Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   3 ,  Septem be r 2020 , pp.  1368 ~ 1378   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 3 . pp 1368 - 1378          1368       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Des i gn a nd analy sis of  a novel  quasi  Z  s ource bas ed  asymmet ric  multile vel i nvert er for P V applic ations       Deep a  S ankar , C A B abu   Depa rtment  o f  E le c tri c al E ngin eering,   Schoo l  of   Engi ne eri ng,   Co chi n  Univ ersit y   of  Scie n ce a nd   T ec hnology ,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   M a r   18 , 201 9   Re vised  Oct   2 2 , 2 01 9   Accepte d  M ar   24 , 20 20       A  novel   Quasi  Z  source   (QZS)   base d  As ymm e tri c  Mul ti l eve l   I nver te r   for   Photovolt aic   ap pli c at ion   is   pr oposed  in   th is  pap er.  I t  con sists   of  an   Impe dan ce   sourc e - base d  dc - dc  co nver te r and  As ymm et r ic   Mul ti l e vel   Inve r te r   (AM LI) .   QZS   net work  ca n   bu ck/ boost   the  in p ut  DC   voltage   e li m ina t ing   sepa rate  DC - DC  boost  conve r te r .   MLI  topo logy  with  red uc ed  sw it ch es  and   DC  input  provid e  h igh   quality   o utput  with   l arg e   le ve ls.   DC  inpu t   m agni tud e   of  the  inve r te r   i s  base d  on  an  a lgori thm.  The  sys te m  ensure s  h igh  voltage   gai n,   low  sw it ch ing  stress,  l esse ned  gate  ci rcu it r y,   high  r eliability  and  be tter   har monic  profi l e.   Low  THD  val ues  ensur es  re duce d  fi lter  siz e   and  hen ce  cost.   The  th eor etical  conc ep ts  an d  par am e te r   desi gn  of  the  proposed  topo log y   is  illus tra t ed  i n  detail.   The  per for m ance  ana lysis  is  ver ifi ed   usin g   Matl ab/ Si mul ink   envi ron me nt .   Ke yw or d s :   Asymmetric   m ulti le vel inv e rter   DC - DC con vert er   Im ped a nce s ou rce   Qu asi Z  s ource  netw ork   Total  h a rm onic  d ist ort ion  (THD)   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Deep a  Sa nk a r ,    Dep a rt me nt of  Ele ct rical  En gi neer i ng,   School  O f  E ngineerin g,    Cochi n Un i versi ty of  Scie nce  and Tec hnolog y , I nd ia .   Emai l:   neenusa nk a r@gmail .c om       1.   INTROD U CTION   Re new a ble  po wer  ge ne rati on  has   witnesse d  it s  la r gest  e ve r  gro wth  wit h  a   global  a ddit ion   of  181  gig a watt s  ( GW)  in  t he  ye ar  2018,   total li ng   t he  ca pacit y  to  2376G W.  S olar  ph otovo lt ai c  (P V )  in sta ll at i on  has   sh ow n  a  c onsist ent  grow t h  w it h  an   a ddit ion  of   10 0GW   a c countin g  f or  55%   sh a re   am ongs t   oth er   ren e wab le s   [1].  F or  ren e wab le   e nergy  harvesti ng   an d  gri d  i ntegr at i on,  pow er   el e ct ronic  c onve r te rs  play   a   ke y  r ole.  M ulti le vel  in ve rters  ( M L I)  pro ves  to   be  t he   best  ch oice  f or   Photo volt ai c  energ y  co nv ersio n  s ys te ms   [2 - 3 ].  Ty pes  of   M L I’s  with  c ontr ol  and  ap plica ti on  hav e   bee n  a ddresse d  in   m any  li te ratur es [ 4].Th e y  play   a   majo r  ro le   in  ren e wa ble  ene rgy  ba s ed  m od e r n  po wer   s ys te m  a ppli cat ion s  incl ud i ng   High  V oltage  Di rect  Current  (HVD C )  tra nsmi ssion,Fle xi bl e  AC  T ran s missi on  S ys te ms  ( FA CT S) , Un i fied  Powe r  Fl ow  Co ntr ollers   (U P FC), Acti ve   filt ers, S olid   S ta te   Tran s f or m ers  (S ST )  a nd  comme rcial   a nd  in dustria l  a ppli cat ion s    s uc h  as   conve yors,r olli ng  mil ls,mi ne  ho ist s, mari ne  pro pulsi on,m otor d ri ves   f or  tra ct ion , M a gn et ic   Re sona nce I m agin g  Sy ste m  (MRI ) e tc  [ 5 - 6].   