I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv e  Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  J u n e  2 0 1 8 ,   p p .   478 ~ 4 9 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 2 . pp 4 7 8 - 494          478       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   Rev iew  of DC  O f f set Co m pensa tion  Techniqu es for  G rid  Co nnected  Inv ert ers       Ah m ed  O m a r 1 ,   Adel  E l - Rf a ey 2 ,   M o na   F o ua d  M o us s a 3 ,  Ya s s er   G a ber  De s s o u k y 4   D e p a r tm en t   o f   E l ec t r i c al   E n g in e e r i n g ,   A r a b   A c a d em y   f o r   S ci en c e ,   T e c h n o l o g y   an d   M a r it im e  T r a n s p o r t ,   E g y p t         Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   1 6 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J an   1 8 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Feb   2 ,   2 0 1 8       L i m it a ti o n s  o f   DC  in jec ti o n   in t o   th e   A C  n e tw o rk   is   a n   im p o rtan t  o p e ra ti o n a l   re q u irem e n t  f o r  g rid   c o n n e c ted   p h o to v o lt a ic  sy ste m s.  T h e re   is  o n e   w a y   to   e n su re   th a t   th is  issu e   n e e d s  a   p o w e r  tran s f o r m e r  a s  a   c o n n e c ti o n   to   t h e   A C  n e tw o rk .   Ho we v e r,   th is  so lu ti o n   a d d s  c o st,  v o l u m e ,   m a ss ,   a n d   p o w e r  lo ss e s.   Id e a ll y   th e re   sh o u ld n ' t  b e   a n y   DC a t  th e   o u t p u t   o f   th e   i n v e rter,  b u t   p ra c ti c a ll y ,   a   sm a ll   a m o u n t  o f   DC  c u rre n t  is   p re se n t.   T h e re f o re ,   in   t h is  p a p e r  th e re   a re   tec h n iq u e s  f o r  th e   DC o f f s e t  e li m in a ti o n   a re   p r o p o se d .   S o m e   h a v e   d ra w b a c k s  w h ich   w a s   trea ted   b y   a n o th e r  t e c h n iq u e .   A lso   th e re   a re   b e st  so lu ti o n s  f o r  e li m in a ti n g   DC  o ff s e t  a s  in   se c ti o n   1 7 ,   a n d   1 8   a s  it   e x p lain s  h o w   to   re d u c e   th e   DC  o ff se t  in   a   tran s f o r m e rles s  o p e ra ti o n   w it h   re d u c i n g   th e   p o w e r   lo ss e s,   m a ss   a n d   th e   c o st ef f e c t. .   K ey w o r d :   DC   o f f s et  c o m p e n s a tio n   t ec h n iq u es   Gr id   c o n n ec ted   i n v er ter s     Co p y rig h t  ©   201 8   In s t it u te o f  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 l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ah m ed   O m ar ,    Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   A r ab   A ca d e m y   f o r   Scie n ce ,   T ec h n o lo g y   a n d   Ma r iti m e  T r an s p o r t ,   A le x a n d r ia  Deser t Rd ,   Giza   G o v er n o r ate ,   E g y p t.   E m ail:  a h m ed o m r _ e g @ h o t m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N     P o w er   q u ality   is   an   ess en tial  is s u e  f o r   th e  co m b in atio n   o f   g r id   co n n ec ted   in v er ter s .   T h e  is s u es  id en tif ied   to   DC   cu r r en t  in j ec tio n   in   in v er ter   b ased   d is tr ib u ted   g en er atio n   h av e  b ee n   g en er ally   o v er lo o k ed ,   in   s p ite  o f   d ev elo p in g   co n ce r n s   r eg ar d in g   its   im p ac t  o n   d is tr ib u tio n   s y s tem   co m p o n en ts .   On e  o f   th e  m o s t  ex tr em e  is s u es  b r o u g h t  o n   b y   DC   cu r r en t  in j ec tio n   is   s atu r atio n   o f   th e  d is tr ib u tio n   tr an s f o r m er s   b r in g in g   ab o u t  w av ef o r m   d is to r tio n ,   ex ce s s iv e  lo s s es,  o v er h ea tin g   an d   d im en s io n ed   lif e  ex p ec tan cy .   I n   ad d itio n ,   it  also   m ay   ca u s e  m is tak es  in   s o m e  o f   th e  m ea s u r em e n t  an d   p r o tectiv e  r elay s   s y s te m s   [ 1 ] .     A n   ac ce p tab le  s o u r ce   o f   DC   cu r r en t  in j e ctio n   in to   th e  g r id   em er g es  f r o m   th e  s em ico n d u cto r   cir cu its   in   in v er ter   f r am ew o r k s .   T h e  p r esen ce   o f   u n d esira b le  DC   cu r r en t  co m p o n en ts   in   th e  o u tp u t  cu r r en ts   o f   s u ch   f r am ew o r k s   ca n   b e  ascr ib ed   to   s ev er al  f ac to r s   s u ch   as  p u ls e  w id th   m o d u latio n   s ig n als,  n o n - l in ea r ity   o f   th e  s w itch in g   d ev ices,  an d   th e  d r if t  in   th e  v o ltag e  an d   cu r r en t  m ea s u r em en t  s en s o r s   u s ed   to   g iv e  f ee d b ac k   s ig n als  f o r   th e  co n tr o l  f r am ew o r k s .   A   n u m b er   o f   r u les  an d   s tan d ar d s   ar e  f o r ce d   to   lim it  th e  ef f ec t  o f   DC   cu r r en t  in j ec tio n   in to   th e  g r id   [ 2] ,  [3 ] .   A m o n g   th ese  p r in cip les  an d   p r o p o s als  ar e  r u les  to   r estra in   th e  allo w ab le  am o u n t  o f   DC   cu r r en t  in j ec tio n   in to   th e  d is tr ib u tio n   n etw o r k .   T h ey   v ar y   f r o m   co u n tr y   to   co u n tr y .   Fo r   in s tan ce ,   B r itis h   s tan d ar d   lim its   DC   in j ec tio n   to   2 0 m A   f o r   d is tr ib u ted   g e n er atio n   w ith   s tag e  s tr ea m s   b en ea th   16A rm s   [ 4 ] .   I n   I E E E   s tan d ar d   ' I E E E   9 2 9 - 2 0 0 0 '   th e  DC   lim its   is   0 . 5 %  o f   th e  in v er ter   r ated   cu r r en t [ 5 ].   T h e  DC   cu r r en t  in j ec tio n   in   th e  A u s tr alian   s tan d ar d   A S4 7 7 7 . 2   s h o u ld   n o t  ex ce ed   0 . 5 %  o f   th e  in v er ter   r ated   o u tp u t  cu r r e nt   o r   5 m A ,   w h ich   is   th e  g r ea ter   [ 6 ] .   Var io u s   m eth o d s   h av e  b ee n   p r o p o s ed   to   p r ev en t  o r   m in im ize  DC   cu r r en t  in j ec tio n   b y   g r id - co n n ec ted   in v er ter s   in   p h o to v o ltaic  s y s tem s .   T h is   p ap er   p r esen ts   a  r ev iew   o n   th e  is s u e  o f   th e  DC   o f f s et  an d   h o w   to   o v er co m e  it  w ith   d if f er en t  m eth o d s   th r o u g h   ex is tin g   tech n iq u es  th at  h av e  b ee n   s u b m itted   to   lim it  DC   cu r r en t  in j ec tio n   in to   th e  d is tr ib u tio n   n etw o r k   as  w ill  b e  illu s tr ated   in   ea ch   s ec tio n .   