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.  11, N o.  1, Mar ch 20 20,  p p.  169~ 1 7 7   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v11 . i 1.pp 1 69- 17 7      1 69     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i j p eds.i a esco re .com  Implement a tion of the c o nventi onal seven-level single-phase  symmetrical cascaded H-Br idge MLI based on   PSIM        Hass a n  S alman  Hamad     T e c h ni cal Elect rical  D epartm ent , Tech ni c a l   Instructo r s T r aining  In s t i tute,   M i ddle  T echnical  U ni versit y , Iraq      Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e ce i v e d  Jun 18,  2019  R e v i s e d   Jul   8 ,  2 019  A c c e pte d   A ug 8,  201 9       Research ers   ha v e   f ou n d   i n t e r e s t   in   t he   m u l t ile ve l  in ve r t e r s  (M L I)  owin g   to   the  l o w  tota l   harmoni c   d i s tor tio n   (TH D )  as socia t e d   w it h  thei r  o utput  voltage,  as  w el l  as  t h e ir  l o w   e lect rom a gneti c  i n t e rferen ce  (E M I ).  T he  M L I  repres ents   an  e f f ectiv e  and   f eas ible  s o l ut ion   f o r  enh a nci n g   po wer  dem a nd   a nd   m i nim i z i ng   A C  wav e f o rm s’  h arm o n i cs  a s   th ey  g en erate  a  pref e rred   l evel   o f   ou tp ut  v o l t a ge  a s   in puts  f r om  v aryi ng   l ev els  o f   D C  volt a ges .   I n   t his   pap e r,   th e  perf o r man ce  of   a   s even -level   cascad ed   H -b rid g e  MLI  wit h   a n   asy m me t r ical   n u m b e r  of   p o w er  s witches   was   ev alu a ted.   T he  s im ula ti on   perf o r man ce  is  s ho wn   t o  v a lid ate   t h e  op eratin g  p r inci p l e  of   t h e   s in gl e-ph a s e   cascad ed  H -bri dge  i n v ert e r.   T o   co nt rol  th e  M L I,   a   pul se  w i d th   m od ula t io n   app r oach   w as  u t i li zed.  The  operat i n g   p rin c ipl e   o f  th e  M L I  was   v erified  vi a   sim u l a tio n   usi ng  P S I M   so ftw a re.   K eyw ord s :   Ca sca d e d  H - b ridge  i nver t e r   PSIM  MLI  THD    Th is  is a n  o p en acces s a r ti cle u n d e r t h e  CC  B Y -S A  li cens e .    Corres pon d i n g  Au th or:   Hassan  S. Ham ad,   Tec h ni c a l  Elec t r i ca l D e par t m e nt ,  Mi ddl e   Te ch n i ca l   Un iv e r s ity ,  Mu asker  A l  Ra s h i d S t re et,  7F7P + J G   Ba gh da d,  B a g hda d,  A l Zafrany i a,  Ira q.   Em ail:  hassa n1 11 ham a d @ gm ail.com       1.   I N TR OD U C TI O N    The   gene ra ti o n   of  e lec t ric i t y   from   re new a bl e  so urce s  has  a t tra c t e d   much  a tt e n ti o n   re cen tly .  In   t h i s  rega rd, solar ener g y fr om ph o to vo l t ai c (P V)  system s  have   re ceiv e d   t he m ost a tte nt i on fr om rese a rc hers due t o  the i r  n u m e rous   b ene f i t s  l i ke  n o  fue l   c osts,   no  em issi o n ,  no   n o i ses,   a nd  re quir i n g   l itt le  c are .   S olar  P V   pane ls   are   am ong  the  rapi dl y  incre a s i n g   s ourc e   o f  e n erg y   g l oba l l y,   e sp e c i al ly  i n  gri d -c on nec t e d   a ppl ica t i o n s   ( a bou t  80 % of t he  g lo ba l   ma rket  i n  2 010 8  w e r e  r ese r ved for gri d -c on nec ted applications) [1].   The   r ece n t   y ea rs  w i t ne sse d   t re me ndous  g ro w t h  in  t he  g lo ba l   re ne wa ble   ene r g y   d em an d.  A s  suc h ,   sol a r  po we r  h a s   co n t ri but e d   s i gni fi c a n t ly   t o  cl ea n  e n erg y   g en e r a tio n,   t her e by   p l a yin g   a   m ajor  r ole   i n   m ee ti n g   t h e  gl o b a l   el ect ri ci ty   d emand .   H o w e v er,  t h e   ma j o r  i ssue   i n   t hi s   r e g ard   i s   t he   opt i m a l   i n c o r po ra ti on   o f  PV  ene r g y   r eso u rce s   i nt o  the  preva i l i n g   pow e r   d i s tri b u t i o n  netw ork .  Co nseq u e nt l y ,  mo re  s tu di e s   h av e  b e en  ded i ca t e d  r ece ntl y   t o  gri d -ti e d  P V   pow e r   c on ver s i o n  s y stem s.  T h e   m a jor  aim   o f   t he se   c o n v erte r s   i s  to   impro v e   o n   t h e   pow er  f e d   t o   t h e   pow e r   g ri d  t h ro ug h  sui t able  t ra c k ing  of  t he  P V s ’  maximum   p o w e r  poi nt   (MPP);  t h is  i s  achie va b l e   by   m ini m i z i n g  losse s  as  w e ll  as  h ar mo ni c   d i stort i o n   (HD)  w h e rea s   e n s u r i n g  hi gh  con s is t e ncy [ 2 ].  