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.  1406 ~ 1414   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 3 . pp 1406 - 1414          1406       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Harmon ic minim izat i on o f a singl e - phase a symmetr ical TC HB  multile vel i nvert er base d on ne arest le vel  contr ol m ethod       Wail Ali   Ali S aleh, Nur ul Ai n Moh d Said,   Wah id ah A bd  Ha li m   Facul ty   of Electr ic a l  Eng ineeri ng ,   Univer si ti T ekn ika l   Mala ysi a  M el ak a, Ma la ysi a    Cent er   for  Robo t ic s &   Industri al   Automa ti on ,   Uni ver siti   Te kn ika l   Mala ysia   Mel ak a,   Ma la ysi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Feb   7 , 2 0 20   Re vised  M a r   6 ,  20 20   Accepte d  A pr   19 , 20 20       Multi le v el  inv erters  ar e  g ai ning   s pec i al  intere st   a mong  res ea rch er s  and  in  the  industry  due  t o  the ir  wid espre ad  app licatio ns  and  nume r ous  me rit s.   Obtai ning   high   q ual it y ,   mor e   reli abl e   outpu t   whil e  using   a   red u ced  numb er   of   el e ct roni c  co mp onent s  is  th e  m ain   purpose  of  mo st  of  the  rese a rc h  conduc t ed   in  th is  are a   of   st udy.   The  purpos e  of   th is  study   i s  to   appl y   th e   n ea rest   l evel  cont rol   (NLC)  me thod   to  a  13 - le ve l  tr ansistor - cl a mpe d  H - br id ge  (TCHB)   inve rt er  with   un equa l   DC  voltag e  suppli es.   Th e  NLC  me thod   op era t es  at  th e  funda me n ta l   fr e quenc y,   thus   re duci ng   sw it chi n g  losses,   and   c a n  red u ce  th e   har monic  con tent  significan tl y.   The   adopted  m ult ilevel  inv ert er   consists  o f   two  TCHB  c el ls   supplie d   with  t wo  asymm e tri c a l  DC  input  sour ce s  with   a  volt ag e  ra ti o   o f  1: 2.   Thi s   str uct ure   red u ce s   the  numbe r   o f  elec tron ic   com ponen ts,  an d  the   asymmetry   in  th e  DC  inpu t   volt ag es  resul ts  in  a   high er   numbe r  of  le ve l s.  The   adopt ed   topol ogy  and  its   proposed  control  method  were   si mul a te d   i n  Matlab/Sim u link,  and  the  sim ula ti on   r esult s  w er e   ver if ie d   through  exp eri m ent s  using  an   Al te ra   field - progra mm able  g at e   arr ay  (FP GA )  boar d.   The   r esu lt s  show ed  that   the   topol ogy  a nd  it s  con trol   me thod  are  eff icient  in  ob tai ning  a   high - qua l it y   output  with   a n  i mprove d   to ta l   har moni c   distort ion (THD).   Ke yw o rd s :   Asymmetric al   topolo gies   M ulti le vel in ve rter   Near est  le vel c on t ro l   Total  h a rm onic  d ist ort ion   Transi stor - cl ampe d H - br i dg e   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 :   Nuru l  A i n Mohd Said ,    Faculty  of Elec tric al  Engineer ing ,   Un i ver sit i Te knikal  M al aysia  M el a ka,   Hang T ua h   Ja ya , 76100  D ur ia n  T unggal , Me la ka,   M al aysia .   Emai l:  n ur ulain@ utem.e du. my       1.   