s ec tio n   1   is   th e  I n tr o d u ctio n ,   s ec tio n   2   p r esen ts   th e  is o latio n   tr an s f o r m er   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       R ev iew   o f D C   Off s et  C o mp en s a tio n   Tech n iq u es fo r   Gri d   C o n n ec ted   I n ve r ters   ( A h med   Om a r )   479   m eth o d   f o r   m in im izin g   th e  DC   o f f s et,   s ec tio n   3   p r esen ts   th e  ca p ac ito r s   m eth o d   f o r   DC   o f f s et,   s ec tio n   4   p r esen ts   th e  v o ltag e  tr an s f o r m er   m eth o d   to   lim it  th e  DC   o f f s et,   s ec tio n   5   p r o p o s es  th e  lo w   p o w er   tr an s f o r m er   m eth o d ,   s ec tio n   6   d is cu s s es  th e  cu r r en t  tr an s d u ce r   m e th o d ,   s ec tio n   7   ex p lain s   th e  DC   cu r r en t  s en s o r s ,   s ec tio n   8  p r esen ts   th e  p o w er   in ter f ac in g   tr an s f o r m er   m eth o d ,   s ec tio n   9   p r o p o s es  th e  m ath em atica l  m o d el  m eth o d   f o r   th e  DC   o f f s et,   s ec tio n   10  talk s   ab o u t  th e  n ew   co m p en s atio n   cir cu it  m eth o d ,   s ec tio n   11   g iv es  a   b r ief   ab o u t  th e  AC - co u p lin g   m eth o d ,   s ec tio n     12   p r o p o s es  th e  DC   o f f s et  co m p en s ated   v o ltag e  b u f f er   m eth o d ,   s ec tio n   13   p r esen ts   th e  d if f er en tial  am p lif ier   m eth o d ,   s ec tio n   14   talk s   ab o u t  th e  f ee d b ac k   s y s tem   tech n iq u e,   s ec tio n   1 5   p r o p o s es  a  n ew   ap p r o ac h   o f   f o r   DC   lin k   cu r r en t  s en s o r s ,   s ec tio n   16   talk s   ab o u t  th e  DC   cu r r en t  m ea s u r em en t  in   in v er ter   o u tp u t,  in   s ec tio n   1 7   th e  au th o r s   p r esen t  a  n o v el  co n tr o l  s tr ateg y   f o r   r ed u ctio n   o f   DC   o f f s et,   s ec tio n   1 8   s h o w s   th e  tr an s f o r m e r less   m eth o d   f o r   s u p p r ess io n   o f   DC   o f f s et,   an d   s ec tio n   1 9   is   th e  co n clu s io n .       2.   I SO L A T I O N  T RAN SFO R M E R     T h e  au th o r s   p r esen t  A   lin e  f r eq u en cy   is o latio n   tr an s f o r m er   w h ich   is   f r eq u en tly   em p lo y ed   at  th e  in v er ter   to   p r ev en t  p en etr atio n   o f   u n w an ted   DC   cu r r en ts   in t o   th e  g r id .   A ls o ,   it  p r o v id es  g alv an ic  is o latio n   b etw ee n   th e  p h o to v o ltaic  s y s tem   an d     th e  g r id .   Ho w ev er ,   a  5 0 /6 0   Hz  tr an s f o r m er   is   lar g e,   h ea v y   an d   is   a  s u b s tan tial  co s t  in   g r id   co n n ec ted   in v er ter   s y s tem s .   A d d itio n ally ,   it  co n tr ib u tes  to   s y s tem   lo s s es  an d   f o o tp r in t.  T h u s ,   tr an s f o r m er less   s y s tem   h as  b ec o m e  attr ac tiv e  in   th e  r ec en t  y ea r s .   I t  h as  b ee n   claim ed   th at  ad o p tio n   o f   a  tr an s f o r m er   less   P V  in v er ter   s y s tem   r ed u ce s   th e  o v er all  s y s tem   co s ts   b y   2 5 %  co m p ar ed   to   th e  co s t  o f   a  s y s te m   th at  in clu d es  a  tr an s f o r m er   [ 7 ]   an d   im p r o v es  s y s t em   ef f icien cy   ab o u t  1 . 5   to   2 %  [ 8 ] .   So   th is   tech n iq u e  h as  s ev er al  d r aw b ac k s   as  th e  co s t,  s y s tem   lo s s es  d u e  to   th e  tr an s f o r m er   th at  lead   u s   to   u s e  o th er   tech n iq u e  w ith o u t  tr an s f o r m er   s u ch   as th e  u s e  o f   ca p ac ito r s   in   s ec tio n   3 .        3.   C AP ACI T O RS       T h e  au th o r   p r esen ts   h er e  t h at  T h e  u s e  o f   ca p ac ito r s   eith er   it  i s   AC   o r   DC   f o r   p r ev en ti n g   D C   cu r r en t   in j ec tio n   i n to   t h e  g r id .   T h er e  ar e  s o m e   ap p r o ac h es  u s i n g   AC   o r   D C   ca p ac ito r s ,   w e   w il l  ill u s tr ate  s o m e   o f   th e m .   First  o n e  g i v es  a  s i n g l e - p h a s e  h al f - b r id g e  in v er ter   w it h   D C   ca p ac ito r s .   DC   n o d e  f o r m ed   f r o m   t h e   co n n ec tio n   o f   t w o   D C   ca p ac i to r s   in   s er ie s   [ 9] ,  [ 1 0 ] .   I t  is   n o ted   th at  th i s   ap p r o ac h   is   n o t   ex te n d ed   to   th r ee - p h ase  i n v er ter s   as   s h o w n   in   Fig u r e . 1 .   Seco n d   o n e  th at   d o esn ’ t  al lo w   DC   cu r r e n t  i n j ec tio n   i n to   th e   g r id   b y   p u ttin g   a n   A C   ca p ac ito r   in   s er ies  w it h   th e  g r id   [ 1 1 ] .   Fig u r e 2   illu s tr ates  t h at  th er e  ar e  s er ie s   d io d es  co n n ec ted   ac r o s s   th e   ca p ac ito r   to   p r ev en t  o v er   v o lta g e  p r o tectio n .   T h is   m eth o d   b etter   t h a n   t h at  o f   t h e  is o latio n   tr an s f o r m er   b u t  also   h as  s o m e  li m itat io n s   a s   it  ca n ' t  b e  u s ed   f o r   th r ee   p h ase  i n v er ter .   So   w e  g o   t h r o u g h   an o th er   p o in t o f   v ie w   as t h e  v o ltag e  tr an s f o r m er .             Fig u r e  1 .   Sin g le  p h ase  h al f   b r id g e  in v er ter   w i th   D C   ca p ac ito r s     Fig u r e  2 .   Sin g le  p h ase  H - b r id g e  in v er ter   w it h   A C   ca p ac ito r       4.   VO L T A G E   T R ANSF O RM E R     T h e  au th o r s   ex p lain   A ctiv e  m eth o d s   th at   ar e  u s ed   f o r   p r ev en tin g   DC   cu r r en t  in j ec tio n   in to   th e  g r id   b ased   o n   cu r r en t  s en s o r s   in   co n tact  w ith   v o ltag e  tr an s f o r m er   ( VT )   to   lim it  DC   in j ec tio n ,   alth o u g h   th e  cu r r en t  s en s o r   is   ex p en s iv e  in   d etec tin g   s m all  DC   co m p o n en t.  I t  talk s   ab o u t  a  v o ltag e  tr an s f o r m er   w ith   1 :1   tu r n ’ s   r atio ,   an d   R C   cir cu it.  T h e  p r im ar y   s id e  o f   th e  v o ltag e  tr an s f o r m er   is   co n n ec ted   ac r o s s   th e  g r id   w h ile  th e  s ec o n d ar y   o n e  is   co n n ec ted   in   s er ies  w ith   th e  R C   cir cu it  as  illu s tr ated   in   Fig u r e   3   T h e  DC   cu r r en t  is   lim ited   b y   th e  f ee d b ac k   o f   t h e  p r o p o r tio n al  in teg r al  co n tr o ller   w h ich   ad j u s ts   th e  in v er ter   cu r r en t  b y   th is   co n v en tio n al  co n tr o ller .   T h is   m eth o d   is   ex p en s iv e  as  it  r eq u ir es  co m p lex   tr an s f o r m er s   an d   cu r r en t  s en s o r s   s o   it  ad d s   co s t  an d   p o w er   lo s s   [ 1 2 ] .   T h is   tech n iq u e  lim its   th e  s m all  DC   co m p o n en t  as  p o s s ib le  at  it  ca n   b u t  it  is   to o   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 .   2 ,  J u n e  2 0 1 8   :   478   –   494   480   ex p en s iv e  as  it  is   n o t  o n ly   u s e  th e  v o ltag e  tr an s f o r m er   w h ich   co s ts   to o   m u ch   b u t  also   cu r r en t  s en s o r s .   