Mu ch  i nte r est  ha s  bee n   f oc us ed  o n  MLI  d u e   t o  the i r  n u m e r ous  a d v a n ta ge s,  s uc h  as  l o w   s w i tc h i ng   dev i ce   s t r ess,  l ow   o ut p u t  tota l   h a rm o n i c   d istor t i o n  (TH D ) ,  a nd  m i n i m a l  s w it c h in g  stre ss  [ 3].   The  i n tere st   i n   rene w a ble  e n e r gy  sour ces,   e s pec i a l ly  s olar   e ner g y,  i s  e l i c ite d  by   t h e   i mp e n din g   e xha u s t i on   o f   f o ssil   f u e l   rese rves  a nd  t h e  a ssoc i a t e d   e nvir onm en tal   p r o b l e ms  f ro m   the  c o n ve nt i o na l   p o w e r  g e ner a t i o n   t e c h n i q ues .   Wi t h in  t he   l a s t  2 5   y ea rs,  t h e   dem a n d   f or  s o l ar -source d  ene r g y   h as   i n t ens i fied   b y  20% – 25%  p er   a nn um ,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
           ISS N :   208 8- 8 6 9 4     I nt  J   P o w   E l e c   &   D r i   S yst   V o l.   11,   N o.   1 ,   Mar   202 0  :  16 9  –   177   17 0 e s p e c i al l y   i n  t h e  gr id- c o nnec t e d   a pp l i c a t i o ns  [ 4,   5 ] .   T he  m ar ke t   i n c r ea se   i n   gr id- c on nec t e d   P V   system s  ha ve   co ns equ e n t l y   i n c re as ed  i nt ere s t   in   g rid - c onn ec t e d  PV  s y s t e ms.  B a s e d   o n  d i ver s e  ar r a ngem e n t s   o f   t he  P V   sys t em ,   the   5- i n ve r t er   g r o up s  c a n   be   w el l - def i ne d  a s   s tr ing  i n v er ter s ,  mult i-st r i n g   i nve rter s,   A C - m o d u l e  i n v e rt ers, c e n t r al  i nv e r t e rs, a n d   ca sc ad ed  i nve rt ers.   R e gar d i n g t h e   MLI ,  thr ee  ba s ic  str uc t u r e s ha ve  be e n  pr e sen t ed :  “ d iode -c la m p ed m ulti le v e l i nve r t e r , ”   “ f ly i n g  ca pac i tor  mu l tile ve l  i n v e rter ,”   a nd  “ c a sca d e d   m ult ile ve l  i n v e rter ”  [6].   T h e   c a s cade d   M LI  h as  num er ous  s ing l e- p h a s e  H - br idge  i n v e r ter s   b es ides  it  c a t e gor ize d   d e p e n d  o n   t he   D C  vo l t a g e  l e ve l  of   t he   sourc e s  i n to  s y m me tric  a n d   a symm etric   gro ups.  T h e  sym m e tric  g ro up   h as  H -b ri dg e s   w i t h   e q u a l   DC  v olt a ge  sour c e   m a gni tu de  w hile   t he  r eve r se  i s  t h e   c a s e   f or   t he   a sym m e tr ic  g rou p .  These  str u c t ur es  a r e   a d v a n t a geo u s  bec a u se  o f   the i r   low   r a nge   o f   D C  v o l t a ge  s our c e s  t h a t   c o n si der s   the  m o s t   s i g n i fica nt  p ar a m e t e r   w hen  de ter m inin g  an  i n v e r t e r s’   c ost.   C on tr ar i l y,   s om e  of   t hem   r e quir e   a   sev e ral   in su l a te d   g a t e   b ip ol a r   t ra n s i s to rs  due   t o   t h e  inv o lve m e nt  o f   seve r a l  bi d i r ect io na l   p o w e r   sw i t c h e s   a n d   th is  i s  a   m a jor   dr aw ba ck  o f  suc h   t op o l o g i e s .   A   study  b y   [ 7]   h as   p r e sen t ed  a n  as ymm e tr ic   t o p o l og y  w hose  m a in  c ha lle n g e   i s  assoc i ate d   t o  t h e i r  switc he s  o f   b i d ire c t i o n a l   p ow er .   These  sw itc h e s  m a de  t he  c os t   hi ghe r   a nd  t h e  num be r   of  i nver t er s  IG BTs  is  i ncr ease d .   Po wer  c o nv e r si on   i s  emerg i ng   a s  a  so l u t i on   f o r   b oth   h i gh   a n d   me di um  v olta ge   t r a nsf o r m er less   sy st e m s;   m ul til ev e l   c onv e r t e rs  a re   r ep r e se n t ed   a s  a   b oun da ry   f o r  g r id -c onnec t e d   P V  sy s t e m s.  A   c o n f igu r at i on  of   t he  ( CH B)   s pe c i f i ca l l y  e m bod i e s  a   v i t a l  s o l u t i o n   t o w ar ds  t he   c on nec t i o n   of   e ac h  H - br i dge  c e l l   t o   a   spec if ied  D C   s our ce  [8,   9] .   Th is  c ir c u i t   t op o l o g y   h a s   t he  e n s u i ng  a d va n t a g es :  ( i )   an  a da pta b l e   m od u l a r   st ru ct u r e  su it ed   f o r   d i ffe ren t   p o w er  a nd   vol t a g e   l e v el s,  t he reb y  pe r m i t t i ng  t h e   shar i n g   o f   v o l tage   b o o s t i n g  be t w ee n  H - br i dge  c e l l s ;  ( ii)   a n   ex pa nda b l e   mult ile vel  w a vef o r m   w h ich  can  b e  e x te nd e d   t o  se ver a l   vo l t a g e   st ep s  b a s e d  on  th e   nu mb e r   o f   c e l l s   u se d .   T he   i n c re as ed   n umb e r  o f  vo lta g e   l e v els   e q u a lly  l owe r   t he  T H D ;   it   al so  b ett e r-q u a l ity  o utp u t   cu rre n ts  a nd  vo l t a ge s  co mp are d  to   th e   t r ad it io n a l   c o nv e r t e rs [ 10 ,   11 ].   