INTROD U CTION   M ulti le vel  in ve rters  (MLIs )  hav e   bec om e  widely   us e d  i n  the  in du st ry,  especial ly  in  medium/ hi gh  vo lt age  high  powe r  ap plica ti on s.  Ele ct ric   and   hybri d  veh ic le s,  phot ovoltai c  energ y  co nversi on  and   un i nterru ptable   power   sup ply  (U P S)   a re  jus t  a  few   of   the   man y  a ppli ca ti on s  a vaila ble  in  the  in dustr y  [ 1] .  Re searche rs   ar e  exe rtin g  grea t  effo rts  to   de velo p  bette r   to po l og ie s   of  MLIs   an d  bette r   modu la ti on   me thods  and / or  co ntr ol  strat egies  in   te rms  of  c os t,  si ze,  ef fici enc y  and  reli abili ty.   The re  a re  th re e  main   to po l ogie s  of  ML Is:  Ne utral  po i nt  cl amp ed  (N PC ),   flyi ng  capaci tor   (F C ),  an d  casca de d  H - br i dg e   (C H B)  [1 - 3] .  M a ny  oth e r  topolo gies  ha ve   be en   th oro ughl y  i nvest igate d   i n  the   li te ratur e,   s uc h  as   the   m odula r  mu lt il evel  c onver te r   (MMC)   [4]   a nd  t he  tra ns ist or - cl ampe d  H - br idg e   ( TC HB)   M L I  [5 ,  6] .   T he   TCHB   MLI   us es   a  reduce d  numb e r  of  DC  powe r  s upplies  a nd  sw it ches  to   pro duce  the   same   nu mb e r  of  le vels  as  c ompare d  w it h  the   c onve ntion a l   CHB  M LI .  More over,   the   T CHB  in ver te r  respo nd s   m ore   effe ct ively  i n  re du ci ng  the   harmo nic  c on t ent  of   ou t pu t   volt age   an d  lo ad   c urre nt.  Acc ordin g  to  t he   val ues   of   DC   power  s up plies,  s ome   t opologies  of  M L I s  are   cl assifi ed  i nto  ei ther   s ymm et rical   if  t hes e  val ues   are   eq ual,   or  as ym met rical   if   the y  are   unequ al .   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       Ha r m on ic   mi nimiza ti on  of  a  si ng le - ph as e  as y mm e tri c al TC HB mu lt il evel  inverte r …  ( Wai l Al i Al i Sa le h )   1407   Asymmetric al   topolo gies  of   M LI s  [7 ,  8]   pro du ce  a  higher  numbe r  of  outp ut  le vel s  wh il e  usi ng   few e r   com pone nts as  co m pa red wit h  the  s ym met rical  o ne s.   High - s witc hing  fr e qu e nc y  mod ulati on  te chn i ques,   su c h  as   mu lt ic ar rier /mult irefere nce     PWM   [9 - 11]   a nd  s pace   ve ct or  PWM   [ 12]   a r e  ef fici ent  i n  obta inin g  a  high - qual it y  outp ut;  howe ve r,  s witc hin g   losses   are   do minant   in   s uc h  te c hn i ques.   Lo w - fr e qu e nc y  mod ulati on s   are   m ore  e ffi ci ent  f or  high - po we r   app li cat io ns   si nce  t hey  mini mize   switc hi ng  lo sses.   Sele c ti ve  ha rm on ic   el imi nation  (SHE)   [13 - 16] ,   near est   vecto r  c ontr ol  ( NV C )  [ 17] ,   and  near est   le vel  c on t ro l   ( N LC)  [18 - 20]   a re  t he  mo st   c om m only   use d  lo w - fr e qu e nc y  m odulati ons  in  MLIs.  T he  S HE   method  requi res  the  s olu ti on  of  s om e  nonl inear  tra ns cen den ta l   equ at io ns .  