Hen ce ,   w e  w ill  u s e  a  p o w er   tr an s f o r m er   as a   DC   o f f s et  s en s o r   in   th e  f o llo w in g   s ec tio n .           Fig u r e   3 .   DC   o f f s et  c u r r en t c o n tr o l  lo o p   w ith   a  v o ltag e  tr a n s f o r m er       5.   L O W   P O WE R   T RANSF O R M E R   T h e  au th o r s   ill u s tr ate  tec h n iq u e  ab o u t  DC   co m p e n s atio n   u s in g   lo w   p o w er   tr an s f o r m er   as a   DC   o f f s e t   s en s o r .   A  DC   s e n s o r   i s   co n n ec ted   ac r o s s   t h e  i n v er ter   ter m in als   an d   co n s i s ts   o f   a   m a g n e tic  cir cu it   w h ich   is   ap p licab le  b y   u s i n g   lo w   p o w e r       tr an s f o r m er   as ill u s tr ated   in   Fig .   4   W h e n   a  DC   v o lta g e  ap p ea r s   at  th e  i n v er ter   o u tp u t  in   a  clo s ed   lo o p   co n d itio n ,   th er e  is   a  b ig   d is to r tio n   r esu lt s   in   t h e  r ea cto r   cu r r en t.  T h e  r esu lts   ap p r o v e  th at  t h is   tec h n iq u e  i s   ab le  to   m i n i m ize  th e  DC   c u r r en t  co m p o n en t  [ 1 3 ] .   Ho w e v er ,   it  also   co n tain s   th e  p o w er   tr an s f o r m er   w h ic h   w il l  to   i n c r ea s e  th e  co s t.  W e  m o v e  t h r o u g h   t h e  n e x t  s ec tio n   w h ic h   d i s cu s s es   th e   cu r r e n t   tr an s d u ce r   i n   d etec tin g   a n d   r em o v i n g   th e   D C   co m p o n e n t  f r o m   th e  s y s te m .       6.   CURR E NT   T RANSD UCE R   T h is   m eth o d   w as  d is cu s s e d   b y   th e  au th o r s   as  th e  cu r r en t  tr an s d u ce r   w h ich   is   em p lace d   b etw ee n   DC   ca p ac ito r   an d   in v er ter   s w itch es  as  illu s tr ated   in   Fig . 5   to   m ea s u r e  th e  cu r r en t  w h ich   is   d r aw n   f r o m   th e  o u tp u t.  T h er e  ar e  tw o   s tates  f o r   co n n ec tio n   f o r   th e  o p er atio n   o f   th e  in v er ter ,   in itial  o n e  is   th e  co n n ec tin g   s tate  w h ich   h ap p en ed   w h en   th e  o u tp u t  cu r r en t  s tr ea m s   to   th e  lo ad   th r o u g h   th e  DC   co n n ec t  s en s o r ,   an d   th e  s ec o n d   o n e  is   th e  f r ee w h ee lin g   s tate  w h er e  th e  cu r r en t  s en s o r   o u tp u t  ca n   b e  u tili ze d   to   ex p el  th e  o f f s et  cu r r en t  ac ce s s ib le  in   th e  in v er ter   cu r r en t.  No tw ith s tan d in g   th is   f av o r ab le  p o s itio n   th is   p r o ce d u r e  h as  th e  ab ilit y   to   o p er ate  w ith o u t  tr an s f o r m er   s o   it  r ed u ce s   th e  co s t  [ 1 0 ] .   T h is   m eth o d   is   b etter   th an   b ef o r e,   as  th e  cu r r en t  s en s o r   o u tp u t  ca n   b e  u s ed   to   r em o v e  an y   DC   o f f s et  f o u n d   in   th e  in v er ter   o u tp u t  cu r r en t  in   a  tr an s f o r m er less   o p er atio n   s o   it  r ed u ce s   th e  co s t.  Ho w ev er ,   th e  au th o r s   s h o w ed   ex p er im en tal  r esu lts   p r o v e  th at  th e  elim in atio n   o f   th e  DC   co m p o n en t  in   th is   m eth o d   is   lim ited   w ith in   ce r tain   r an g e.   Hen ce   w e  g o   th r o u g h   an o th er   tech n iq u e  as  th e  tw o   DC   j o in   cu r r en t sen s o r s   in   s ec tio n   7 .             Fig u r e   4.   DC   co m p en s atio n   te ch n iq u e  u s i n g   lo w   p o w er   tr an s f o r m er   as a   D C   o f f s et  s e n s o r     Fig u r e   5.   H - b r id g e  in v er ter   u s i n g   D C - li n k   c u r r en t  s en s o r   to   co m p en s ate  DC   c u r r en t in j ec tio n   i n to   th e  g r id     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       R ev iew   o f D C   Off s et  C o mp en s a tio n   Tech n iq u es fo r   Gri d   C o n n ec ted   I n ve r ters   ( A h med   Om a r )   481   7.   DC   CURR E NT   S E NSO R S   T h e  au th o r s   E x am in e   tw o   DC   j o in   cu r r en t  s en s o r s   ar e  u tili ze d   to   r em u n er ate  th e  DC   o f f s et  cu r r en t  in   th e  th r ee - lev el  h alf - b r id g e  in v er te r   as  d elin ea ted   in   Fig .   6   th e  u p p er   s en s o r   is   ass o ciate d   b etw ee n   th e  u p p er   ter m in al  o f   ca p ac ito r   C 1   an d   th e  u p p er   s w itch   S 1   to   q u an tif y   th e  p o s itiv e  DC   lin k   cu r r en t  d u r in g   th e  p o s itiv e  p o r tio n   o f   th e  m ain   cy cle.   T h e  DC   o f f s et  is   alig n ed   d u r in g   th e  n eg ativ e  h alf   cy cle,   w h en   th e  p o s itiv e  DC   lin k   cu r r en t  d r o p s   to   ze r o .   T h e  lo w er   s en s o r   is   co u p led   b etw ee n   th e  b ase  ter m in al  o f   DC   c ap ac ito r   C 2   an d   s w itch   S 4   to   g au g e  th e  n eg ativ e  DC   lin k   cu r r en t  d u r in g   th e  n eg ativ e  h alf   cy cle.   Fo r   th is   s itu atio n ,   th e  DC   o f f s et  is   ex p elled   d u r in g   th e  p o s itiv e  h alf   cy cle  w h en   th e  n eg ativ e  DC   in ter f ac e  d r o p s   to   ze r o   d u r in g   th e  p o s itiv e  h alf   m ain s   cy cle.     Ho w ev er ,   th e  g u ar an teed   ac h iev em en t  o f   th is   tech n iq u e  is   lim ited   b ec au s e  th e  p r esen t  s en s o r s   ar e  s et  w h er e  th ey   m ea s u r e  d is co n tin u o u s   cu r r en ts ,   w h ich   is   illo g ical  [ 1 0 ] .   T h is   tech n iq u e  u s es  tw o   DC   j o in   cu r r en t  s en s o r s   n o t  o n ly   w h ich   p lay ed   th e  r o le  o f   th e  p o w er   tr an s f o r m er   as  in   s ec tio n   5   s o   it  allo w s   th e  tr an s f o r m er less   o p er atio n ,   b u t  it  h as  a  b ig   d is ad v an tag e  th at  it  m ea s u r es  th e  d is co n tin u o u s   cu r r en t  w h ich   is   im p r ac tical.             Fig u r e   6.   T h r ee - lev el  h al f   b r id g e  in v er ter   u s in g   p o s iti v e  an d   n eg at iv e  D C   cu r r e n t se n s o r s   t o   co m p en s ate  D C  cu r r en t i n j ec tio n   to   th e  lo ad       8.   P O WE R  I N T E RF ACI NG   T RANSF O RM E R   T h e  au th o r s   P r esen t   th e  lim itatio n   o f   th e  DC   in j ec tio n   in to   A C   n etw o r k   b y   g r id   co n n ec ted   in v e r ter s .   T h is   p r o ce d u r e  is   m ad e  b y   u s in g   a  p o w er   tr an s f o r m er   as  an   in ter f ac e  b etw ee n   th e  o u tp u t  o f   th e  in v er ter   an d   th e  A C   n etw o r k .   