6 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 P S - P W M t i m e   ( s ) 0 . 9 8 0 . 9 8 2 0 . 9 8 4 0 . 9 8 6 0 . 9 8 8 0 . 9 9 0 . 9 9 2 0 . 9 9 4 0 . 9 9 6 0 . 9 9 8 1 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 P D - P W M 0 . 9 8 4 0 . 9 8 4 2 0 . 9 8 4 4 0 . 9 8 4 6 0 . 9 8 4 8 0 . 9 8 5 0 . 9 8 5 2 0 . 9 8 5 4 0 . 9 8 5 6 0 . 9 8 5 8 0 . 9 8 6 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 P D - P W M t i m e   ( s ) 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 200 v H C a 1 [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 200 v H C a 2 [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 200 v H C a 3 [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 5 0 0 0 500 v a n [ p u ] t i m e   ( s ) 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 200 v H C a 1 [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 200 v H C a 2 [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 200 v H C a 3 [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 5 0 0 0 500 v a n [ p u ] t i m e   ( s ) iii.   i.   i i.   iv .   i.   i i.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1745     1 7 5 4   1752   Fig u r 7   i.  p r esen ts   th p h a s e   v o ltag w a v ef o r m s   f o r   ea ch   leg .   T h s i m u latio n   r esu lt s   p r o v th at  a   b alan ce   th r ee - p h a s o u tp u v o ltag w a v e f o r m s   ar p r o d u ce d .   A ll  p h a s v o ltag w a v e f o r m s   ar p r ese n ted   i n   s tair ca s e - w av e   p atter n   i n   f i v lev els.  T h m a x i m u m   a n d   m in i m u m   o u tp u v o lta g le v el  i s   c ap tu r ed   as  +6 0 0   an d   6 0 0   V.   T h r ee - p h ase  cu r r en w a v ef o r m s   ar r ec o r d ed   in   F ig u r 7   ii.  T h p h a s c u r r en ts   ar t u n ed   to   r ea ch   ±   2   k A   m ai n l y   to   ill u s tr ate  th m a x i m u m   b r ak i n g   c u r r en p r o d u ce d   b y   tr ain .   A s   co m p ar i n g   th e s t w o   m o d u latio n   tec h n iq u es,  P S - P W p r o d u ce s   b etter   q u alit y   ac   cu r r en t s .   Fi g u r 7   iii.  d ep ict s   o n o f   t h l in e - to - lin v o lta g w av e f o r m ,   v ab .   T h ef f ec ti v v al u o f   th f u n d a m en tal  co m p o n e n f o r   b o th   v o ltag w a v ef o r m s   ar n o ted   as  5 8 9   V,   w h ic h   i s   v er y   clo s ed   to   th n o m i n al   v alu o f   t h s ec o n d ar y   w in d in g   o f   t h r ec ti f ier   tr an s f o r m er .   P S - P W tech n i q u g en er ate s   n i n e - lev e v o ltag w a v ef o r m .   T h e   p ea k   v o ltag v a lu r ea ch e s   ± 1 2 0 0   V.   On   t h o th er   h a n d ,   P D - P W m eth o d   p r o d u ce s   s ev e n - lev e li n e - to - li n v o lt ag w a v ef o r m   w it h   less   d is to r tio n .                                                                         ( a)                                                                                                                                                                     ( b )       Fig u r 7 .   Si m u latio n   r esu l ts   f o r   ( a)   P S - P W M,   ( b )   P D - PW M.   T h s u b - p lo ts   s h o w : i.   p h ase  v o ltag w av e f o r m s ,   ii.  p h ase  c u r r en w av e f o r m s ,   an d   iii.  lin e - to - li n v o lta g e,   v ab ,   w a v ef o r m       R ef er r i n g   to   t h I E E E   Sta n d ar d   [ 1 9 ] ,   th ac ce p tab le  T o tal  Har m o n ic s   Dis to r tio n   ( T HD)   f o r   cu r r en t   an d   v o lta g ar r ec o m en d ed   t o   k ee p   b elo w   5   an d   8   r esp ec tiv el y .   