C on seq u e n tly ,   the   o u t put  f il t e r   d e m a nds   a r e   w ea ker   t o   e nsur e  agr e em en t   w i t h   t he   s ta n d ar ds  f or   g r i d  har m on i c s  [ 1 2 ] .   The   CHB  c i rc u i t  t o po l o g y   a lso  a l l o ws  s epa r ate   c o n t ro l  o f   eac h  DC  l i n k s’   v o lta ge  t o  e n sur e   a n  im pr o v e d   M P P T  qua lit y  w h i c h  ma ximize s  P V  pow er   e xt r act i on  a nd  en ha n c es  t he   e f f i c i enc y   o f  the   sys t em   [ 13,   14] .   T h i s   p a p e r   p ro j e c t ed   a   n ew  c as ca d e d   ML I  t opo log y   fo r  i n c r ea si ng   t he   numbe r   of  o u t p u t  vo l t a g e   leve ls  a n d   r ed uci n g  t h e  n u m b er  o f  dr ive r   c i r c u its,   pow er  s witc h es,   and  t h e  over a l l   i nver t e r   c ost.   I t   sho u l d   b e   obs er ved  t h at  t he  p r o p o se d  to po l o g y   u ti l i zed   uni dir e c tio na l  po w er   s w i tch e s  an d  has  be e n   c om par e d  t o   o t h e r   to p o l o g i e s   f r o m   dif f e r e n t   p e r spe c t i ve s,   i nc lud i ng  t h e  n u mbe r   o f   I G B Ts,   D C   v ol t a ge  s o u r ces,   dif f e r en c e s  i n   the   va l u e s   o f  t h e  D C   v o l tage   s our c e s,   a s  w e l l   a s   b l oc k i ng   v ol t a ge  v a l ue   f o r   e ach  s w i tc h.   L ast l y,   t he  p r o pos ed  to p o l o g y   w as  e val u a t e d   f or   p er f o r m ance   i n  ge ne r a ti n g   a l l   v o l tag e   l e v e l s  t h r o u g h  a   7 - l e v e l  i n v e r t e r .  T h e   pe r f or m a nc e  w a s  ve r i f i ed  t hr o ugh  si m u la ti o n   u sing  a  P S I M sof t w a re.   Th is  w or k  pr e s en ts  t he   o p e r a tio n  of  a   s i n gl e- pha se  c i r c u i t   c onf i gur a t i o n  w i t h o u t  a   tr ans f or me r   or   a   D C - D C  b o o s t  st a g e.   T he   m aj or   d r a w b ac k  is   t he   n e cess i ty  t o  ha ve  a  h i g h e r   t ota l   D C  l i nk   v o l t a ge  c om p a r e d  to   the pea k   v a l ue   o f t h e  gr id  v ol t a ge  s o  a s  to  f e ed  a c t i v e   pow e r   f r o m  the  P V   p ane l s i n to the   pow e r   g r i d.   A n o the r   pr oble m   i s  t h e   ne ed  t o  a d op t   a n   a deq u a t e   m u l t i l e v e l   m odu la t i o n   tec hni q u e.        2.   DESC RIPT ION OF THE   P ROPO S E D   7 - LE V EL INVERTE R   S Y S T E M  F i gur e   1  de p i c t s  t h e de gr ee s  o f   t h e  s o u r c es o f   D C  v o lta ge  o f   t h e   pr o j ec te d s e ve n- leve l  inve r t er   w hic h   a r e  deter m ined   t hu s  [1 5] :     V 1  =  V dc    (1 )   V 2  =  2 V dc    (2 )     f o c u s i n g   o n  ( 1 ) ,   ( 2),   a n d   Ta ble   I ,   t he   p r o j e cted   t op ol o g y   ca n  p r o d u c e   0 ,   ± V dc,   ± 2 V d c,   a n d   ± 3V dc   a t   t h e   ou t p u t .           F i gur e  1.   T op olo g y   o f   t h e  casc a ded  H - br id g e   M LI   f or   P V   s ys tem s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       I m ple m en ta tio n of  the   c o nve n ti o nal seve n- le ve l  sing le - p h a se   sym m etri c a l  …  ( H assa n Sal m an H a m a d)   17 1 Ta b l e   1.   O utp u t   v o lta ge s  of   t h e   p r o p o se d  se v e n- le vel  in ve r t er s  No .   S 1  S 2  S 11  S 22  S a  S b   v o   1  1  0  0  1  0   1  V 1   2  1  0  0  1  1   0  V 2   3  1  0  1  0  0   1  V 1 - V 2   4  1  0  1  0  1   0  0  5  0  1  1  0  1   0  - V 1   6  0  1  1  0  0   1  -   V 2   7  0  1  0  1  1   0  -( V 1 -V2 )       The  c o nf i gur at io n  o f   t he   c as ca ded   MLI   is  m ade   u p   o f   n   H - br id ge  c o nve r t er s  w h i c h  ar e   ser i a l l y   c o n n ec ted   as   d epic te d  in  F i gur e  2.   A   s h o rt  s tri n g   of  P V  p a ne ls  fe e d s  ea ch   D C   li nk   r a t her  t h an  a   D C   su p p ly  [ 1 6 ,   17] .   The   4   sw itche s  i n   eac h  H - br id ge  c an  b e  com b i n ed   i n  d i ffe rent   w ay s   to   g en era t e  t h e   fo llo win g   t h ree  o u tp ut   vol t a g e   l e v e l s:   – V C ,  0 ,   o r   + V c .   A  ca sc ade d   M LI   w it h   n  in p u t  sour ce s  ca n  of fe r   2n +1  l e v el  t o  g en era t e  the  A C   o u t pu t  w a vef o r m .   