T h is   tech n iq u e  h as  s o m e  s er io u s   d is ad v an tag es,  id ea lly   n o   DC   cu r r en t  ca n   b e  av ailab le  at  th e  o u tp u t  o f   th e  in v er ter ,   b u t  p r ac t ically   in   th e  ab s en ce   o f   s o m e  s p ec ial  m ea s u r es,  a  litt le  am o u n t  o f   DC   is   av ailab le  as  a  r esu lt  o f   cir cu it  co m p o n en t  im p er f ec tio n s .   T h e  f o cu s   o f   th is   tech n iq u e  is   o n   th e  m ath em atica l  m o d elin g   o f   a  p r o p o s ed   DC   o f f s et  s en s o r   an d   DC   o f f s et  co n tr o l  s y s tem .   T h e  d is ad v an tag es  o f   th is   tech n iq u e  ar e  p o w er   lo s s es  an d   it  ad d s   co s ts ,   m ass   an d   v o lu m e.   DC   p o w er   f r o m   th e  s o lar   p an el  is   ch an g ed   to   A C   b y   an   in v er ter .   T h eo r etica lly   th e  o u tp u t  cu r r en t  o f   th e  in v er ter   s h o u ld   b e  p u r ely   A C ,   b u t  p r ac tically   it  w ill  co n tain   s m all  am o u n t  o f   DC .   A s   th e  DC   in j ec tio n   in cr ea s e  in   th e  A C   n etw o r k ,   th is   ca n   r esu lt  in   tr o u b les  as  tr an s f o r m er   s atu r atio n ,   tr an s f o r m er   m ag n etizin g   cu r r en t  d is to r tio n ,   m eter in g   er r o r s ,   an d   m alf u n ctio n   o f   p r o tectiv e  eq u ip m en t.  Fo r   th is   ca u s es  th er e  ar e  s o m e  s tan d a r d s   th at   p u t  lim its   f o r   DC   in j ec tio n   [ 1 4 ] .   A s   illu s tr ated   in   th is   tech n iq u e  h as  s ev er al  d r aw b ac k s ,   th is   lead   u s   to   u s e  an o th er   m eth o d   in   th e  n ex t  s ec tio n s .       9.   M AT H E M AT I CAL   M O DE L   T h e  au th o r s   d em o n s tr ate   alter n ativ e  s o lu tio n s   f o r   th e  DC   in j ec tio n   tr o u b le  t h at  h as  b ee n   in tr o d u ce d :  I t  p r o v id es  th e  u s ag e  o f   a  f ee d b ac k   lo o p   to   elim in ate  th e  DC   o f f s et.   A   s im p le  m ath em atica l  m o d el  is   en h an ce d   f o r   th e  f ee d b ac k   s y s tem .   I t  is   p r o p o s ed   th at  th e  in v er ter   is   v o ltag e  co n tr o lled .   B u t  th er e  is   n o   ex p er im en tatio n   v alid ated   f o r   th is   tech n iq u e.   Of f s et  cu r r en t  is   d u e  to   cir cu it  co m p o n en t  im p er f ec tio n s .   W ith   th e  DC   o f f s et  co n tr o ller   o p er atin g ,   a  co m p en s atin g   cu r r en t        is   p r o d u ce d   at  s tead y   s tate,   w h ich   th eo r etica lly   ca n ce l s   o f f s et  cu r r en t[ 1 4 ].   T h e  co n tr o l  s y s tem   r ec eiv ed   f o r   th e  DC   b u s   v o ltag e  is   s h o w n   in   Fig .   8   E f f ec tiv e  co n tr o l  o f   th e  DC   b u s   v o ltag e  g u ar an tees  b alan ce   b etw ee n   p o w er   o u tp u t  o f   th e  DC   to   DC   co n v er ter   an d   p o w er   in j ec ted   in to   th e  A C   n etw o r k .   A   b asic  co r r esp o n d in g   co n tr o ller   w ith   g ain         is   u tili ze d .   T h e  DC   b u s   v o ltag e  s ig n al  is   w ea k en ed   b y   a  f ac to r       an d   f ilter ed .   A t  s tead y   s tate  th e  o u tp u t  o f   th e  co r r esp o n d in g   co n tr o l  w ill  b e  a  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 .   2 ,  J u n e  2 0 1 8   :   478   –   494   482   co n s tan t  v alu e.   T h is   is   m u ltip lied   b y   a  s in u s o id al  s ig n al  w h ich   is   in   p h ase  w ith   A C   s u p p ly   v o ltag e     .   T h er e  is   an   o u tp u t  o f   th e  m u ltip lier ,              is   th e  cu r r en t  r ef er en ce   f o r   th e  in v er ter .   A n   in cr ea s e  in   th e  o u tp u t  p o w er   f r o m   th e  s o lar   p an els  w ill  af f ec t  th e  DC   b u s   v o ltag e         to   in cr ea s e  co n s eq u en tly .   T h is   m ak es  th e  er r o r   v o ltag e  at  th e  in p u t  o f   th e  co r r esp o n d in g   co n tr o ller   t o   in cr ea s e  w h ich   lead   to   an   in cr ea s e  in   th e  in v er ter   cu r r en t  r ef er en ce   s ig n al.   So   th e  o u tp u t  cu r r en t  o f   th e  in v er ter   g o es  u p   an d   m o r e  p o w er   is   s u s tain ed   in to   th e  A C   n etw o r k .   E v en tu ally ,   a  r is e  in   p o w er   o u tp u t  f r o m   th e  s o lar   p an els  lead s   to   ex p an s io n   f o r   th e  DC   b u s  v o ltag e  s tead y   s tate  er r o r   [ 1 4 ] .   T h is   tech n iq u e  is   p er f ec t  m ath em atica lly   at  it  p r o v id es  th e  is s u e  w ith   a  f ee d b ac k   s y s tem   th r o u g h   a  m ath em atica l  m o d el,   b u t  th er e  ar e  n o   ex p er im en tal  r esu lts   v alid ate  th is   tech n iq u e.   Hen ce ,   a  n ew   m eth o d   is   p r esen ted   in   s ec tio n   X.             Fig u r e   7.   Gr id - C o n n ec ted   P V  S y s te m     Fig u r e   8 .   I n v er ter   C o n tr o l S y s te m       W h ich       co m p en s atin g   cu r r en t,       r ef er en ce   cu r r en t,          o f f s et  cu r r en t,          P I   co n tr o ller   g ain ,             h all  ef f ec t c o n s tan t=1 V/A ,            DC   b u s   v o ltag e.       10.   NE W  CO M P E NSAT I O N  CI RCUI T   T h e  au th o r s   clar if y   a  n ew   cu r r en t  d etec tin g   m eth o d   f o r   th e  cu r r en t - m o d e  DC - DC   b u ck   co n v er ter ,   h o w ev er   th e  cu r r en t  m ir r o r in g   s ch em e  h elp s   to   p r ev en t  co n v er s io n   ef f icien cy   f r o m   d ec r ea s in g ,   an d   it  en d u r es  f r o m   th e  v o ltag e  o f f s et  o f   t h e  am p lif ier   f ee d b ac k .   So   th is   ap p r o ac h   p r o p o s es  a  n ew   co m p en s atio n   cir cu it  in v o lv ed   in to   th e  cu r r en t  s en s in g   b lo ck   to   o v er co m e  th e  o f f s et  v o ltag e  [ 1 5 ].   T h e  in teg r atio n   o f   a  s y s tem   in to   s in g le  ch ip   is   s u cc ess iv ely   f ig u r ed   o u t  n o w ad ay s ,   d if f er en t  s tr u ctu r e  to p ics  s h o u ld   k n o w   f o r   SOC   ( Sy s tem - On - C h ip )   im p lem en tatio n s   [ 1 6 ] ,   [ 1 7 ] .   Fo r   attain in g   th e  ch allen g in g   h ar d w ar e,   th e  in teg r ated   cir cu its   as  DC - DC   co n v er ter s   ar e  in v o lv ed   in to   a  ch ip   as  m ix ed - s ig n al  cir cu its   in   ad d itio n   to   d ig ital  p r o ce s s in g   s y s tem   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ].   T h e  g en er al  b lo ck   d iag r am   o f   th e  cu r r en t  m o d e  DC - DC   b u ck   co n v er ter   is   ap p ea r ed   in   Fig .   9 .   T h e  in d u cto r   an d   ca p ac ito r   h av e  a  u s ag e  in   th e  o u tp u t  f ilter .   