Fro m   t h ab o v s i m u latio n ,   T HD i   o f   th P S - P W m e th o d   m ee ts   t h I E E E   Sta n d ar d ,   w it h   4 . 8 5   d is to r tio n .   Ho w e v er ,   th l in e - to - li n v o lta g e   w a v e f o r m   is   b ad l y   d is to r ted   as  h i g h   a s   3 0 . 2 8   %.  T o   f u r th er   s tu d y   th r ed u ctio n   o f   h ar m o n ics,  s i m u la tio n s   a r e   ca r r ied   o u b y   in cr ea s in g   t h e   n u m b er   o f   H - b r id g ce l ls   i n   th C HB   co n v er ter .   Fig u r 8   p r esen ts   s et  o f   cu r r en a n d   v o lta g h ar m o n ic s   m ea s u r e m e n ( in   p er ce n tag e )   v er s u s   d if f er e n n u m b er   o f   H - b r id g ce ll s   p er   p h ase  le g .   T h d o tted   lin r ep r esen ts   th e   T HD   r eq u ir e m e n ts   g i v en   in   I E E E   Stan d ar d .   T h lin e - to - l in v o lta g e   h ar m o n ic  f i n all y   ac h ie v e s   7 . 7 6   w h e n   t h C HB   is   s i m u lat ed   w it h   P D - P W m eth o d   w i t h   ei g h u n it s   o f   H - b r id g ce lls   i n te g r ated   i n   ea ch   p h a s le g .   A lt h o u g h   t h T HD i   is   ex p o n e n tiall y   r ed u ci n g ,   P D - PW s till   p r o d u ce s   s lig h tl y   g r ea ter   h a r m o n ic  d is to r tio n   co m p ar to   P S - P W m et h o d .   Hen ce ,   th e   C HB   co n v er ter   is   m o r s u i tab le  to   b m o d u la te d   u s in g   P S - P W tech n iq u a s   it  o f f er s   ex ce llen q u alit y   o f   cu r r en w a v ef o r m s .   T o   co p e   w it h   th v o ltag h ar m o n ic s   r eq u i r e m e n t,  m o r H - b r id g ce lls   ar r eq u ir ed   to   e x p an s t h v o lta g e   lev els.  I t   is   p r ed icted   t h at  t w e n t y - o n e - lev el   o f   C HB   co n v er ter   m a y   b co n s tr u cted   as  th e   r ec u p er atin g   co n v er ter   in   f u tu r tr ac tio n   s u p p ly   s u b s ta tio n .         ( a)     ( b )   Fig u r 8 .   C HB   co n v er ter s   w it h   in cr ea s in g   n u m b er   o f   H - b r id g ce ll ( a)   P h ase  cu r r en h ar m o n ics co m p ar is o n   b et w ee n   P S - P W an d   P D - P W M,   ( b )   L in e - li n v o lta g h ar m o n ic s   co m p ar is o n   b et w ee n   P S - P W an d     PD - P W M   0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 5 0 0 0 500 v a n , v b n , v c n   [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 0 2000 i a , i b , i c   [ A ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 1 0 0 0 0 1000 v a b [ V ] t i m e   ( s ) 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 5 0 0 0 500 v a n , v b n , v c n   [ V ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 2 0 0 0 0 2000 i a , i b , i c   [ A ] 0 . 9 6 0 . 9 6 5 0 . 9 7 0 . 9 7 5 0 . 9 8 0 . 9 8 5 0 . 9 9 0 . 9 9 5 1 - 1 0 0 0 0 1000 v a b [ V ] t i m e   ( s ) ii.   i.   iii.   N u mb e r   o f   H - b r i d g e   c e l l   p e r   p h a se                       L e g e n d :         N u mb e r   o f   H - b r i d g e   c e l l   p e r   p h a se   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Ha r mo n ic  Mit ig a tio n   in   Tr a ctio n   S u p p ly  S u b s ta tio n   Usi n g   C a s ca d ed   H - B r id g C o n ve r ter ( A .   A w a llu d in )   1753   4.   