M L I’ s   synt hes iz e  mu lt il evel  ou t pu t   volt age   f rom  diff e re nt   com bin at io ns  of  i nput  DC  so urces   an d  switc hes.  T he  N  le vel  ou t pu t   wa vefo rm   has   imp rove d  ha r monic  prof il e,   high  e ff ic ie nc y,  re duced   s witc hing   loss,less  dv / dt  stress  an d  be tt er  el ect ro m agn et ic   co m pa ti bili ty[2 ,  7]. M ulti le vel  co nv e rters  a re  mainly  cl assifi ed  int o  three   cl assic   structu res  : Ne utral  P oin t  Cl ampe d  [8], Fl yi ng   Ca pacit or  [9]  a nd  Ca sca ded  H  Bridg e   [ 10]. B ut   la rg e num ber of  po wer  d e vices  an d  relat ed  dr i ve  ci rc uitry makes   the  s ys t em  m or e   co mpl ex  at   higher   le vels   [ 8].Amo ng  the   cl assic al   struct ur es ,  Ca sca de d  H  B rid ge  Mult il evel  I nv e rter( C HBM L I)  needs   relat ively  s mal l  num ber  of  powe r  el ect r onic   co mpo nen ts   to  ac hieve   m ore  le vels  at   ou tpu t[ 4].CHB   pe rmits  diff e re nt  val ue s  of  in put  DC   s ources  a nd  it   c an  be   a dd e d  or su bt racted  t o  ge t  more  le vels  at  the  out pu t m akin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Desig n a nd an alysis of  a n ov el  q uasi  Z  Sou r ce b as e d asymmet ric  mult il evel …  ( Dee pa Sa nkar )   1369   it   app r opriat e  f or   PV   a ppli cat ion s  [2 ,  11 ].M any   ne wer   t opologies  inclu di ng   3  le vel  act i ve  N PC  ( 3L - A NP C) ,     3  le vel  FC, 5  le vel  H  br i dg e  N PC,NP C - CHB, M od ular  Mult il evel  Conve rters  ( MMC), P2   t opolog y  a nd  5  le vel  act ive  NP C  (5L - A NP C )  ha ve   made  t heir  way   t o  in dustr y  [ 4]. I n  a dd it ion,ma ny   m odul at ion   meth ods   su c h  as   carrier   base d  Sinu s oi dal  P ul se  Width  Mo du la ti on   (SP W M ),Space   V ect or  M od ulati on(SV M )   a nd  co ntr ol  strat egies  s uch  as  M odel   pr e di ct ive  con t ro l,   Vo l ta ge   O rient ed  C on tr ol  (VOC),   sli ding  m od e   co ntr ol  et c   were  dev el op e d  t o  cat er  la rg e   nu mb e r  of   M L I’s  [ 4 - 5].  CHB M L I’ s  a re  ma inly  cl assifi e d  as  s ym met ric  an d  asym metri c  de pendin g  on   the   ma gn it ud e   of  input  DC  volt age  source s  [12 ].  S ym metri c   t opolog y  offe rs   hi g h  modu la rity.  Bu t  la rg e  num ber  of   s witc hes  in  the  ci rcu it   res ul ts  in  increased   cost  an d  co mpl exity.  As ymm et ric   config ur at io n  needs  le sser   num ber  of  ci rc ui t  el ements,  but  diff e re nt  in put  DC  ma gnit ude  make s  it s  pr act ic al   impleme ntati on   m or e  c omplex  [ 2].  M a ny   modifie d  t opol og ie s  for  sym metri c  an d  as ym met ric  mu lt il evel   inv e rters   are   a vaila ble  i n  t he   li te ratur e   [13 ,  14 ].  T he  DC   in pu t   s ources   are   base d  on   bi nary   an d  tr inar y  arr a ng e ment . An  alg or it hm i s u ti li zed to det ermine  the  dc  i nput ma gnit ud e [ 14].   Vo lt age   S o urc e  I nv e rter  ( VSI)  is   a  bu c k  i nverter   wit h  it s  peak  AC   outp ut  lo wer  tha n  t he  DC  in put  [15].  In  a  phot ovoltai c  syst em,  a   dc - dc  c onver te r   is  requir ed  betwee n  P V  panel   an d  th e  in ver te r   to   boos t   th e   dc  i nput  t o  the   in ver te r   [ 2].  