T h e  P MO S  an d   NM OS  s w itch es  ar e  co n tr o lled   b y   th e  ON  an d   OFF  tim e  s ig n als.  T h at  is   ch ar ac ter ized   b y   th e  d u ty   cy cle  o f   th e  P W M  ( P u ls e - W id th   Mo d u latio n )   s ig n al  g en er ato r .   A m id   th e  ON  tim e  th e  P MO S  d r aw s   th e  cu r r en t  f r o m   th e  b atter y   an d   s u p p ly   th e  in d u cto r   w ith   th e  cu r r en t  w h ich   r en ew s   th e  o u tp u t  ca p ac ito r .   T h is   ca p ac ito r   h as  a  g r ea t  u s ag e  in   k ee p in g   u p   th e   o u tp u t  v o ltag e  d u r in g   p r o v id in g   th e  o u tp u t lo ad   cu r r en t       .   B esid e  th at  th e  f ee d b ac k   s en s in g   o f   th e  cu r r en t.    I n   th e  cu r r en t - m o d e  DC - DC   co n v er ter ,   th e  cu r r en t  f lo w in g   th r o u g h   th e  in d u cto r   ca n   b e  u s ed   f o r   co n tr o llin g   th e  co n v er ter   o p er atio n s   an d   ac co r d in g ly   p r o d u cin g   th e  co r r esp o n d in g   P W M  s ig n als  f o r   th e  o u tp u t  s w itch es.  T h e   o r d in ar y   ap p r o ac h   to   d etec t  th e  cu r r en t  f lo w in g   th r o u g h   th e  in d u cto r   is   to   p u t  th e  r esis to r   alo n g   th e  cu r r en t  p ath   an d   s cr ee n   th e  v o ltag e  d r o p   o v er   th e  r esis to r   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   I t s   v alu e  o u g h t  to   b e  v er y   s m all  in   o r d er   n o t  to   co r r u p t  th e  co n v er s io n   ef f icien cy   in   lig h t  o f   th e  f ac t  th at  th e  co n d u ctio n   lo s s   o f   th e  co n v er ter   f u n d am en tally   co m es  f r o m   en er g y   s ca tter in g   d u e  to   th e  r esis tiv e  co m p o n en t  alo n g   th e  cu r r en t  p ath .   B esid e  th at  th e  cu r r en t  o f   th e  in d u cto r   w ill  b e  s u f f icien tly   in cr ea s ed   f o r   th e  in s tan ce   o f   lar g e  d u ty   cy cle  o p er atio n .   C u r r en t  m ir r o r in g   b etw ee n   th e  o u tp u t  s w itch   an d   s en s in g   tr an s is to r s   ca n   b e  u s ed   to   s cr ee n   th e  cu r r en t  w h ich   f lo w s   ac r o s s   th e  in d u cto r .   T h e  o p er atin g   p o in ts   s h o u ld   b e  id en tical  b etw ee n   th e  tw o   tr an s is to r s   b y   u s in g   th e  f ee d b ac k   lo o p .     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       R ev iew   o f D C   Off s et  C o mp en s a tio n   Tech n iq u es fo r   Gri d   C o n n ec ted   I n ve r ters   ( A h med   Om a r )   483         Fig u r e   9.   B lo ck   d iag r am   o f   th e  cu r r en t - m o d e DC - DC   b u ck   co n v er ter     Fig u r e   10.   C ir cu it sc h e m atic  o f   th e  c u r r en t - s e n s in g   o p er atio n       T h e  cu r r en t  s e n s i n g   cir cu it  w h ich   w il l  b e  p r o p o s ed ,   th e  s en s ed   cu r r en t  in   it  is   d i v id ed   in to   s m al l  b ias   cu r r en t  an d   s e n s ed   c u r r en t  th a t  w il l  b e  ch an g ed   in to   v o lta g e   s ig n al.   I n   Fi g u r e   1 0   th er e  ar e   t w el v e  tr an s is to r s   (M 1,   M 2,   M 3 ,   M 4 ,   M 5 ,   M 6 ,   M 7 ,   M 8 ,   M 9,   M 10,   M swp,   M swn ) ,   f o u r   s w itc h es   ( SW 1 ,   SW 2 ,   SW 3 ,   SW 4 ) ,   o n e  r esis to r   an d   A 1   w h ic h   is   a n   a m p li f ier .   I n   th i s   cir cu it  tr a n s i s to r   M 4  d er iv ed   b y   t h e  o u tp u t  o f   th e  f ee d b ac k   a m p lif ier   A 1   in   o r d er   to   m a k e  t h e  s en s ed   c u r r en t  o f   tr a n s i s to r   M 1   f lo w s   in   M 4   th a t  w ill   en h a n ce   t h e  a cc u r ac y   o f   s e n s in g .   T h e  t w o   tr an s i s to r s   M swp   a n d   M swn   ar e  th e  o u tp u t   s w i tch e s   t h at  ar e  d er iv ed   b y   th e  ON - ti m e  w h ic h   i s   g iv e n   t h e   s y m b o l  Φ 1   an d   th e  O FF - ti m e   w h ic h   is   g iv e n   t h e  s y m b o l  Φ 2 ,   s ep ar ately .   I f   th e  f ee d b ac k   is   n eg at iv e  b y   t h e   a m p li f ier ,   it  w ill  lead   t h e  n o d es  o f   ( A )   an d   ( B )   t y p ical  i n   o r d er   to   m ak e  th e  c u r r en t  co n n ec tin g   b et w ee n   M 1   an d   M 2   ca n   b e  ac co m p lis h ed   b ec au s e  o f   t h e  s i m i lar it y   o f   th e  s o u r ce - d r ain   v o lta g es.              Fig u r e   11.   C ir cu it sc h e m at ic  o f   th e  o p er atio n al  a m p li f ier     Fig u r e  1 2 .     Op er atio n al  am p li f ier   in clu d i n g   th e  o f f s et  v o ltag e  d u r i n g   Φ 1       T h e  v o ltag e  o f f s et  o f   t h e  C M OS  o p er atio n al  a m p li f ier   m a y   b e  s u f f icien t l y   lar g e  i n   o r d er   to   b r ea k   d o w n   t h e  er r o r   in   t h e  co n f i g u r atio n   o f   t h e  clo s ed   lo o p .   Fig u r e   1 2   illu s tr ates  t h e  o p er atio n al  a m p lifie r   w h ic h   w a s   f o u n d   in   t h e  c u r r en t  s en s i n g   cir cu it  t h at  i s   s h o w n   i n   Fi g u r e   1 1   w i th   th e   o f f s et   v o lta g e  d u r in g   O N - t i m e   w h e n   Φ 1   is   h ig h .   T h e  o f f s et  v o ltag e  o f   th e  o p er atio n al  a m p l if ier   s h o u ld   b e  s u f f icie n tl y   lar g e  s o   th at  th e  er r o r   ca u s e s   d a m ag e  to   th e   clo s ed   lo o p   c o n f i g u r atio n .   Fig u r e  1 2   s h o w s   th e  o p er atio n al  a m p li f ier   in clu d ed   in   th e   cu r r en t  s en s i n g   cir c u it  o f   Fi g u r e  1 1   w it h   t h e  v o lta g e  o f f s et  t h at  i s   m ain tain ed   d u r in g   t h e  O N - ti m e  w h e n   Φ 1   i s   h ig h .   R 1   an d   R S WP  ar e  th e  eq u i v alen t r esis ta n ce s   o f   tr an s is to r s   M 1  an d   M SWP .       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 .   2 ,  J u n e  2 0 1 8   :   478   –   494   484   T h e  cu r r en t  o f   t h e  in d u cto r   is   d etec ted   w h ile  th e  ON - ti m e  ( Φ 1 ) ,   th e  o u tp u t  v o lta g e  V S EN2   w h ile  O FF - ti m e   s h o u ld   b e  u s ed   f o r   co m p en s ati n g   t h e  v o ltag e   o f f s et   o f   t h e  a m p li f ier .   B y   th e   n e x t   Φ 1   o f   O N - t i m e,   th e   in te g r atio n   h ap p en s   al s o   th e  co n tr o l  v o ltag e  id e n ti f y   th e  c u r r en t  w h ic h   f lo w s   t h r o u g h   t r an s is to r   M C .   T h is   o u tp u t  c u r r en t  ca n   b e  u t ilized   f o r   co m p en s a tin g   t h e  o f f s et  v o ltag e.   