CO NCLU SI O N   T h cu r r en t a p p licab le  r ec u p er atin g   co n v er ter   s y s te m   p r o d u ce d   h ig h   h ar m o n ic  cu r r en t a n d   v o ltag to   th g r id .   C o n s eq u e n tl y ,   p as s iv f i lter s   m u s b in s talled   ac co r d in g l y   to   en s u r th c u r r en an d   v o lta g e   h ar m o n ics  co m p l y   w i th   t h e   i n d u s tr ial  s tan d ar d .   T h is   p ap er   p r esen ts   s tu d y   to   in v est ig at th p o s s ib ilit y   o f   i m p le m en t in g   C ascad ed   H - B r id g co n v er ter   as  a   r ec u p er atin g   co n v er ter   w i th o u a d d itio n al  f i lter in g   ele m e n ts .   T h o b j ec tiv o f   th i s   p ap er   is   to   m in i m ize  t h cu r r en an d   v o l tag h ar m o n ics  w it h   a n   ap p r o p r iate  m o d u latio n   tech n iq u e.   T h o p er atio n al  p r in cip al  o f   th C HB   co n v er ter   h a s   b ee n   p r esen ted   to g et h er   w it h   t w o   m o d u latio n   s ch e m es   ( PS - P W an d   P D - P W M ) .   A   C HB   co n v er ter   i s   th e n   b ein g   m o d elled   an d   s i m u lated .   Si m u latio n   r esu lt s   f o r   ea ch   m o d u latio n   m eth o d   h ad   b ee n   p r ese n ted   w i t h   f u ll  a n al y s i s .   T h s i m u la tio n   r es u lt s   s h o w s   t h at   PD - P W p r o d u ce s   22 an d   2 1 o f   c u r r en t   an d   v o lta g h a r m o n ics   at   A C   ter m in al s .   O n   t h o t h er   h a n d ,   P S - P W h as  o f f er r ed   e x tr e m el y   lo w   d is to r tio n   i n   p h a s c u r r en t ,   ab o u t   5 o f   h ar m o n ic  d is to r tio n   is   r ec o r d ed .   Un f o r tu n atel y ,   t h li n e - li n v o ltag es a r b ad l y   d is to r ted   w ith   T HD v   ca p tu r ed   as 3 0 %.    I n   o r d er   to   r ed u ce   th v o ltag h ar m o n ic  d is to r tio n   w ith o u t   p ass iv f il ter s ,   t h n u m b er   o f   H - b r id g e   ce lls   ca n   b ad d ed   to   ex p an s th o u tp u v o lta g lev el.   A   s tu d y   o n   p r ed ictin g   th r eq u ir ed   n u m b er   o f   H - b r id g ce lls   o f   th C HB   h as  b ee n   co n d u cted .   I is   esti m at ed   th at,   t w en t y - o n e - le v el  o f   C HB   w it h   P h ase - Sh i f ted   P u l s W id t h   Mo d u lat i o n   ( P S - P W M)   m et h o d   m a y   k ee p   th v o lta g h ar m o n ics   d is to r tio n   clo s to   8 %   ( I E E E   Stan d ar d ) .         ACK NO WL E D G E M E NT S     T h au th o r s   ar p leased   to   e x p r ess   t h eir   ap p r ec iatio n   to   th e   Min is tr y   o f   Hi g h er   E d u ca tio n   ( MO HE ) ,   Ma la y s ia  f o r   s p o n s o r in g   t h F u n d a m en tal  R e s ea r ch   Gr an t S ch e m ( F R G S)  to   co n d u ct  th i s   r esear ch .       RE F E R E NC E S   [1 ]   M .   Ra jara tn a m ,   e a l. P la n   o f   In stru c ti o n   -   T ra c ti o n   P o w e S u b - S tatio n   (T P S S Ov e ra l S y ste m   De sc rip ti o n ,   Ko n so rti u m CM C - COLA S - UNIW AY ,   2 0 1 6 .   [2 ]   V .   G e l m a n ,   Co m p a riso n   b e tw e e n   wa y sid e   sto ra g e   a n d   Re v e rsi b le  T h y risto Co n tro ll e d   Re c ti f i e rs  (R T C R)  f o r   h e a v y   ra il   a p p li c a ti o n s,   T h e   2 0 1 3   J o i n R a il   C o n fer e n c e ,   p p .   1 - 10 2 0 1 3   [3 ]   R.   