Wi t h   t his  ( 2 n + 1) - l evel vo ltage   w a v ef or m ,   the  har m onics  i n  t h e  gene r a te d  cur r e nt  i s   r e duce d ,   t he r e by  min i miz i ng  the   o u t p u t   f i lte r s .  The  c a s ca de d  MLI ,   a s  s how n  in   F i gur e   2  is  c o nnec t e d   t o  the   gr id   u si ng   a n  L  f i l t e r   t o  e n s u r e   a   r e duc ti o n   i n  th e  sw it c h ing  ha r m onics  [ 18] .   A   loc a l  loa d   i s  also   p a r a lle l  c o n n ec ted.   T he   d e l i v er y  o f   t he   P V   pow e r   t o  the   gr id  i s  depe n d en t   on   t he  c o n d it i ons  o f  the   sys t em   oper a ti on .   The  CH B   m u lti le ve l  co nver t e r   i s  us ual l y   m ade   up  of  a   num ber   o f   ser i a l l y   c on nec t ed   N   H - b r i d g e   c e ll s.   T hi s  c i rc uit  to po l o g y   i s  impor tan t   f or  e it her   stri n g   o r   m odu le  f e d   t o  the  gr i d .   The  il l u str a ti on  of  a   s i n g l e   p h a s e  2 N + 1   l e v e l s  C H B  i n v e r t e r  o f   P V  A C   m o d u l e  f e d  t o   t h e   g r i d   is  d e p ic te d  i n   F ig ur e   2  [1 9].   Eac h   o f  the   P V  g e n e r a t o r s   i s  d i r e c t l y  c o n n e c t e d   t o  a n   H   b r i d g e  i n v e r t e r   w h o s e  o u t p u t s  ( v Hi )  are   seria l ly   c on n e ct ed  t o   th e  gr id  t o  g e ner a te  t he   e x p ec t e d  A C   o u t p u t  w a vef o r m .   Each  H   b r i d g e   c a n   g en e r a t e  t h re e  v o lt a g e  l e v e ls  a s  pr esen ted  in  T able  I   b a s ed  o n   t h e   di ver s e   m odes  of   t he  s w i t c hi n g  de v i ces.           F i gur e  2.   T he   t op o l og y  of  t he   g r i d- c onne c t e d   s ystem       3.   CH-B MO D U L ATION S T RATEG Y    The  m o dula t i o n  st r a teg y   p r o p o se d  i n   t h i s  s t u dy  i s   a   c om bi n a ti on   o f  t h e  s t a i rca s e  an d  u n i pola r   P WM   w h e r e  ea ch  C H B   c onve r t er s’   c e l l  can  b e  in  a n y   o f   t h e  f o l l ow i ng  4  s t a t es  p r e se nte d   i n  Tab l e  I I .   T he  c e l l  is   by pa sse d   i n  th e  fir s t s t a t e,  bu t  i nser t e d i n   t h e   s econ d   a nd  t h i r d   s ta ges s u c h   t ha t i t s  o u t put  v o l ta ge   i s  + v pvi ,   and  - v pvi   r e s pe ctiv el y  [2 0,   21] .     The  t e ch n i q u e  pr o pose d   i n  t h is  s tu dy  i s   b a s ic all y   b ase d   o n  t h e   par tit i oni n g   o f   t h e  gr id  v ol ta ge  i n t o  di ff er e n t   N  r e gio n s.   N ote   tha t   t he  l ow e s t  nu m b er   o f   c e lls  r equ i r e d  to  c r e a t e  t h e  mu lt il e v e l   w a v efo r m  mu st   a t  lea s t   be   e qu i v a l en t  t o   t he   a d j o i n i ng  i n t e ger ,   b u t   m or e   t h a n   t he   v ̂ g r id  /  vp v_ min ,   inste a d,   t he   o per a ti on  c a n   b e   c o n s i d er ed  i n  t h e  m o d u l a t i on  li near   r egi o n  w i t h   t he   i n t e n t   of   d ef in i ng  ea c h   c e lls’   m i n i m u m   D C   l i nk  vo l t a g e   a ppr opr ia te  f or   t hi s  pur p o se .       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.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   16 9 –   177   17 2 3.1.    Bas i c  p rinci p les of  operation     The   CMI  is  a   s e r ies  of  c o n v e n tio na l  2-le ve l  br id ge s  w i t h   s er ia l ly   c on n ect ed   A C  t e rmi n al s   to   gene ra te  t he  o u t p u t   w a vef o r m s.   T he   pow e r   c irc u it   f or  t he   p r o po s e d   s ev e n -l ev e l   i n v e rt er  w i t h   3   c as cade d   c e l l s   is  d e p i c te d  in  F igure  3( a).   S e ve ral  i nde pe nd e n t  D C   s o u rce s   a re   n e ed ed  i n  th e   CM C   and   t h e y   c an   b e  sou r c e d  f r o m   t h e   f ro m  b a tt e r i e s,  s o l ar  c el ls  o r  fu el   c el l s   [ 22 ].  E ach   c on v e rt e r   l ev el   c an   p rod u ce  3   d i ff e r e n t   vo lt age  ou tpu t   ( +V d C ,   0,  - V d )  throu g h   t he  c om bina tio n  of  t he  4   s w i tc he s  o f   e a c h   c e l l   i n  d i f f e r e n t  m a n n e r s .   T h e   s u m   of  a l l   t he   i n v e r ter  o u t p uts  g i v e s  t h e  A C   o u t p u t.  T he  num be r  of  o u tp ut -  pha se   v o l t a g e   l e v e l s  i s   d efin e d   a s  n  =   2N +1,   w h er e  N   re prese n t s   t he  n um ber  o f   D C  so ur ces.   For  e x am pl e ,   i n   F i gure   3  (a) ,   t he  o ut p u t  ran g e   r ange s   from   - 2V d  to  + 2V d  w i th   5   l evel s.  