H oweve r,  as   the   numb e r   of  le ve ls  incre ases,   more  e quat ions  e xist  w hose   so luti ons   bec ome   m ore  com plica te d  a nd  ti me - c onsumi ng.  T he  w orki ng  pri nci ples  of  NV C   an d  NLC  a re  a pp roximat el y  t he   same,   excep t  that  the   NV C  c onsider s  the  volt age  ve ct or   near est   t o  the   re fere nce   instea d  of  the  near est   vo lt age   le ve l   in  the  ca se  of   t he  NLC  [3] .  A lt ho ug h  the   N VC  is  sim ple,  i t  requires   ad diti on al   c o m pu ta t ion al   resou rces   [21 ] .  The  NLC  met hod  is  sim ple  and  m or e  s uita ble  f or   M L Is  with  a  high  numb e r  of  le ve ls.   The  NLC  met hod  is   app li ed   to   asy mmetric al   CH B  M L Is  i n  [7]   and  [ 21] .   T he  resu lt s  s how   th at   the  T HD  is  reduce d  dr a ma ti cal ly  witho ut  t he   ne ed  f or  filt rati on.   S witc hing  l os ses   are   si gn i ficantl y  re duce d  us i ng  the   N LC  meth od,   es pecial ly  in  as ymmet rical   topolo gies   with  a   high  nu mb e r  of  le vels ,  sinc e  m os t   of   the   po wer  is  delivere d  by   the  high   powe r  cel l  wh i ch  c ommutat es   at   the  f undam ental   f reque nc y  [21] .  T he   N LC  meth od  is  al so   a pp li ed   to   a  21   le vel  asy mmet rical   TCHB  ( A - TC HB)  i nv e rter  in  [ 8]   with   a  DC  li nk  rati o  of   1:  4  bet w een  tw o  TC H B  cel ls.  The  r esults  s how  a  sig nifica ntly  imp rove d  T HD,  ho wev e r,   the  stu dy   does  no t  discuss  ap ply in g  t he  met hod  t o   a  reduce d  numb e r  of  le vels   (less  tha n  21) .   A fter  a  pr eci se  rev ie w  of   t he  li te ratur e ,  it   was  f ound  th at   fe w   stud ie s  ha ve  be en  c ondu ct ed   on  the  NLC  method  a ppli ed  to  t he  TCHB   inv e rter  c omp ared   t o  M M C  [22 - 25]   and  as ymmet ri cal   CHB  M L I   [7 ,  21] ;  The refor e ,  t his  pa per  fo c us es   on  a pplying  the   NLC   method   to   a   13   le vel  A - TC HB  i nv e rter  with   a  D C  volt age  rati o  1:  2  bet we en  t wo  TC H B  cel ls.  T he  method   ope rates  at     the  f un dame ntal  fr e quenc y  a nd  ca n  be   ext end e d  to   an y  numb e r   of  le ve ls.  T he  pro posed  NLC   met hod  is  performe d  t hro ugh  simulat io n  in M at la b/Sim ulink  a nd  the   s imulat ion  res ul ts  are v e rified   thr ough  e xperi ments   us in g  a n Alt era  FPGA  boar d.       2.   THE  ADOPT ED 13 - LE VE L A - T CHB I NV E RTER   The  ci rcu it   diagr a m  of  the  13 - le vel  A - TC HB  in ver te r  is   sho wn  in  Fig ur e   1.  T he  c onfi gurati on   consi sts  of  t w o  TC HB  cel ls   sup plied  with   une qu al   DC   input  vo lt age s.   The   lo w - volt age  cel l  ( cel l  1 )   is  su ppli ed  with   ,  an d  the   hi gh - volt age  cel l  ( cel l  2 )  is  s uppl ie d  with  2  .Th e   switc hing  sta t es  of  each   TCHB  cel l  ind ivid ually  a re  sh ow n  in  Ta bl e  1 .  