T his  c onfig ur at i on  is  te r me d  a s  a  t wo - sta ge   s ys te m  w hich   r edu ce s  the   e ff i ci ency  and  i ncr eases   the  c omplexit y  a nd  c os t  [ 16 - 17].  Co nve ntion al   boos t   co nv e rter   is   ass ume d  to   hav e   i nf i nite  vo lt age   gain  a s  it s  duty   cy c le   can  be   va ried  betwee n  0  to  1.  But  t he   ci rcu it   par a sit ic   el ements  r est ri ct     the  vo lt a ge  gai n  [ 18 - 19 ].  T o  mit igate   the   dr awb ac ks  of  a   two - sta ge   s ys te m,  Im pe dan ce   so urce   ba sed   s ing le   sta ge  s ys te m  was  int rod uced  [2].   The  first  i mp e dan ce   (Z )  so urce  netw ork  wa s  intr oduc ed  by   F.Z .  Pe ng  [ 15] .   The  Z  s ource  con ce pt  is  pe rtinent  to  a ny   a c/ dc  powe r  co nv e rters .  It  is  a  two - port  network   with  L  a nd  C   com pone nts  a nd  util iz es  the  sh oot  th rou gh  s ta te   fo r   bo os ti ng  act ion  [ 2 ,  15] .  Z  s ource  i nverter   (Z SI)  ca n  be  Vo lt age   /  Cu r ren t  s ource   ty pe  [2]. Ba se d  on  ma gn et ic s   they   are   br oa dly   cl assi fied   as  tr a ns f orm er/n on  trans forme r  ba sed  [ 20] .No n  trans f or me r  bas ed  to po l og ie s  i nclu de  Z  s our ce  and   Q uasi  Z  Sour ce  t opol og ie s   .Tr a ns f ormer   c oupled   in cl ude   Y   s ource, Γ   s ource ,T  sour ce, TZ  s ource ,LC CT  Z   s ource,T ran s   Z   s ource   and  HF   trans forme r  is olate d  Z   s ourc e[20 - 22] . F our  qu a si  Z  s ource   inv e rters   ( qZ SI )   we re  pro pose d  in   [ 23]  t o  at ta in   const ant  in put  curre nt  an d  a   com mon  dc  rail   betwee n  t he  in put  an d  i nv e rter  br i dge   [2].   Lo we r  pa ssive   com pone nt r at i ng s  a nd r e du ce d  s ource  stress  are the  sig nific ant f eat ur es  of  qZSI c ompa re d  to  ZS I [2 ,  24].   A  nove l  QZS  base d  As ymm et ric  M ulti le ve l  I nv e rter   ( A MLI)   is   prese nted  i n  this   pa pe r.  It   is   a  sin gle  sta ge  M LI   str uc ture  for  a  gr i d  co nn ect e d  phot ovoltai c  sy ste m  w her e   the  c onve ntion al   dc - dc  c onve rter  ( boos t)   sta ge  is  el imi na te d  [ 2].  It  r ed uces  t he  num be r  of  po wer  co nv e rsion   sta ge s  the reby  im pr ov i ng  reli abili ty  of  the   sy ste m  [ 17] .  QZS   netw ork  with  a  pow er  semic onduct in g  switc h  ‘ M ’  for  DC - DC  powe r  co nversi on   was   introd uced  in   [ 23].  T hey  ca n  act   as  a   buc k/boo st   co nverte r  [25].  QZS  network  bo os ts   th e  dc   in put  to   pro vid e   it   to  the  m ulti l evel  in ver te r   [ 2 ,  26] .  It o f fers const ant  in pu t current w it h  hi gh  volt age g ai n  same   as  that of   a n  Z   so urce   ci rc uit.  Ca pacit or  vo lt age   stress   is   re du ce d  c ompare d  t o  ZS I  a nd   s har es   a   c om m on  gro und  betw een   the   inpu t  an d  out pu t  [ 27] .  A  si mp li fied  st ru ct ur e  of   casca de d  asy mmetric   mu lt il evel  inv erter  with  r e du ce d  switc hes  a nd   DC  sourc es  is  us ed  i n  the  ci rcu it   [ 2].  The  pro po se d  str uc ture  gen e rates  more  outp ut  volt ag e   le vels  with  re du ce d  i nput  s ources  a nd  po wer   se mico nd u ct ing  switc he s.  Al gebraic  s um   of   al l  the  po s sible  com bin at io ns  of  DC   in pu ts   are  util ise d  to   gen e rate  requi red  le vels   at   t he  outp ut  [ 12] .  