T he   p r o j e c t ed   i n v erter   fu nc ti o n e d  th ro ugh   6   m od e s   f o r   e a c h   fu nd ame n t a l  fre que nc y  cyc l e.   F i gur e  3( b)   d ep ict s   t he  p er  unit  o u t p u t -vo lta g e  s i gna l   per   cyc l e   w h ile  t h e   6   m od es  a r e   descr i be d t h us :   Mode 1  :  0  <  ω t <  θ 1 an d  θ 4  <  ω t <  π ;  Mo de 2  :   θ 1  <  ω t <  θ 2  an d  θ 3  <  ω t <  θ 4;   Mo de 3  :   θ 2  <  ω t <  θ 3;    Mo de 4  :   π  <  ω t <  θ 5 an d  θ 8  <  ω t <  2 π ;  Mo de 5 :  θ 5  <  ω t <  θ 6 a n d  θ 7  <  ω t <  θ 8;     Mo de 6 :  θ 6  <  ω t <  θ 7 .    3.2.   Co nt ro l   sch e me ( C S )  The   CS  for t he   c o n t r o l  of a si ng le H -bri d g e i n ve r t er is base d  o n t h e   c l a s s i ca l   sc he me . From   F ig ure 4,  D C   i n p u t  v o l t a ge i s the   s ourc e   o f  D C   p ow er  d e v ice s ;  t h e  m u l t i le ve l  i nvert e r   ( 7-leve l)  c ha nge s  the   D C   v ol ta g e   to   A C   v o l tage  w hi l e  t he gat i ng s i gna l co n t ro l  s y s t em   g e n er a t e s   t h e p u l s e   t h at   c ontr o ls th e   s w i tch i ng pat t ern o f   the H - brid ge MO S F ET  sw i t c h es [23,  24] .         (a)     (b)    F i g u r e   3 . 7- l evel output volt a ge ( V ab ) Casc ad ed  M LI  w it h (a)  se para te D C sour ces,   (b)   and  sw i t c h i ng  a ngl es      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       I m ple m en ta tio n of  the   c o nve n ti o nal seve n- le ve l  sing le - p h a se   sym m etri c a l  …  ( H assa n Sal m an H a m a d)   17 3     Fi g u re  4 . M ul ti -u s e r Di st ri bute d  M as siv e  M IM O t r an s cei v e r  mo d e l  system       T h e   P I   c o n t r o l l e r   i s  u s e d   i n   t h e  C S   o f  t h e  p r o j e c t e d   c a s c a d e   H - bri dge   M LI.   T h is  P I   c o n t r o ller   is   po p u lar   ow i ng  to  i t s   s i m p l e  fr a m e w or k  and  ease   of   u se  f or   i n d u s t r i a l  c o n t r o l  a p pl ica t io ns.   F i gur e  5  show s  t h e   co nt r o l   ci rcui t  o f   t h e   p r o j e c t ed   s y s t e m  wh il e  th e  gov e r ni ng   f o r   t he  c o n tr ol   a ct i o n   law  of  a   P I   c o n t r o lle r  is   r e pr e s e n te d  [ 25,   26] .           F i gur e   5.   T he  c on tr o l   c ir cu i t   o f  the   P I   c ontr o l l er       4.   DESIGN  S I M ULATIO N,  A N A L Y S I S   &   R E S U L T S  Th is  s ec t i o n   i l l u s tr ate d   t he  s im ula t ion  of   t he  casc a d ed   H - B r i d g e  M L I  circu i t   u s i n g   PSI M .  The  ass o c i at ed   f ig ures  i l l u s t r a t ed   f o r   a l l   l e v e l s   t h e   s i m ul at ed   o u t p u t  vo l t a g e,   t r i gger   sw itc hi ng  pu lses,   TH D ,   a nd  c u rre nt   a na lys i s,  a s  well  as  t h e   o u t p u t   v ol ta g e   w ith  e qua l  st e p   w a v ef or m  for   the  pr op ose d   t ec h n i que.   P S I M   i s  a m ong  the   c u r r e ntly  a vai l a b l e   a nd  fa st  s yst e m- le vel  s i m u la t o r s ,   m e a ni ng   t ha t  the   h y p o t heses  ca n  be  t est e d   e a si l y   a nd  e a r l y  to  e nsur e  a   r a pid  tr a n si t i on  f r o m  de si gn   t o   im p l em en tat i o n .   The   P S I M   c an  s i m u l ate   c o m p lex   pow e r   c o nve r t er   a nd  co n t r o l   syste m s  w i th i n   a   s h o r t   p er i od.   T he  P S IM  w a s   u se d  t o   v al ida t e  t h e  wor k in g   pr inc i p l e  o f   t he  s i n gle- pha se   C H B - M LI   a s  dep i c t ed  i n   F i g u r e   6 .   Th e  com p l e te  l ist  of  t he  s im u l a t i o n   pa r a m e ter s   f or   t he   s u gge ste d   s in g l e - p h ase  C H B- MLI   i s   p r e sente d   in  T a b le  I I.  A t   first,   w e   set  V dc 1  =   V dc2  =   10 0  V  to  e v a lua t e  t h e  a ttri b u t es  o f  t h e  s u g g es te d  i nver t e r .  Fig ur e  6  de mon s tr a t e s   t he   o ut c o me   o f  the   si mu l a t i o n   p r oc ess   f o r  t h e  CHB - M L I  up on   b al a n ci ng   2   m o dul es.  T h e  D C - l in k  vo l t age  of  t he  2   M LI   m odu les   i s   b al a n c e d   by   c o n t r oll i n g   t h e  shoo t - th r oug h   du ty   c y c l e .   The   ou tp ut   phase   v o l t a ge,   a s   d e p ic t e d   i n   F i g ur e   6,   i s   2 2 0   Vrms  with  s ev en - l ev els. Fig u r e  (7 - a  &  b )  sh o w   t h e  o utput  c u r r en t  an d v o l t a g e,  w hi l e   F i gur e   8  e x p l a i n  t h e   12  P W M   si gn a l   f or   I G B T.   