V ial,   e a l. S im u latin g   c a lc u latio n a n d   o p ti m iza ti o n   d e sig n   o f   a   n e w   HV DC  su p p ly   p o w e r   f o li g h r a il   s y ste m ,   3 6 th   An n u a C o n fer e n c e   o n   IEE I n d u stria l   El e c tro n ics   S o c iety ,   Gle n d a le ,   p p .   2 3 6 4 - 2 3 6 9 2 0 1 0   [4 ]   S .   X ie,  e a l. S tu d y   o n   si m u latio n   trac ti o n   l o a d   w it h   re g e n e ra ti v e   b ra k in g ,   En e rg y   Pro c e d ia ,   v o l.   1 4 ,   p p .   1 2 9 9 - 1 3 0 4 ,   2 0 1 2 .     [5 ]   W .   A .   G .   d e   Ja g e r,   e a l. Im p le m e n tatio n   o f   a c ti v e   re g e n e ra ti o n   u n it   in   a   trac ti o n   su b sta ti o n ,   1 6 t h   E u ro p e a n   Co n fer e n c e   o n   Po we r E lec tro n ics   a n d   A p p li c a ti o n s ,   p p .   1 - 9 2 0 1 4   [6 ]   B.   A la m ri   a n d   M .   Da rw ish ,   P o w e lo ss   in v e stig a ti o n   in   H V DC  f o r   Ca sc a d e d   H - Brid g e   M u lt il e v e In v e rters   (CHB - M L I),   IEE Po we rTec h ,   p p .   1 - 7 2 0 1 5 .     [7 ]   W .   S o n g   a n d   A .   Q.  Hu a n g ,   F a u lt - to lera n t   d e sig n   a n d   c o n tro l   stra teg y   f o c a sc a d e d   H - b rid g e   m u lt il e v e c o n v e rter  b a se d   S T AT C OM,   IEE T ra n s.  o n   I n d s.   El e c t. ,   v o l /i ss u e :   57 ( 8 ) ,   p p .   2 7 0 0 - 2 7 0 8 ,   2 0 1 0 .     [8 ]   J.  Dix o n   a n d   L .   M o ra n ,   A   c le a n   f o u r - q u a d ra n sin u so i d a p o w e re c ti f i e r   u sin g   m u lt istag e   c o n v e rt e rs  f o su b w a y   a p p li c a ti o n s,   IEE E   T ra n s.  o n   I n d .   El e c tro n ics ,   v o l /i ss u e :   52 ( 3 ) ,   p p .   6 5 3 - 6 6 1 ,   2 0 0 5 .     [9 ]   M .   M a li n o w sk i,   e a l. A   su rv e y   o n   Ca sc a d e d   M u lt il e v e In v e rters ,   IEE T ra n s.  o n   I n d .   El e c t . ,   v o l /i ss u e :   57 ( 7 ) p p .   2 1 9 7 - 2 2 0 6 ,   2 0 1 0 .     [1 0 ]   S .   Ko u ro ,   e a l. Re c e n A d v a n c e a n d   In d u strial  A p p li c a ti o n o f   M u lt il e v e Co n v e rters ,   IEE E   T ra n s.  o n   In d .   El e c t. ,   v o l /i ss u e :   57 ( 8 ) ,   p p .   2 5 5 3 - 2 5 8 0 ,   2 0 1 0 .     [1 1 ]   B.   C.   V in a y a k a   a n d   P .   S .   Na g e n d ra ,   M o d e li n g   a n d   d e sig n   o f   ff i v e   le v e Ca sc a d e d   H - Brid g e   M u lt il e v e In v e r ter   w it h   DC/DC  Bo o st  Co n v e rter,   In t.   J o u rn a o E n g in e e rin g   Res e ra c h   a n d   A p p li c a ti o n s ,   v o l /i ss u e :   4 ( 6 ) ,   p p .   5 0 - 5 5 ,   2 0 1 4 .     [1 2 ]   I.   A h m e d ,   e t   a l. S im p li f i e d   sp a c e   v e c to m o d u latio n   tec h n iq u e f o m u lt il e v e in v e rters ,   IEE T ra n s.  o n   P o we El e c tro n ics ,   v o l /i ss u e :   21 ( 12 ) ,   p p .   8 4 8 3 - 8 4 9 9 ,   2 0 1 6 .   [1 3 ]   W .   A .   Ha li m ,   e a l. S e lec ti v e   Ha r m o n ic  El im in a ti o n   b a se d   o n   Ne w to n - ra p h s o n   m e th o d   f o Ca sc a d e d   H - b rid g e   M u lt il e v e In v e rter,   In ter n a ti o n a J o u rn a o P o we r E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms ,   v o l /i ss u e :   8 ( 3 ) p p .   1 1 9 3 - 1 2 0 2 ,   2 0 1 7 .     [1 4 ]   A .   M o e in i,   e a l. S e lec ti v e   h a rm o n ic  m it ig a ti o n - p u lse - w id th   m o d u a ti o n   tec h n iq u e   w it h   v a riab le  DC - li n k   v o lt a g e s   in   sin g le an d   t h re e - p h a se   c a sc a d e d   H - b ri d g e   in v e rters ,   IET   Po we r   El e c tro n ics ,   v o l / issu e :   7 ( 4 ) ,   p p .   