T he  1:  2  vo lt age  rati o  was  ch os e n  si nce  it   is  the  small est  integer  rati o  f or   t he  tw o - cel l  config ur at io n;   hen ce  a ny  hi gh e r  inte ger   r at io  can  be  as su me d.   T he  13 - le vel  ou t pu t  is   s yn t he siz ed  by  ad di ng  the   volt age s  of  t he  tw o  ca scade d  cel ls.  D et ai le d  volt age   wa veforms  f or  eac h  cel l  as  well   as  for  t he  i nv e rter   outp ut  a re  il lu strat ed  i n  Fig ure  2.  U nlike   th e  hi gh - vo lt age   cel l,  the  l ow - volt age   cel l  has  ma ny   com mu ta ti ons   per  cycle.   H oweve r,   most   of  the  powe r  is   delive red  by  the  hi gh - vo lt a ge  cel l  wh ic h  c om m ut at es at   the  fun da mental  fre qu e ncy ; t hus,  t he  s witc hing lo sses  are  si gn i ficant ly r e duced .        Table  1.   Sw it c hing stat es  of the TC HB cell s   No   ON switch es   Vo ltag e level   ON switch es   Vo ltag e level   cell 1 ( )   cell 2 ( )   1   11 , 41   +    12 , 42   + 2    2   41 , 51   + 1 2 ⁄    42 , 52   +    3   11 , 21   (    31 , 41 )   0   12 , 22   (    32 , 42 )   0   4   21 , 51   − 1 2 ⁄    22 , 52   −    5   21 , 31   −    22 , 32   − 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   :    14 06   –   14 14   1408   C 1 C 2 C 3 c e l l   1 c e l l   2 S 52 S 42 S 32 S 22 S 12 C 4 S 11 S 21 S 31 S 41 S 51 v 1 v i nv L R i o v o V dc 2 V dc v 2     Figure  1. The   13 - le vel   as ym metri cal  TCH B i nv e rter       v 1 v dc - v dc v dc - v dc v dc - v dc 2 v dc - 2 v dc - 2 v dc 2 v dc - 3 v dc 3 v dc v i nv v 2 wt wt wt     Figure  2.  Lo w - vo lt age  cell , high - vo lt age  cell , and res ultant  13 - le vel  outp ut volt ages,  r es pe ct ively       3.   THE  PROPO SED  NLC  ME THOD   The  pro posed   con t ro l  st rateg y  a pp li ed   to  t he  a dopted   in ver te r   is  cal le d  the   nea rest  l evel  co ntr ol   (N LC )  meth od .  The  met hod  i s  simple  in  it s  con ce pt  in  wh i ch  the  ou t pu t  volt age  le vel  ne arest  to  the  re f eren ce   is  sel ect ed   an d  gatin g  sig na ls  are   ge ne rated  t o  t he   co rresp onding   swi tc hes  [7] .   F or  A - TC HB  MLI,   th e   modu la ti on i ndex,     is  gen e rall y defi ned as:     =  ⁄   (1)     wh e re     is  the  a mp li tud e   of  t he   ref e re nce,  a nd    is  the  t otal  DC  li nk  vo lt ag e  f or     cel ls.    is  cal culat ed by :     = ∑  , = 1   (2)     Fo r   t he  13 - le ve l  A - TCHB   in ve rter,   since   the   volt age   rati o  be tween   the   tw o  cel ls  is   1:   2,  a ccordin g  to   (2),   = dc , 1 + dc , 2 =  + 2  = 3  .  T he refore     is  directl y  pro portio nal  to    .  A s  a n  e xam pl e:  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       Ha r m on ic   mi nimiza ti on  of  a  si ng le - ph as e  as y mm e tri c al TC HB mu lt il evel  inverte r …  ( Wai l Al i Al i Sa le h )   1409   To  set     to   1,  t he  value   of     is  c hose n  to   be   1 3 ⁄  .  S o,   , 1 = 1 3 ⁄    and   , 2 = 2 3 ⁄  .   