P rop os e d  c onve rter  gen e rates   a  31 - le vel  ou t pu t   with   t he  D C  in pu t   pr ov i ded  from   a   Qu asi   Z   S our ce  net w ork  a nd  is     validat ed  u si ng M at la b.       2.   QZS BA SED  ASYM METR IC CHB  M ULTI LE VEL IN VERTER   Figure  1  sho w s  the  pro pose d  AMLI  str uct ure.  It  is  a  com bi nation  of  tw o  c onve rters:  Q ua si  Z  Sour ce  netw ork  a nd   A M L I.   T he  Qu a si  Z  Sour ce   Co nv e rter  (QSZC )  co ns ist s  of   a n  LC  netw ork  a nd   a   MOS FET   ‘M’.   The  re gula te d  QZS C  ou t pu t  i s  giv e n  as  in put  to  the  in ve rter  [ 2 ,  27].   QZ SC1  an d  QZSC 3  pro vid e  i nput ’s  to   AMLI  represe nted  as  V A1  a nd   V A2.Simil a rly  the   outp ut’ s  of  QZ SC2  a nd  Q ZSC4   is  re pr ese nted   as  V B1  an d  VB2 . Q uasi  Z  Sour ce   ci rc uit  com pr ise s   of  i nducto rs,  ca pa ci tors,  di odes  and  act ive   power  s witc hes   f or  eac h  input. T he L f - C f  filt er s moot hens the  outp ut  volt age  [2].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    13 68   –   13 78   1370       Figure  1. Pro pose d  Q ZS  base d AMLI       The   po wer  s w it ches  a nd  ci rc uit  el eme nts  a re  as sume d  t o  be   i deal  a nd  the  c onve rter   op e rates   in   ste ady   sta te .  P ulse  Wi dth   Modula ti on  (PW M )  is  pro vid e d  f or  the  s witc h  M   [ 16].  He r e  the  fir st  sta ge   deals   with the  ope rati on   of  Qu asi   Z  Sour ce  con ver t er (QZ SC) a nd  the  nex t  sta ge e xp la in s the  op erati on of th e  M L I:     2.1.   Analy sis of qu as i Z  s ou rce   c onverter   PV   pan el   or   a ny  dc  s ource  ca n  pro vide   inpu t  to  the  Q uasi  Z  Sour ce  netw ork.   F our  QZSC   networ ks   namely   Q ZSC 1 ,  QZ SC 2 , Q ZS C 3   and  QZ SC 4   are u ti li zed  to g ene rate  re quir ed  numb e r  of  outp ut  volt age  l evels.   Let   V PV1 ,  V PV2 ,  V PV3   an d  V PV 4  pr ovides  t he  DC  in pu t  to  ea ch  Q ZS  netw ork .  Each  QZ S C  has  tw o  ope rati ng  modes  viz.  Mo de I a nd Mo de II [ 2] .   2.1.1.   M ode  I   Con si der  the   Q uasi  Z   S ource   conve rter,   Q Z SC1.Du rin g  m od e   I ,  Mos fet  ‘ M 1’   is  ON  a nd  di od e   D1  is   OF F .  T he  dc  i nput  V PV1   an d  the  ca pacit or  vo lt age   V C12   mag netiz es  th e   inducto r  L 11 . The  i nducto r  L 12   gets  mag netiz ed b y t he  capa ci tor v oltage  V C11  [2]. The  con ver te r   op e rates as  d e pi ct ed  in Fi gure  2.           Figure  2. QZ S C 1   op e rati on  duri ng Mo de I       2.1.2.   M ode  II   Figure  3  s how s  Mod e  II   op e r at ion .  Durin g  M ode  II ,  Mosf et   ‘M ’  is  OF F  and   t he  di od e  ‘D1’   is  ON   [2].  Th e   DC  i nput V PV1   an d  t he  in duct or’s   L 11   and  L 12   s uppl ie s  energy  to  t he  resist ive  loa d  R.   Ca pacit or C 11   is  charge d  by  V P V1   and   L 11   an d  C 12   is  char ge d  f rom  L 12 .  Boo ste d  outp ut  vo lt age  from  t he  QZ S  base d  dc - dc   conve rter  is  pr ov i ded   as  dc  li nk   volt age  to  the  m ulti le vel  i nv e rter.  DC  li nk  volt age  balance  is  a  toug h  ta sk   f or   a grid c onnecte d ML I. N ume r ous  vo lt a ge  c on t ro l st rategies a re m e ntio ned in the  li te ratur e   [2 ,  4] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Desig n a nd an alysis of  a n ov el  q uasi  Z  Sou r ce b as e d asymmet ric  mult il evel …  ( Dee pa Sa nkar )   1371       Figure  3. QZ S C 1   op e rati on  duri ng  m od e   II       2.2.   