Si n ce   t h e  lo o p   o f   co m p en s atio n   in   Fi g u r e   1 3   co n tain s   th e  i n te g r at o r ,   a  h u g e  D C   g ai n   co u ld   b e  s u f f ici en t  to   d ec r ea s e  th e  er r o r   w h ic h   w as  f o u n d   i n   th e   o p er atio n   o f   t h e  clo s ed   lo o p .   T h e  ca p ac itan ce   p r o p o r tio n   o f   th e   in teg r ato r   a n d   th e   clo ck   f r eq u en c y   d ec id e  th e   s ettli n g   ti m e  o f   o f f s et  co m p e n s atio n   o p er atio n .   T h is   o p er atio n   a m p li f ier   h as  lo w   p o w er - c o n s u m p tio n   ca u s ed   li m ita tio n   f o r   th e   a m p li f ier   b an d w id th   a n d   a  h u g e  er r o r   co u ld   o cc u r   w h ile  i n teg r at io n   w h e n   t h e  D C - DC   co n v er ter   w o r k s   w it h   lo w   d u t y   c y cle.   I n   s p ite  o f   all  o f   t h e s e   d r a w b ac k s   th e  co m p e n s a tio n   o f   th e  o f f s et  v o ltag e   co n tin u es   w o r k i n g   [ 2 2 ] .   T h is   ap p r o ac h   h as a   co m p en s atio n   cir cu it to   o v er co m e  t h e  o f f s et  v o ltag e  f o u n d   i n   th e   a m p li f ier   f ee d b ac k .   B u t  it  h as   a  p r o b lem   th at  t h e  v o ltag e  d r o p   ac r o s s   th e  r esis to r   m i g h t  b e  n o t  s m all  an d   ca n   ca u s e  a  co r r u p tio n   f o r   th e  co n v er s io n   e f f icien c y   in   ca s e  o f   t h e  f ac t  th a t  th e  co n d u ct io n   lo s s   o f   th e  co n v er ter   co m e s   f r o m   en er g y   s ca tter in g   d u e  to   th e  r esis t iv e  co m p o n en t   alo n g   t h e  cu r r en t p at h .       11.   AC - CO UP L I N G   M E T H O D   A   n ew   tech n iq u e   is   p r o p o s ed   b y   th e  au th o r   f o r   DC - o f f s et  r em o v al,   in   in teg r ated   w ir eless   r ec eiv er s   as  DC R s   ( d ir ec t - co n v er s io n   r ec eiv er s )   w h ich   u s e  b an d w id th   ef f icien t  m o d u latio n   s ch em es  as  QA M  ( q u ad r atu r e  am p litu d e  m o d u latio n ) ,   DC - o f f s et  is   a  b ig   is s u e  w h ich   f ac es  th ese  r ec eiv er s ,   s o   if   it  r em ain s   as  it  is   w ith o u t  an y   co m p en s atio n ,   it  ca n   ca u s e  d am ag e  to   th e  o v er all  s y s tem   p er f o r m an ce .   T h er e  is   a  s o lu tio n   h er e  w h ich   ca n   elim in ate  th is   DC - o f f s et  b y   u s in g   A C - co u p lin g   to   elim in ate  th e  lo w - f r eq u en cy   d is tu r b an ce s   [ 2 3 ].   DC R   h as  th e  R F  ( r ad io   f r eq u en cy )   s ig n al  w h ich   is   ch an g ed   to   ze r o   f r eq u en cy   an d   in   s eq u en ce   o f   th at  th e  DC - o f f s et  w il l  ca u s e  er r o r s   to   th e  s ig n al  [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ].   T h e  DC - o f f s et  ca n   eli m i n ate  th e  r ec eiv er   p er f o r m an ce   a s   s aid   b ef o r e.   B y   p u tti n g   f ir s t - o r d er   A C - co u p lin g   h ig h   p as s   f ilter ,   i n   th e  i n - p h a s e  a n d   q u ad r atu r e  s i g n al   p ath s ,   as  i llu s tr ated   in   Fi g u r e   1 4 ,   th a t  eli m i n ate  t h e  r es u lt s   o f   DC - o f f s et.   B u t   also   it   ca n   m a k e  a  b ig   r ed u ctio n   in   p er f o r m a n ce   if   t h e  u s a g e  o f   t h e  b aseb an d   o f   th e  s i g n a l  s p ec tr u m   o f   th e  m o d u lati o n   s ch e m e   h as  en er g y   n ea r   D C   [ 2 6 ] .   T h is   is   ap p lied   if   th e   QA M  s ch e m e  is   u s ed .   B P F  ( b an d   p ath   f ilter ) ,   L N A   ( lo w - n o is e  a m p lifie r ) .   A s   ill u s tr ated   in   th i s   s ec tio n   t h at   T h e  A C - co u p li n g   h i g h   p ass   f il ter   ca n   eli m in ate  t h e  D C   co m p o n en t.  A lt h o u g h ,   it h a s   a  d r a w b ac k   w h ic h   r es u lts   in   a  b ig   r e d u ctio n   in   p er f o r m an ce   if   t h e  u s a g e  o f   t h e  b ase b an d   o f   th e  s p ec tr u m   h as  e n e r g y   n ea r   DC .   T h is   tech n iq u e  w as  s k ip p ed   f o r   its   d r a w b ac k s   a n d   m o v e  th r o u g h   th e  f o llo w i n g   tech n iq u e.             F i g u r e 1 3 .   Pro p o s ed   s c h em e to   co m p en s ate th e o f f s et  v o ltag e o f   th e  am p lif ier     Fig u r e  1 4 .   A   d ir ec t - co n v e r s io n   r ec eiv er   w it h   A C - co u p lin g       12.   DC  O F F SE T   CO M P E NSA T E D  VO L T A G E   B UF F E R   T h e  au th o r   s h o w s   a  n ew   DC   o f f s et  co m p en s atio n   tech n iq u e  f o r   v o ltag e  b u f f er s .   I t  ca n   b e  u tili ze d   to   en h an ce   th e  ac cu r ac y   o f   d ata  co n v er ter s .   T h at  tech n iq u e  d ec r ea s es  th e  er r o r   o f   th e  g ain   o f   th e  o p er atio n   am p lif ier   [ 2 7 ].   T h e  r eq u est  f o r   m o r e  r eso lu tio n   an d   m u ch   m o r e  s p ee d   DA C ' s   ( d ig ital  an alo g u e  co n v er ter s )   is   ex ten d ed   ev er y   y ea r   w ith   th e  d em an d   elec tr o n ics  ap p licatio n s .   T h e  p er f o r m an ce   o f   DA C s   co u ld   b e  en h an ce d   b y   u s in g   o f f s et  co m p en s atio n   tech n iq u e s .   P r o b ab ly   a  lar g e  p ar t  o f   th e  co n v en tio n al  tech n iq u es  co m p en s ates  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       R ev iew   o f D C   Off s et  C o mp en s a tio n   Tech n iq u es fo r   Gri d   C o n n ec ted   I n ve r ters   ( A h med   Om a r )   485   o n ly   f o r   th e  DC   o f f s et  v o ltag e  o f   th e  o p er atio n   am p lif ier   b u t  n o t  th e  er r o r   o f   th e  g ain   [ 2 8 ] .   T h er e  is   a  n ee d   f o r   r eset  o p er atio n   am p lif ier   o u tp u t  to   ze r o   at  ev er y   cy cle,   s o   th is   ap p r o ac h   p r o p o s es  a  DC   o f f s et  co m p en s atio n   tech n iq u e  w h ich   co m p en s ates  f o r   o f f s et  v o ltag e  an d   er r o r   o f   th e  g ain   o f   th e  o p er atio n   am p lif ier .   T h is   cir cu it  as  o th er   ex ch an g ed   ca p ac ito r   cir cu its   en d u r es  f r o m   ch an n el  ch ar g e  in j ec tio n   w h ich   ca n   b e  lim ited   b y   tu r n in g   S 1   o f f   s o m ew h at  b ef o r e  S 3 ,   w h en   S 1   is   tu r n ed   o f f ,   ch ar g e  ( w h ich   is   th e  elem en t  o f   th e  v o ltag e  at  n o d e  X)   is   in f u s ed   o n to   th e  ca p ac ito r   an d   th is   ch ar g e  s h o w s   u p   a  co n s tan t  o f f s et  at  th e  o u tp u t.  A f ter   S 1   is   o f f ,   th e  to tal  ch ar g e  at  n o d e  X  s tay   co n s tan t  m ak in g   th e  cir cu it  aw ay   f r o m   th e  ch ar g e  in f u s io n   o f   S 3   o r   ch ar g e  ab s o r p tio n   o f   S 2 .   