9 2 4 - 9 3 2 ,   2 0 1 4 .     [1 5 ]   M .   A n g u lo ,   e a l. L e v e l - sh if te d   P W M   f o c a sc a d e d   m u lt il e v e l   in v e rters   w it h   e v e n   p o w e d istri b u ti o n ,   IEE E   Po we r E lec tro n ics   S p e c ia li sts C o n fer e n c e ,   p p .   2 3 7 3 - 2 3 7 8 2 0 0 7   [1 6 ]   C.   D.  T o w n se n d ,   e a l. P h a se - sh if ted   c a rri e m o d u latio n   t e c h n iq u e f o Ca sc a d e d   H - Bri d g e   m u lt il e v e c o n v e rters ,   IEE T ra n s.  o n   I n d .   El e c t. ,   v o l /i ss u e :   62 ( 11 ) ,   p p .   6 6 8 4 - 6 6 9 6 ,   2 0 1 5 .     [1 7 ]   C.   L .   T o h   a n d   L .   E.   No ru m ,   V HD i m p le m e n tatio n   o f   c a p a c it o v o lt a g e   b a lan c in g   c o n tro w it h   L e v e l - S h if ted   P W M   f o M o d u lar  M u l ti lev e Co n v e rter,   In ter n a ti o n a J o u r n a o P o we El e c tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms v o l /i ss u e :   7 ( 1 ) ,   p p .   9 4 - 1 0 6 ,   2 0 1 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1745     1 7 5 4   1754   [1 8 ]   C.   R.   Ba la m u ru g a n ,   e a l. Co n tro tec h n iq u e f o v a rio u b ip o lar  P W M   stra teg ies   o f   th re e   p h a s e   f i v e   le v e c a sc a d e d   in v e rter,   J o u rn a o En g in e e rin g   S c ien c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   v o l /i ss u e :   10 ( 7 ) ,   p p .   8 7 8 - 8 9 7 ,   2 0 1 4 .     [1 9 ]   IEE Re c o m m e n d e d   P ra c ti c e   a n d   Re q u irem e n ts  f o Ha r m o n ic Co n tro l   in   El e c tri c   P o w e S y ste m s,   IEE E,   2 0 1 4 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS         A z r e e n   Aw a ll u d in   re c e iv e d   th e   B.   En g .   d e g re e   in   e lec tri c a p o w e e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsiti   T e n a g a   Na sio n a l   (UN IT EN),   K a jan g ,   M a la y sia ,   in   2 0 1 8 .   S h e   is  c u rre n tl y   w it h   S im e   Da rb y   P la n tatio n   S d n   Bh d   a a   S k im   L a t ih a n   1   M a lay sia   (S L 1 M T ra in e e   u n d e r   S trate rg y   a n d   In n o v a ti o n   De p a rtme n t.       Ch u e n   L in g   T o h   re c e iv e d   th e   B.   En g .   a n d   M .   En g .   d e g re e   in   e lec tri c a e n g in e e rin g ,   b o th   f ro m   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a lay sia   (UT M ),   S k u d a i,   M a lay sia ,   in   2 0 0 2   a n d   2 0 0 5   re sp e c ti v e ly a n d   h e P h . i n   El e c tri c a P o w e En g i n e e rin g   f ro m   No r w e g ian   Un iv e rsi ty   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y   (NT NU ),   T ro n d h e im ,   No rw a y ,   in   2 0 1 4 .   C u rre n tl y ,   sh e   is  a   S e n io L e c tu re a th e   Un iv e rsiti   T e n a g a   Na sio n a l ,   Ka jan g ,   M a lay s ia.  He tea c h in g   a n d   re se a rc h   in tere sts  in c lu d e   t h e   f ield   o f   p o w e e lec tro n ics ,   m o to d riv e   s y ste m s   a n d   f ield   p ro g ra m m a b le  g a t e   a r ra y   a p p li c a ti o n s.  S h e   is  a lso   a   M e m b e o f   IEE P o w e El e c tro n ics   S o c iety   (P EL S M a lay sia   Ch a p ter .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.