Analy sis of A MLI   Asymmetric   M ulti le vel  Inv erter  (AML I)  f or m s  the   ne xt  sta ge   of  the  propose d  sy ste m  [ 2].    To   ge ne rate  ‘ m’   le vel   outp ut,  co nventio na l  str uctur e   ne eds   2(m - 1)   sw it ches.  ‘m ’   re pr ese nts   the   le vels  at     the  out pu t.   T o  ge ner at e  31  l evel  ou t pu t, 60   switc hes   a nd  15  DC  s ourc es  are   re qu i re d  for  a   co nve ntion al   sy ste m.   T his  increases   the  siz e  an d  c os t   of  the   syst em  re duci ng  t he  e ff ic ie nc y  and  reli abili ty   of  the     sy ste m  [ 17].   Fo r   opti mizi ng  the   pe rfo rm ance  of  the  c ircuit ,  a  ge neral iz ed  31  le ve l  M L I  to pology  is     consi der e d he r e [ 12].   The  d ia gr a m  of  t he A M L I  is  pr ese nt ed  in  Fig ure  4.           Figure  4 .   Ci rcui t diagr a m  of AML I       H  br id ge  c ons ist s  of   te n  MOSFE T’s   an d  four  dc   in pu ts   pro vid e d  fro m  QZ SC  [ 2].  Sw it ches  i n    the  same  le g  a r e  no t  tu rn e d  on  simulat ane ou l sy   to  a vo i d  sho rt  ci rcu it .  A n  a lgorit hm   decid es  the  mag nitu de  of   the  DC   sour ce s.  S upply  volt a ge   po la rity  is  a   sign i ficant  fac tor  i n  gen e rati ng  re quired   le ve l  of  outp ut  volt age.  Thirty - on e  le ve l  is  ob ta ine d  a t  the  outp ut  of  the  in ver te r   by  diff e re nt  co mbi nations   of  in put  dc  [ 2] .   I n  ge ner al ,   if  ‘ N’   re pr ese nt s  the  nu mb e r  of   DC  s ources   in  each   le g,  th en   2N  is  the  t ot al   nu m be r  of   dc  s ources  a nd   4N+2   is  the  t otal  nu mb e r  of  M O S FET’s  [ 2 ,  12].  N umber   of  outp ut  vo lt age   l evels  a nd  it s  pe ak  value   is  gi ven  by   equ at io ns [ 2 ,   12] ,     21 21 N L N + =−   (1)   O M A N B N V V V =+   (2)     V OM   is t he o utp ut  volt age  pea k  a nd V AN   /V BN   is t he H Bri dge in put v oltag es.    M O SFET ’s  use d  in  the  ci rcu i t  are  SA1,  SA2,  S A 3,   S A 4,   SB1,   SB 2,   SB3,   SB 4,   Si  a nd   Sj.  Si  an d  Sj   sh oul d  not  be   tu rn e d  on   simult ane ously.   Table  1  sho w s  the   s witc hing  sta te s,   DC  so urces   util iz e d  a nd     the co rr e spo nding   outp ut leve ls. Cal culat ion  and sw it c hing  sta te s o f  only  s even le vels is  presente d here .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    13 68   –   13 78   1372   Table  1: Volt age levels  and s witc hing stat es  of the  Q Z SC - AMLI   Vo   SA1   SA2   SA3   SA4   SB1   SB2   SB3   SB4   Si   Sj   DC So u rces used   0   0   1   0   1   0   1   0   1   0   1   0   1   1   0   0   1   0   1   0   1   0   1   VA1   2   0   1   0   1   1   0   0   1   0   1   VB1   3   1   0   0   1   1   0   0   1   0   1   VA1  +  VB1   4   0   1   1   0   0   1   0   1   0   1   VA2   –   VA1   5   1   0   1   0   0   1   0   1   0   1   VA2   6   0   1   1   0   1   0   0   1   0   1   VA2  +  VB1   –   VA 1   7   1   0   1   0   1   0   0   1   0   1   VA2  +  VB1       The ma gnit ude  of the  D C  sou rces  of the  QZ S b as ed  AML I i s obtai ned f rom the e xpres sion [ 2] [1 2] ,     1 , 5 K A K d c VV − =     (3)   1 , 25 K B K d c VV − =   f or   K= 1,2,3… n   (4)     DC li nk  vo lt ag e magnit ude  of the circ uit can  also  be rep res ented  a s [2 ][12],     11 A P V VV =   , 12 2 B P V VV = , 23 5 A P V VV =   , 24 10 B P V VV =     (5)       3.   CIRC UIT  DE SIGN   This  sect io n  de scribes  t he  de sign   of   netw or k  pa ramete rs  L  an d  C  base d  on   t he  ope rati ng   pri nciple   exp la ine d  in  s ect ion   2.  