T h e  cir cu it  is   q u ick   as  th e  tr an s itio n   o f   th e  v o ltag e  at  th e  o u tp u t  n o d e  is   s m all  en o u g h ,   h o w ev er   th e  co n v en tio n al  cir cu its   o f   th e  o f f s et  co m p en s atio n   ar e  d ec eler atin g   b ec au s e  o f   th e  lar g e  tr an s ien ts   o f   th e  v o ltag e  at  th e  o u tp u t  [ 2 8 ].   T h e  p r o p o s ed   DC   o f f s et   co m p en s a ted   v o ltag e  b u f f er   s h o w n   in   Fig u r e   1 5   is   im p lem en ted   u s in g   th r ee   s w itch es  S 1 ,   S 2   an d   S 3   an d   a  ca p ac ito r   C .   T h e  p er f o r m an ce   o f   th e  cir cu it  lik e  o th er   s w itch ed   ca p ac ito r   cir cu its   b r o o k s   f r o m   th e  ch ar g e  in j ec tio n   o f   th e  ch an n el  w h ich   ca n   b e  r ed u ce d   b y   o p en in g   S 1   s lo w ly   b ef o r e  S 3 .   W h en   S 1   o p en ed ,   th e  ch ar g e  is   g o in g   to   th e  ca p ac ito r   C   an d   th is   ch ar g e  is   f o u n d   as a n   o f f s et  at  th e  o u tp u t.   W h en   S 1   is   o f f ,   th e  to tal  ch ar g e  s tay s   co n s tan t  as  it  is   w h ich   w ill  lead   th e  cir cu it  in s en s itiv e  f o r   ch ar g in g   in j ec tio n   to   S 3   o r   th e  ch ar g in g   ab s o r p tio n   f o r   S 2  [ 2 8 ].                 Fig u r e  1 5 .   ( a)   New   D C   o f f s et  co m p e n s ated   v o ltag e  b u f f er ,   ,   ( b )   cir cu it d u r in g   p h a s e - 1 ,   ( c)   cir cu it d u r i n g   p h ase - 2 ,     ( d )   clo ck s   □ 1a , □ 1 , □ 2 . ap p lied   to   th e  s w itc h es S 1 , S 2 ,   an d   S 3   r esp ec tiv el y       T h e  co n v en tio n al  o f f s et  co m p en s atio n   cir cu its   h av e  a  lo w   s p ee d   d u e  to   b ig   tr an s ien ts   in   th e  o u tp u t.  Fro m   th e  ab o v e  s ec tio n   w e  g et  th at  th is   m eth o d   n o t  o n ly   o v er co m e  th e  DC   o f f s et  b u t  also   it  im p r o v es  th e  ac cu r ac y   o f   th e  d ata  co n v er ter s   an d   d ec r ea s es  th e  er r o r   o f   th e  g ain   in   th e  o p er atio n al  am p lif ier .   A lth o u g h   it  h as  a  b ig   d is ad v an tag e  th at  th e  co n v en tio n al  cir cu its   o f   th e  o f f s et  co m p en s atio n   ar e  d ec eler ate  b ec au s e  o f   th e  lar g e  tr an s ien ts   o f   th e  v o ltag e  at  th e  o u tp u t  o f   th e  o p er atio n al  am p lif ier .   T h is   d r aw b ac k   let  u s   tr y   to   f in d   a  n ew   s o lu tio n   b etter   th an   th at  in   th e  f o llo w in g   s ec tio n s .       13.   DIFF E R E N T I A L   AM P L I F I E R   T h is   tech n iq u e  w as  in tr o d u ce d   b y   th e  au th o r   w h ich   g iv e   a  b r ief   ab o u t  th e  DC   o f f s et  w h ich   is   alr ea d y   k n o w n   as  b ef o r e,   as  th e  ex ce s s iv e  in j ec tio n   o f   DC   in to   A C   ca n   p r o m p t  is s u es  s u ch   as  co r r o s io n   in   u n d er g r o u n d   eq u ip m en t  [ 2 9 ] ,   tr an s f o r m er   m ag n etizin g   cu r r en t   d is to r tio n   an d   tr an s f o r m er   s atu r atio n   [ 3 0 ]   an d   f ailu r e  in   th e  f u n ctio n   o f   th e  p r o tectiv e  eq u ip m en t  [ 3 1 ] .   I n   th is   m an n er   r u les  an d   m ea s u r es  h av e  b ee n   s et  u p   to   co n tr o l  th e  DC   in j ec tio n   [ 3 2 ] .   A u s tr alian   Stan d ar d   A S4 7 7 7 . 2   lim its   th e  DC   in j ec tio n   to   5   m A   o r   0 . 5 %  o f   th e  r ated   o u tp u t  as  illu s tr ated   b ef o r e  in   th e  in tr o d u ctio n ,   w h ile  in   th e  Un ited   Kin g d o m ,   E R   G8 3 /1   p u t  a  lim it  o f   2 0   m A   [ 3 3 ].   T h er e  w as  a  s u g g esti o n   ca n   b e  ap p lied   u s in g   a  v o ltag e  s en s o r   at  th e  in v er ter   o u tp u t  co n tain s   th e  d if f er en tial  am p lif ier   an d   a  lo w   p ass   f ilter .   Hen ce ,   an y   DC   co m p o n en t  is   d etec ted   at  th e  o u tp u t  o f   th e  lo w   p ass   f ilter   w h ich   r etu r n s   b ac k   to   th e  co n tr o ller   th at  m ak es  th e  in v er ter   elim in ates  th e  DC   o f f s et  an d   th er e  w as  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 .   2 ,  J u n e  2 0 1 8   :   478   –   494   486   a  m ath em atica l  m o d el  f o r   th at  co n tr o l  s y s tem   [ 3 3 ] .   I t  s ee m s   th at   th is   m eth o d   h as  a  b ig   s im ilar ity   to   th e  tech n iq u e  w h ich   w as  ex p lain ed   in   s ec tio n   9 ,   s o   th er e  ar e  n o   ex p er im en tal  r esu lts   v alid ate  th is   tech n iq u e.       14.   F E E DB ACK   SY ST E M   T h e  s i m p les t  w a y   to   eli m i n at e  DC   i n j ec tio n   i s   to   k ee p   a  g r id   f r eq u e n c y   tr an s f o r m er .   T h at  is   t h e  s o lu tio n   ad j u s ted   i n   a  n u m b er   o f   co m m er cial   s y s te m s   [ 3 4 ] ,   [ 3 5 ] .   T h e  m ea s u r e m e n t s   o f   D C   c u r r en ts   f r o m   t h e   AC   o u tp u t  o f   co m m er cial  s y s t e m s   ar e  also   p r o p o s ed   in   [ 3 5 ] .   T h er e  ar e  n u m b er   o f   s y s te m   co n f i g u r atio n s   t h at   h av e  b ee n   p r ese n ted   f o r   s i n g l e - p h a s e  g r id   co n n ec ted   P V  s y s te m s   [ 3 6 ] .   T h e  co n f ig u r atio n   th at  h a s   b ee n   u s ed   an d   w a s   in tr o d u ce d   b y   t h e  au t h o r   to   g et  th e  D C   o f f s et  eli m i n ati o n   m et h o d   w h ic h   is   s h o w n   i n   Fi g u r e  1 6.           Fig u r e  1 6 .   Gr id   co n n ec ted   P V  s y s te m           Fig u r e  1 7 .   I n v er ter   m ai n   co m p o n en t s   an d   DC - o f f s et  s e n s o r       T h e  m ai n   co m p o n e n t s   o f   t h e   in v er ter   ar e  s h o w n   i n   Fi g u r e  1 7 .   T h e  u n it y   p o w er   f ac to r   u s ed   f o r   r ef er en ce   c u r r en t            f o r   th e  h y s t er esis   cu r r e n t  co n tr o ller [ 3 6 ] , [ 3 7 ] .   is   co o r d in ated   to   b e  in   p h ase  w it h   th e  AC   s u p p l y   v o lta g e      .   Du r i n g   t h e  p o s iti v e  h alf   c y c le  o f   th e   s o u r ce   v o ltag e,   in s u lated   g ate   b ip o lar   tr an s i s to r   T B+   i s   k ep t  o f f   an d   T B -   is   k ep t  o n .   T r an s i s to r   T A+   is   t u r n ed   o n   w h e n   th e  c u r r en t  o f   t h e  i n v er ter   o u tp u t  (   )   g o es  b elo w   th e  b o tto m   s ta n d ar d   o f   th e  h y s ter etic  b an d .   