F igur e   ( 9 - a   &   b )   r e pr ese n t   the  T H D   for   the  ou tpu t   v olta ge   s ig nal.   T he  T H D   of  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.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   16 9 –   177   17 4 pha se  vol ta ge   i s  2.8 0   % .   The   pe ak  D C-li n k   v o ltage   o f  t h e  t w o  M L I   m o d u le s  i s   e qu iva l e n t   to  t he  v o l t a ge   o f  the c a pa c i tor  (20 0   V ).  T he  7  -le v e l sw itc h i ng  of  t he  CH B   M LI is  illustrated in Ta b l e  2.       Ta bl e   2 .  7  -Le v e l   CHB   M L I swi t c hi ng  T i me   P osi tive   Hal f  C yc l e   N e g a tiv e   H a lf C ycle  Ou tp u t   V 1   V1 +V2   V1 +V2 + V3   V 1   V 1 + V 2   V1 + V 2 + V3   Brid g e  A  S a   1   Sa  4   1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  B r idge  B  Sb  1  Sb  4   0  1  1  0  1  1  1  1  1  1  1  1  B r idge  C  S c   1   Sc  4   0  0  1  0  0  1  1  1  1  1  1  1  B r idge   D   S d  1   Sd  4   0  0  0  0  0  0  1  1  1  1  1  1  Inve rsion  S p 1  B r i dge   S p2   Sp 3  Sp 4  1  1  1  0  0  0  0  0  0  1  1  1  0  0  0  1  1  1  1  1  1  0  0  0          F i g u r e   6 . S imulat i on o u t c o m e s of the  p r o jec t ed  s ing l e- pha s e  CH B  un d er  t he  s a m e   vol tag e   c ond i t i o n  so u r c e ,  V dc 1  =  V dc 2   =   100 V .           F i gure   7.  Curre nt   o u t p u t  pha se  (a), V oltage  o utp u t  pha se ( b)      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       Im plem e n t a t i o n  of t h e  co nve n t i o n a l  sev e n- le v e l si ng l e -p h a s e  sy m m e trica l  … ( H assa n  Sa lm an  H a m a d)  17 5     F i gure   8.   Trigg e rin g  pu l ses  fo r se ven le ve ls  s ymm e tric  CH B   M LI.          F i gur e 9.  (a )  A nal y sis  of F F T  CH - Bri dge   M LI          F i gure   9.  ( b) Anal y s i s  o f  F F T  CH - Bri d ge   M LI      P S I M   s im u l a t i o n   ha s  be en   d em onstr ated   a s   a   CH - b ridge   t op ol o g y   o f  M L Is  w it h  em pha s i s  on   7 - leve ls.  Ef for t s  on  t h is  t op o l o g y   h a v e  bee n   d etai le d  i n   t h i s  ar t ic l e   w i t h  e m pha sis  o n   t he  m ain  par a m e te rs  l i k e  the  ge nera t e d  gat i ng  p u l s es  o f  P W M ,   t he  T H D ,   t he  s w i t c hi n g   p ow e r  d e vi c e s   u se d ,   a nd  t h e  curre n t   a nd     vo lta ge s tre s se 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.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   16 9 –   177   17 6 5.   CONCL U S ION    The   s i ng l e -p ha se ca s cade d  H -br i dge  i nver t er  w a s  di s cus s ed  in   th is pa p er  w i t h respec t to  i ts o per a t i n g   pri n ci p l es  a nd  pe rfor ma n c e  a n al ys i s .   Th is  s t r uc tur e   o f  the   mult i l e v el  i nve rter   a nd  i t s  fu n d am enta l  pr inc i p l e s   w e r e   a nalyze d.  F urthe r mor e ,  the  ba sic top o l o gy  f o r  MLIs  w as  p ro po sed fo r  t h e   ge nera t i o n   o f  7- vol ta ge   l eve l s   a t   t h e   out put .  An y   nu mb e r   o f   out pu t   l e v e l s   c a n   b e   d e v e lo pe d   f r o m   the   ba si c   t o p o l og ie s.   T he  M LI s  guar a ntee s   low e r TH D   an d  e n ha nce d  o ut pu t   w a v e form s. Meanw h i l e,   t he sug ge s t ed   t o pol ogy   c on si st s  o f   a   h igh e r  nu mb er   of  v ar yi n g   D C  vo lta ge  s o u rc e s   c ompa red  t o   t he  o thers.   T he   p r o p o se d  to p o l o gy  w a s  e v al ua te d  in  t e r ms  o f   perform ance   a cc urac y  us i n g   P S I M   s im u l a t i on.   T he   P WM   w as  u sed   fo r  c ontro l l i n g  th e   H - bridge   casc a de d   MLI t o  a d v anc e   t h e  perform ance  in   ter m s o f  r educ i ng t h e T HD. Si n c e   t h e AC  out put  v ol ta g e  o f   th e   i n v e rt er i s  hi ghe r t h a n   t he  source   D C  i n p u t vo l t age,   t he pro pose d  to p o l og y  is  s u ita b l e for p hot ov o lta i c ,  FA C T S   a nd  U PS  app l ica t i o ns.      REFE RENCES    [1]   S .   B .  K j aer,   J.  K .   P e d e rsen ,  and  F .   B l a ab jerg ,  "A   r ev iew   o f   s i n gl e-ph ase  gri d   c on nect e d   i n v erte rs   f o r   p h o to volt a ic   mo du le s , "   IEE E  T r an s.   In d .  Ap pl .,   v o l .  41 ,  N o .  5,  pp.   1 2 9 2 - 130 6,  S ep/ O ct  200 5.   [2]   M .   K .  N g u y en and   T . T.  Tran ,  "Quas i  cascaded   H -b rid g e  f i ve-l eve l bo ost   i n v e rter, "   IEEE Tr ans .  Ind. Elect i o n .,   vol .   64 ,   N o.   1 1 ,   pp.   8525 -85 3 3 ,   N o v .   2 0 17.    [3]   Ali  A.  A b dulrazzaq   a n d   Adn a n  H.  A li,   "P erform ance  Inv e st ig atio n   o f   Gri d   C on nected   P h o t o v o lt a i c  S y s t em   Mo de ll in g  Ba se d   on   M A T L A B   Simu la tion ,"   Int e rn ation a l  Jour na l of  El ectrical  an d Com puter E ngineer in g   (I J E C E ) , v ol .  8 , No .  6 ,  p p .   48 4 7 - 4 85 4, 2 01 8.   [4]   B.   X i a o,   L .  Hang,   J .   M e i,   C .   Riley ,   L .  M.   T ol be rt,   an d  B.   O zp i n eci,   "Modul ar  C ascaded  H -Bridge  Multilevel  P V   Inv e rter  w it h  Dis t ri bu ted  M P P T  f o r  Gri d -Co n n e ct ed  A pp li cati o n s , "  i n  IEE E  T r ansact ions   on Industry App licat i ons ,  vo l.  51,   N o .   2 ,  pp.   1 72 2-1 731 ,  Mar-Ap r   2 0 1 5 .   [5]   Ali  A .   A b dulrazzaq  a n d   A d n an   H .  Ali,  " E ffici en cy  P erf o rman ces  o f   Two  MPPT  Al gor i t h ms  f or  P V  Sys t em  w i t h  Diff er ent  So lar  Panels   Irradi ances ,"  I n te r n at io na l J o ur na l o f   Po w e r   E l e c tr on ic s  a n d  D r i v e   S y s t e m  (I J P E D S ) ,   vol.  9,   No .   4 ,   pp.   1 75 5-17 64 ,   D ec   2 0 18.   [6]   Ali,   A . H   a nd  Abd u l - W a h i d ,   S .N,   " A nal y sis  o f   s elf - ho m ody ne  a n d   d elay ed  s elf - het e rod yne  d ete c t i on s  fo r  tu nab l e   laser source line w id th  m easu r em en ts ,"  IOSR J.   E n g , vo l .   2,  n o.  10 ,   p p . 1 -6,   20 12 .   [7]   S .   M ekh i l e f   an d   M .   N .  K a dir,   " Voltag e   c on tro l   o f   th ree-stag e  hy bri d   m u l til evel  i n v erter  us i n g   vect o r   trans f ormation , "  IEEE T r ans .  Powe r Electron .,   vol .  2 5 ,  N o .  10 ,  p p .   2 59 9-26 06 ,  Oct  2 0 1 0 .  [8]   M o h a nnad   J .   M nati ,   Ad nan  H .   A li ,   Dim itar  V.   B ozal ako v ,   S h ah ad  A l - you sif,   a nd  Al ex  V an   d e n   B os sche,   "Des ign   and   Im pl em enta t i o n   o f   a  Ga t e   D ri ver  Circuit  for  Three-P h ase  G r i d   Ti de  P hoto v ol ta i c   I nv erter  App l i cati o n , "   7th  In te rn at io na l Co nfe r e n c e  o n  Re n e wa ble  En e r gy   Re se a r c h  an d  A p p l ic a tion s   (IC R ER A) , 1 4-1 7   O ct, Par is,   20 18 .   [9]   E.  V il lan u ev a,  P .  Co rrea,   J .  Ro dri guez,   a nd   M .  P acas,  " C o n tro l   of   a   S ing l e-P h as e  Cascaded  H -B ridge  Multilevel   Inv e rter  f or  G ri d -   C o n n e ct ed  P h o to vo lt aic  S y stems, "   i n  IEE E  T r a n s a ct io n s  o n  In d u s t rial  E l ectr o n i cs ,   vo l.   5 6(11 ) ,   pp .   4 399 -44 0 6 , No v   200 9.   [10]   Hu ss e i n  A  M   an d   A d n a n  H  A,  " Eff ect  o f   s o m e   s ecu ri ty   m ech ani s m s   on   t he  Q os  V oIP   appl ication  us in g  OP NET",   In te rn at io na l J o urna l o f  Cu rre n t  En g i n e e r ing  an d Te c h n o log y ,   v o l.  3 ,  N o .  5,  2 013.   [11]   M .   C op pola,  F .   Di  N apo li,  P .  Guerri e r o ,   D .  Ian n uzzi,   S .   D alien t o  and  A .   D el  P izzo ,  " An  FP G A -B as ed A d van ced  Control  S t ra t e gy of a Grid-Tied  PV CH B  Invert e r, " i n  IE EE   T r ansa c ti ons o n   P o wer  Elect ro ni cs ,   vo l.   3 1,   N o .   1 ,    pp .   8 06-8 1 6 ,   J an   2 01 6.  [12]   Adnan  H .   A li ,  S i mu ltan e o u s  me asure m e n ts  fo r t u na ble  lase r so u r c e  line w id th  wit h  ho mod y ne   de te c t io n,   C om pute r   and   Inf o rmatio n S c i e nce,   201 1.   [13]   G.  G randi,  C .   R ossi,  D .   O stoj i c   a nd  D .   Casadei,   " A  New  Multile v el   C onv ersi on   S t r uctu re  f or  G rid-Con n ect ed  P V  Ap plicati ons, "   i n  IEEE T r ansact ions on Industrial Electroni cs ,   v o l .  5 6 ,  No.   1 1 ,   p p.  4 41 6-4 426 ,   N ov  20 09 .  [14]   MJ  M nati,   A  H a san,   AH  Ali,  a nd  D V   Boz a l a kov,  "Des ign  and  Im pl em entation  A  Smart  Mo nitor i ng   a nd   Co ntro ll in g  Sy st e m   o f  Th re e - Ph a s e   Pho t ov ol ta ic   I nv e r te r  Ba se d  o n  L o Ra, "   IOP  Con f eren ce Ser i es : M a ter i al s  Sci e nce a n d  En g i n eeri n g  51 8 ,  (2nd  Int e rn a t ion a l  Con f er ence o n  S u s t aina bl e  En g i n eer ing  T echn i q u es  20 19) .  [15]   Ad nan   H.   A li  and   A li  A .   A b dulrazzaq ,"  E v a luat in g  th e  perf o r manc e   an d  effi cie n cy  o f   M P P T   alg o ri thm   f o r  P V   syst e m s,"  In te rn a t io na l  J o urna l o f  Eng i n e e r in g &   Te c h no lo gy ,   v o l . 7 , No.  4 , p p.   2 1 2 2 - 2 1 2 6 , 20 1 8.  [16]   Ahme d  J.  A b i d,  F a w z i   M .  A l -Na i ma ,  a n d  Adn a n  H.  A li ,  " C om pre h e n s iv e  M o deli n g   o f   P hot ov o l ta ic  A rray   bas e d   o n   Prot eus So ftw a re,"  In te rn at io na l J o urn a l   o f  App l i e d   En gine e r in g  Re se arc h , vo l . 1 3, No . 6 , pp .   4 44 0 - 44 47 ,  2 0 1 8 .   [17]   Ihs a n  J.   H asan ,   Nah l a  A. S a lih,   and   Nadh ir  I .   A b du lk hal e q,   " Th re e-p h as e  pho to vo lt a i c  gri d   i n v ert e r  sys t em   d esig n  bas e d  on   P IC24 F J 2 56G B11 0   f o r   d i s tri buted   g enerati o n , "  In tern at io na l  J o ur na l  of   P o wer El ectron i cs an d Dr ive   Sys t em ( I JPED S ) ,  vol.  1 0 ,   N o .   3 ,   p p .   1 215 -12 22,  S ep  201 9.   [18]   A d n a n   H .  A l i  a n d  F a r h o o d ,   A . D .  " D e s i g n  a n d   P e r f o r m a n c e   A n a l y s i s   o f   t h e  WD M   S c hem e s  f o r  Rad i o   ov er  F iber   S y s t e m  w ith   D i ff erent   F i b e r P r o p agati o n   Lo ss es ,"  Fi be rs ,   vol.   7,  N o.   3 ,   201 9 .   [19]   AJ   A bi d  an d  AH   A li,   " S m art   mon ito rin g   o f  t h e  co nsu m ption   o f   h om e  electri cal  e nerg y,"  I n te r nat io na l J o u r n a l  o f   Com put er Tr ends a n d  Tech no logy,   vol.  47,   N o .   2 ,  pp .   1 42 -148,   2 0 1 7.     [20]   Hu ss a i n   M .   B as si,   "A   M od u l a t i on  S c hem e   f o r   F l o a t in g   S ource  M u l t il evel  I n v erter  To po logy  with   I n c reas ed   Nu m b er  o f   Output   L evel s , "  Int e rn at ion a l  Jou r na l o f  El ectrical  and Com p u t er E ngin e e r in g  ( I J E CE) ,  v o l .  6,  N o  5,   pp .   1 985 -19 9 3 , Oct   2 0 16.  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       Im plem e n t a t i o n  of t h e  co nve n t i o n a l  sev e n- le v e l si ng l e -p h a s e  sy m m e trica l  … ( H assa n  Sa lm an  H a m a d)  17 7 [21]   Ad nan   H .   A li,  A li  N .   A b b as ,   an d   M .   H .  Hassan, " P erf o rm an ce  E v alu ati on  of   I E E E802 . 1 1 g   W L A Ns  Us ing  OPNET  Mo de le r,"   (A J E R ) ,   v o l . 02 , No   1 2 , p p-0 9 -1 5 , 2 01 3.  [22]   Tila  M uha m mad,  A dnan  U .  Khan2,  H an i f   J an ,   M.  Y asir  Usman,  Junai d  Jav e d,   a nd   A rsal a n   Asl a m ,   " C as c a d e d   S y mm etri c  Mu ltil evel  I n v erter  with   R ed uced   N um ber  o f   C ontro ll ed  S w i t c h e s , "   I n te rn ation a l  J o urna l of Pow e r  El ectro n i cs  a n d   Dr ive S y s t em  ( I JPEDS) ,  v o l.   8 ,   No .   2 ,  pp .  7 9 5 - 80 3 ,   J un e  20 17.  [23]   Thiya g a r a j a n   V   a nd   S om a s u n d a ra m  P,   " A  Ne w  Se ve n  Le ve l  Sy mm e t ric al   I nverter  w i t h  Reduced   S wi tch  Co unt, "   Int e rna t i o n a l  Jo u r n a l of Po wer   E l ectr onics an d  D r i ve System ( I JPED S ) ,  vol.   9 ,   N o.   2 ,  p p .  92 1-925,   J u n   2 01 8.  [24]   M .  M .   K a r e e m ,   M .  I s m a i l ,  N .   A r s a d ,   M .   F .  M a n s o r ,  a n d   A d n a n .   H .   A l i,  " G r id   B as ed  C lus t eri n g   T echni qu e  in   Wi reles s   S en so r  N e two r k  u s in g   Hi era r ch ical   R o u t i ng  P r oto c ol ,"   i n  201 8 IEE E  4t h In t e rna t i onal   S y mpo s i u m   on   T e leco mmu ni cati on  T echn o l ogi e s   ( I S TT) ,  p p .  1-5,   2 0 18.   [25]   Ad nan   H.  A l i ,  Hass an  S .   Ha m a d,   A li  A .   A bd ulrazzaq ,  "An   ad ap tab l e  dif f e rent -lev els   cascaded   h -brid g e  i n v e rte r   anal ys is  f or  P V  g r id-co n n ected  s yst e ms,"  Int e rna t i o n a l Jo urn a l   of P o wer El ectr o n i cs a nd D r ive Sys t em   ( I JPEDS) ,  vo l.  10,   N o .   2 ,  pp.   8 31 -84 1 ,  J un 20 19 .   [26]   K.  R aman i,   M .A.   S a th ik,  an d  S   Si v a ku ma r ,   " A  N e w  Sy mme tric  M ul ti le ve l  In v e rte r   T op olog y   Usin g   S i n g le   a nd   Double Source S u b-Multilevel   In verters,"   Jour na l o f   Power El ectroni cs , v ol . 15 ,   N o. 1,   p p .9 6-1 0 5 , 2 01 5 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.