Co nsi der   t he  desig n  of  QZS C 1.   F or  a  QZS C,   th e   netw ork   pa ra mete rs  L 1 =L 2 = L  an d  C 1 =C 2 =C .  DT S   be  the  ON   t ime  of   t he  s w it ches  (1 - D)   T S  be  the  O FF  ti me.  D  denot es  the  duty  ra ti o  of     the  s witc h.  Th e  ti me  integ ral  of  the  i nduct or  volt age   over   a  com plete   cy c le   is  assume d  t o  be  zer o  i n  st eady  sta te  [ 2]. T he v o lt age ac ro s s t he  ca pacit ors  V C11   an d V C12   can  be  e xpress ed  as ,     1 1 1 1 ( 1 ) ( 1 2 ) C P V P V D V V V B D − = = −     (6)   1 2 1 1 ( 1 ) ( 1 2 ) C P V P V D V V V B D = = − −     (7)     Gain o f  the  conv e rter  or Bo ost  f act or ( B )  is  giv e n by [ 2],     ( 1 ) ( 1 2 ) O PV V D B VD − == −   (8)     The  a ver a ge  v a lue of  outp ut  volt age,     0 ( 1 ) ( 1 2 ) PV D VV D − = −     (9)     QZS   pro vid e s  a posit ive  boost  v oltage  if  0< D<0.5  and a  n e gative  vo lt a ge wit h 0.5<D< 1 [2].   Ind uctor cu rr e nt ,       11 ( 1 ) ( 1 2 ) O L ID I D − = −     (10)     wh e re  I L11  = I L1 2  = I L    an d V L1  = V L2  =  V L      Ind uctance  L i s g i ven  by t he e qu at io n bel ow,   w he re f s  -   s witc hin g f reque nc y  in  H e rtz [ 2 8 ],   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Desig n a nd an alysis of  a n ov el  q uasi  Z  Sou r ce b as e d asymmet ric  mult il evel …  ( Dee pa Sa nkar )   1373   2 12 ( 1 ) 0 . 2 ( 1 2 ) PV OS V D L L L D P f D − = = = −   (11)     Larg e   in du ct or  current  rip ple  will   increase  st ress  on   s witc h  and   di od e .  Ge ne rall y,   rip ple  is  cal culat ed   us in g  t he  e xpre ssion [ 2 9 ],     % L L L I X I =   (12)     wh e re  X L   repre sents the  all owed ri pple  curre nt which  r a nge s b et ween 1 5%  to 40%  [2 ].       2 L f DR L f , L f   - filt er ind uc ta nce   (13)     Inver te r’ s  ou t put  volt age  ri pple   and   c urren t  rip ple  is  absor bed   by  capaci t or s  C 1   a nd   C 2 .  The  volt age   rip ple is ass ume d  to  b e  li mit ed  to  3%  of  t he peak  po wer [ 2 8 ] . Capacit a nc e ex pr es sio n  is  giv e n by,     12 2 0 .0 3 O P V D C S PD CC V V f  ==   (14)       4.   SIMULATI O N RESULTS     M at la b/Sim ulink  is  util iz ed  to  anal yze  t he   operati ng  pri nciple  of  the   pro po se d  t opol ogy.  Let   the   powe r  rati ng  of  the  co nverter   be  500Wat ts  [ 2].  The  mag nitud e s  of  the  dc  li nk   volt ages  a re  16V ,32 V,80V  a n d  160V  for  V A1 ,   V B1 ,  V A2  an d  V B2   res pecti vel y.  The   s witc hi ng  f re qu e nc y  f or  the   A M L I  is   ta ke n  as   20kH z  with  a resisti ve  l oad  of  100  Ω . S im ulati on   pa rame te rs  are  provid ed  in  Ta ble 2.       Table  2: Co mpon e nt  values  used  for  sim ulati on   Com pone nts   QZS C 1   QZS C 2   QZS C 3   QZS C 4   L ( m H )   0.018 9   0.073 4   0.394   1.576   C (mF )   1.38   1.031   0.211 6   0.052 9   V PV  (V)   12   12   24   24   L f  (m H)   0.002 5   0.019 6   0.131   0.526   C f  (mF )   1.38   1.031   0.211   0.052 9     The o utput v ol ta ges of   QZ SC’s a re  giv e n  in   the Fig ures  (5) - ( 8).           Figure  5. O utput v oltage  of  Q ZSC 1       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    13 68   –   13 78   1374   Figure   5  s how s  the   ou t pu t   volt age  of  Q ZSC 1 .D C  i nput   V P V1  =12V   [ 2].  