T h is   lead s       to   r is e  w h ile  it  f lo w s     th r o u g h   T A+   an d   T B - .   W h en   cu r r en t      ex ce ed s   th e  u p p er   lim it  o f   t h e  b an d   T A+   i s   s w i tch ed   o f f .   T h is   lead s       to   f all  w h e n   f lo w i n g   th r o u g h   D A -   an d   T B - .  T h r o u g h o u t   th e   n eg ati v e  h al f - c y cle  o f   t h e  AC   s u p p l y   v o lta g e,   tr an s is to r   T B -    i s   k ep t   o f f   a n d   T B+   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       R ev iew   o f D C   Off s et  C o mp en s a tio n   Tech n iq u es fo r   Gri d   C o n n ec ted   I n ve r ters   ( A h med   Om a r )   487   is   k ep t  o n .   T r an s i s to r   T A -   is   s w itc h ed   o n   w h e n   t h e  cu r r en t   o f   th e  i n v er ter   o u tp u t          g o es  a b o v e  th e  to p   li m it   o f   th e   h y s ter et ic  b an d [ 3 8 ] .   T h er e  i s   n o   s u b s ta n tial  s to r ag e   b et w ee n   t h e  s o lar   p an e l  o u t p u t  an d   t h e  i n v er ter   o u tp u t.  I f   th e  is o lat io n   lev el  f alls   o r   r is es,  th e  r o o t  m ea n   s q u ar e  ( r m s )   v al u e  s h o u ld   r is e  o r   f all  d ep en d   o n   th e   is o latio n   le v el.   I n   s eq u en ce   o f   th a t  th e  p o w er   b alan ce   w ill  b e  p r o tec ted .   I t  is   th e  r o le  o f   th e  v o lta g e  co n tr o l  lo o p   to   k ee p   b alan ce   b et w ee n   t h e  D C   o u tp u t  o f   th e  P V  p an el  an d   t h e  o u tp u t  o f   t h e  in v er ter   i n   t h e  AC   n et w o r k .   A   r is e  in   t h e  o u tp u t p o w er   f r o m   th e  s o lar   p an els  m a k es a n   i n cr ea s e  in   th e  D C   b u s   v o ltag e  w h ic h   w il l  m ak e   a  r is e  in   t h e       .   T h is   w ill  l ea d   th e  r m s   v al u e  o f   th e            to   in cr ea s e  r esu lti n g   i n   th e  r m s   o f   th e  in v er ter   o u tp u t  cu r r en t          as  it  f o llo w s           .   T h e  r is e  in   th e  i n v er ter   o u t p u t  cu r r en t  s to r es  b ac k   t h e  b alan ce   o f   th e   p o w er   b et w ee n   t h e  DC   o u tp u t   p o w er   o f   t h e  P V  p an els  a n d   t h e  A C   o u tp u t  p o w er   o f   th e  i n v er ter .   So   th e  tar g et   o f   th e  v o ltag e  co n tr o l lo o p   is   to   k ee p   p o w er   b alan ce   b et w ee n   th e  t w o   o u tp u t s .   I n   th is   tech n iq u e  u s es  m ax im u m   p o w er   tr ac k er .   T h e  m ax im u m   p o w er   tr ac k er   is   a  co n tr o l  lo o p   in   w h ich   th e  v o ltag e  co n tr o l  lo o p   tar g ets  f o r   b alan ce   b etw ee n   th e  DC   an d   th e  A C   o u tp u t.  T h e  m ax im u m   p o w er   tr ac k er   g o al  is   to   o p er ate  th e  s o lar   p an els  at  a  v o ltag e  lev el  th at  p er m its   m ax im u m   ex tr ac tio n   o f   p o w er   [ 3 8 ] ,   [ 3 9 ].   T h is   m eth o d   ex p lain s   th e  DC   o f f s et  co n tr o ller :  A s   th e  DC   o f f s et  s en s o r   is   b u ilt  f r o m   a  d o u b le  s tag e  R C   f ilter .   T h e  v o ltag e  ac r o s s   th e  r ip p le  f ilter   in d u cto r s   (     )   is   s en s ed   an d   f ilter ed .   I f   th e  DC   co m p o n en t  in   th e  in v er ter   cu r r en t  w as  co n s tan t,  th e  DC   o u tp u t  v o ltag e  s h o u ld   b e  eq u al  to   I R ,   w h er e  R   is   th e  r esis tan ce   o f   th e  tw o   s er ies  co n n ec ted   in d u cto r s   an d   I   is   th e  DC   co m p o n en t  o f   th e  cu r r en t.  T h is   v o ltag e  k n o w n   as        in   Fig u r e  1 8 .   T h e  f ilter   o u tp u t  is   f ed   to   a  p r o p o r tio n al  in teg r al  ( P I )   co n tr o ller   w h ich   h as  i n p u t  r ef er en ce   eq u al  to   ze r o   [ 3 8 ] .   T h e  co n tr o ller   o u tp u t  w as  p u tin   s u ch   a  w ay   s o   as  to   ca u s e  V 0  w h ich   is   th e  m ea n   v alu e  o f         to   m o v e  d o w n   to   ze r o .   T h e  in teg r al  ac tio n   o f   th e  DC   o f f s et  co n tr o ller   is   to   m ak e  s u r e  th at  V 0   is   eq u al  to   ze r o   at  s tead y   s tate.   T h e  DC   o f f s et  co n tr o ller   n ee d s   s o m e  r eq u ir em en ts   to   b e  ca r ef u lly   d esig n ed :    1.   I t sh o u ld   n o t g et  in v o lv ed   w ith   th e  o p er atio n   o f   th e  o th er   co n tr o l lo o p s   an d   v ice  v er s a.   2.   I ts   d y n am ic  r esp o n s e  m u s t  b e  r ea s o n ab le.           Fig u r e  1 8 .     DC   o f f s e t se n s o r   b lo ck   d iag r a m       T h e  d esig n er   o f   t h e  D C   o f f s et  s e n s o r   h as   to   c h o o s e  v alu es  f o r   th e   p ar a m eter s   o f   t h at   s e n s o r   to   m ai n tai n   t h e  d esi g n   r eq u ir em en ts   a n d   s p ec i f icatio n s .   R esis ta n ce   ( R )   co u ld   b e  j u s t   th e  i n h er en t  s er ies   r esis ta n ce   o f   t h e  i n d u cto r s .   Al th o u g h ,   it  is   f o u n d   t h at   th is   f o r   r esis ta n ce   i s   to o   s m al l  t h e  o p er atio n   o f   t h e   DC   o f f s et  co n tr o l  lo o p ,   s o   a d d itio n al  r esis ta n ce   co u ld   b e  ad d ed   b u t  w ill  lead   to   an   in cr ea s e  i n   th e  p o w er   lo s s   [ 3 8 ] .   T h er e  ar e  tw o   m a in   co n ce p t s   f o r   th e  DC   o f f s et  co n tr o ller :   1.   Su f f icien tl y   d a m p ed   o u tp u t r e s p o n s e.     2.   T h e  f r eq u en cy   co m p o n en t  s h o u ld   r ea ch   th e  m ax i m u m   v alu e  in   its   o u tp u t sig n al.   T h e  co n clu s io n   f o r   th is   tech n iq u e  is   th at  th er e  is   a  s im p le  f ee d b ac k   s y s tem   h as  b ee n   p r esen ted   to   r ed u ce   th e  DC   o f f s et  f r o m   th e  o u tp u t  o f   a  s in g le  p h ase  g r id - co n n ec ted   in v er ter .   DC   o f f s et  g et  m o n ito r ed   b y   s en s in g   th e  v o ltag e  ac r o s s   th e  r ip p le  f ilter   in d u cto r .   T h e  DC   s ig n al  is   k n o w n   b y   u s in g   th e  tw o   s tag e  R C   f ilter in g .   T h e  co n tr o ller   u s ed   is   th e  P I   co n tr o ller   w h ich   p er f o r m s   v er y   s atis f ac to r ily   an d   its   co m p o n en ts   co s t  ar e  v er y   lo w .   A lth o u g h ,   w h en   th is   tec h n iq u e  is   u s ed   p r ac tically   th er e  is   s m all  DC   o f f s et  r em ain s   w h ich   lead   u s   to   f o u n d   a  b etter   s o lu tio n   co u ld   h av e  b etter   r esu lts   th an   th at  o n e.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.