A   sam ple  cal cul at ion  of  t he   simulat ion pa r amet ers fo r QZ SC 1   detai le d  i n sec ti on 3 are  a s foll ow s:     Ca se 1:   V PV1  = 12V ,   V A1   = 16V   Fr om E qua.  ( 8), Boost  factor i s g i ven by t he e xpressi on,     16 1.33 12 O PV V B V = = =   (15)     Also   ( 1 ) ( 1 2 ) D B D − = − , he nce  D utyrat io   D  =  0.198     ( 16)     Fr om  (11 ),   2 1 1 1 2 3 1 2 ( 1 0 . 1 9 8 ) 0 . 1 9 8 0 . 0 1 8 9 0 . 2 5 0 0 2 0 1 0 ( 1 2 0 . 1 9 8 ) L L L m H − = = = = −     (17)     Using  (14),   11 12 3 2 50 0 0. 19 8 1. 38 0. 03 12 19 .8 6 20 10 C C C m F  = = = =     The val ue  of L f   can  be  cal c ula te d  usi ng (1 3)  as foll ows:       3 0 . 1 9 8 0 . 5 1 2 0 . 0 0 2 5 2 2 2 0 1 0 L f DR L m H f    (18)      Same  ste ps  to  be   f ollow e d  f or  c al culat ing   t he   simulat io n  pa ramet er s   f or  Q ZSC 2,     QZS C 3  a nd QZSC 4.           Figure  6. O utput v oltage  of  Q ZSC 2       Ou t pu t  wa vefo rm  of  Q ZSC 2   is  show n  i n  Fi gure  6.  DC  i nput  from   the   PV   s ource   is  V PV2   =1 2V.   The  dc  outp ut  vo lt age   is  boost ed  to   V B1 =  32V   with   duty   rati o  D=0.2 84.   The   w a vefo r m  s hown  in   Fi gure  7   represe nts  the  Qu asi   Z  s ourc e  conver te rs  outp ut  w hich  ac ts  as  the  DC  li nk   i nput  to  A M L I  with  V A2  =  80V   with  du t y rati o D=0 .38 6.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Desig n a nd an alysis of  a n ov el  q uasi  Z  Sou r ce b as e d asymmet ric  mult il evel …  ( Dee pa Sa nkar )   1375       Figure  7. O utput v oltage  of  Q ZSC3,  V A2 = 80V wit h D =  0.3 86       Figure  8  re pres ents  the  volt ag e  outp ut  of  Q Z SC4.It   act s  as  i nput  dc  li nk  vo lt age  to  the  A M L I,   V B2  =  160 V  with  duty  rati o D=0 .41 1.           Figure  8. O utput v oltage  of  Q ZSC4,  V B2 = 160V w it h D  =  0.411       M O SFET   ‘ M ’   is  con t ro ll ed  by   PWM  a nd  the  switc hi ng   functi on  is  ge ner at e d  usi ng  M at la b  [2] .   Q ZSC   is  pro vi ded  with   duty   rati o  D 1=0.19 8,  D 2= 0.284,  D3 = 0.3 86  a nd  D4 = 0.4 11.  M L I  is   fe d  with  re gu la te d   dc  outp ut  of  Q ZSC.  The   ou t put  vo lt age   of  t he  M L I  is   generate d  by   ap pl ying  t he  switc hing  sta te s   in   pro per   seq uen ce . F i gure  9  re presents   the g at e  sig nals to  t he MOSF ET.           Figure  9. MOS FET s witc hing  sig nals   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    13 68   –   13 78   1376   The  s witc hes  are  tu rn e d  on  in  pro pe r  se quence  as  pe r  th e  switc hing  se qu e nce  giv e n  in  Table  1.   Pr ope r  ca re  s houl d  be  ta ken  su c h  that   no ne   of  the   s witc he s  in  t he  sa me   le g  c onduct s  t og et her  as  t he y  m ay  destr oy   t he  swi tc h.   Fig ure  10  sh ows  31  le vel   ou t pu t  of   M LI .A lge brai c  co mb inati on  of   t he  dc  i nputs  ge ner at e   require d  ou t put  vo lt age   le vel  [2].   It  ge ne rates  31le vels  with   posit ive,  neg at ive  an d  ze ro  va lues  [ 2].  T he  outp ut   vo lt age  mag nit ud e  is  240V.  I t  sh ows  im pro ved   powe r  qua li ty  with  low  THD   of  2.9 3% .  The  c urre nt   ou tp ut  sh ows  a sin uso idal sha pe [2 ].           Figure  10. O utp ut  volt age  of  AMLI           Figure  11. L oa d  c urren t  wa ve form o f AMLI  for  R l oad       Figure  11  sho ws  the   loa d  cu rr e nt  wa vefo r m  with  R  l oa d.  The  fo ll owin g  fig ur es   re pr es ents  ha rm onic   sp ect r um   of   outp ut  volt age  and   c urre nt  with  TH D V  =  2.93%  an d  TH D I  =2. 9% .  The  wav e f or m s  are   near ly   sinu s oid al   with  low T HD  t hereby re duci ng f i lt er r eq uire men ts an d hen ce  cost .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Desig n a nd an alysis of  a n ov el  q uasi  Z  Sou r ce b as e d asymmet ric  mult il evel …  ( Dee pa Sa nkar )   1377       Figure  12. O utp ut  volt age  Ha rm on ic  s pect rum           Figure  13. O utp ut c urre nt H a r monic s pectr um       5.   CONCL US I O N   A  ge ne rali zed  Qu asi   Z  S ourc e  As ym met ric  M ulti le vel  I nv erter  is  propos ed  in  t he  pap e r .  The   ci rcu it   desig n,   a naly sis  an d  sim ulati on   res ults  are  pr esented  i n  detai l  to  validat e  th e  topolo gy.  QZ S  netw ork  pro vid es   input  DC  t o  a sy m metri c  31  le vel  in ver te r  structu re.   T he   ci rcu it   e xh i bits  hi gh  vo lt ag e  gain   an d  co nti nuous   input  c urre nt  li ke   co nventio na l  QZ SI .   Lar ge   ou t pu t   le vel   is  achie ved  wi th  reduce d  nu mb e r  of  s witc hes   an d  input  source s.  It  featu res   lo w   switc hing  los s es  an d  re du ce d  dv / dt  stress.  High  qual it y  outp ut  with  lo w   THD   enab le s  l ower   filt er  re qu i re ments.  Pro per  DC  li nk  vo lt age  c on t ro l  s houl d  be  prov i ded  f or   t he  pract ic al  app li cat io n  of  t he  ci rc uit  as  di ff e ren t  in put  s ources  may  i ntrod uce  po we r  i mb al anc e  in  t he   ci rcu it .  Co nti nuous  input  an d  ou tpu t  cu rr e nts   ensures  bette r  co nv e rter  performa nce  making  it   su i ta ble  for  Re ne wab le     energ y  a pp li cat ion s .       REFERE NCE S   [1]   REN21  Rene wa ble s  2019:   Glob al   Stat us  R eport ,   (Paris:   REN2 1  Secr etari at ),   2 019 .   htt ps: // ww w.re n21. n et /wp - cont en t/ uplo ads/ 2019/05/ gsr_2019_full_re por t_e n . pdf   ( ac c essed  1 4  Februa ry   2020 )   [2]   D.Sanka r,  C. A .   Babu, "D esign  a nd  an al ysis  of   I mpe dan ce  Sourc e  b ase d  As ymmetric  Inv erter  fo r   PV   Appli ca t ion ",  Inte rnational   Jo urnal  of Engi ne e ring a nd  Ad vanced  Techno logy ,   vol. 9,   no.   1,   pp. 1 593 - 1599,   2019   [3]   O.  Hus ev,  F.   Blaabje rg ,   C .   Roncero - Cle m ent e ,   E.  Rome ro - Cad aval,  D.  Vinn ikov,  Y.   P.   Siwakoti  a nd  R.   Strz el e cki,   "Compa rison  of   Impe d ance - Source   Networks  fo r  Two  and   Mult il ev el  Buck – Bo ost  Inve rt er   Applicati ons , "   IE E E   Tr ansacti ons on Power  E le c troni cs ,   vol .   31 ,   no .   1 1,   pp .   7564 - 757 9,   2016 .   [4]   J.  Rodriguez,  J.  S.  Lai,   and  F .   Z .   Peng,   “Mult i le v el   inve rt ers:  A  s urve y  of  topol og ie s,  cont rols ,   ap pli c at ions, ”  I EEE   Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s ,   vo l. 49 ,   no . 4,   pp.   724 – 738,   2002.   [5]   S.   Kouro,   et   al . , "Rec ent   adva n c es  and  industri a l  applic at ions  o f  mul t ilevel  con ver te rs" ,   IEEE  T rans act ions  on   Industrial  E le c tronic s ,   vo l. 57, n o.   8 ,   pp .   2553 - 2 580,   2010 .   [6]   Mahdi  Vij eh,  Mohammad  Re za n ej ad ,   Em ad   Sam ada e i,  Kent   Bertilsson.  " A  Gen er al   R evi ew   of  Mu lt ilevel  Inv ert ers   Based  on  Main   Submodule s:  Str uct ura l  Point  of   View ",   IE EE   Tr ansacti ons  on  P ower  El e ct roni c s ,  vol.  34,   no .   1 0,   pp.   9479   –   9502 ,  2019   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.