The   impleme ntati on   of  t he   NLC   method   f or  t he   A - TC HB  i nv e rter   by   a  c omp ariso n  al gorith m  is   s how n  i n  Figur e   3.   A  sin usoidal   ref e ren ce ,  ∗   is  first  fe d  to  t he  high - volt age  c el l  ( cel l  2 ) .  W hen   t he  re fer e nc e  reache s  cert ai n   vo lt age  le vels,   ± ℎ , 2 ,  cel l  2   pro duces  ± 1 2 ⁄  , 2 .  Wh e re as,  w hen   t he  ref e ren ce  reac hes  ± ℎ , 2 ,  cel l  2   pro du ces   ±  , 2 .  Th e  unm odulate d  portio n  le ft  by  the  five - le ve l  wav e form  of   cel l  2   is  the n  us e d  as  the  ref e ren ce  a nd  f ed  to  t he  lo wer  vo lt a ge  cel l  ( c el l  1 ).  Again,  ba sed  on   t he  vo l ta ge  le vels  ± ℎ , 1   an d  ± ℎ , 1 ,  cel l  1   pro du ces   ± 1 2 ⁄  , 1   and  ±  , 1 , r es pecti vely . T he values  of  ℎ ,   and  ℎ ,   are  deter mined b y:     ℎ , = 1 4  ,   , ℎ , = 3 4  ,   (3)     Fo r  mat hemati cal  an al ys is,  th e ref e re nce  for t he  hi gh - vo lt ag e cel l i s d e fine d  as:     ∗ = 2 ∗ =  sin (  )   (4)     This  volt age  re fer e nce  is   co m par e d  with   the   two  co ns ta nts   ℎ , 2   and  ℎ , 2 .  T hen  the   gating  sig nals   are  gen e rated  to  t he  sw it ches   of t he hig h - volt ag e cel l usin g  l ogic  g at es.     13 - l e v e l   o u t p u t G a t i n g S i g n a l s   t o   c e l l 1 G a t i n g   s i g n a l s   t o   c e l l 2 h H , 2 h L , 2 h L , 1 h H , 1 L 2 L 1 v 1 v 2 v dc , 2 - v dc , 2 - v dc , 1 v dc , 1 2 h L , 2     Figure  3. Im pl ementat io n of  t he nearest l e ve l con t ro l  meth od       The refe rence  for t he  l ow - volt age cell  is  giv e n by :     1 ∗ = 2 ∗ − 2 ℎ , 2 ∗ 2   (5)     wh e re  2   is  the  switc hing  pa tt ern   res ulti ng  from  the  high - volt age  cel l  after  co mp a r ison   a nd     is give n b y:     2 = [ ( 2 ∗ > ℎ , 2 ) + ( 2 ∗ > ℎ , 2 ) ] − [ ( 2 ∗ < − ℎ , 2 ) +   ( 2 ∗ < − ℎ , 2 ) ]   (6)     wh e re   the   res ul t  of  eac h  c omparis on  is   1  if   true,  or  0  if   not.  I n  the   same   way,  t he  refe re nce  f or  the   low - volt age ce ll  is com pa red  with  ℎ , 1   and   ℎ , 1 . T he n  the  gatin g  si gn al s a re  gen e r at ed  us i ng lo gic g at es to t he   corres pondin g  switc hes   of   the   lo w - volt a ge  c el l.  The   s witc hi ng  patte r n  res ulti ng  f rom  t he   lo w - volt age  c el l  is   1   and   is  cal c ulate d  in  t he   same  wa y  as  (6),   c onsideri ng   t he  re fer e nce  a nd   const ant  val ue s  for     the lo w - volt ag e cel l.       4.   ANALY SIS  O F THE I NV E RTER  OUTP UT VOL TA G E   The  outp ut  w avefor m  of  th e  TCHB   in vert er  is  a   quarte r - wav e   s ym me try;  the refo re,   the  outp ut   vo lt age  ca n be  represe nted usi ng the  Fou rier  series as:      (  ) = ∑ sin (  ) ∞ n = 1   (7)     wh e re  is t he  F ourier  co e ff ic ie nt . I t e qu al s z er o for e ven  ; howev e r, f or od d    it  is g ive n   by:     = 2   ∑      = 1 , 3 , 5 , …   (8)     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   :    14 06   –   14 14   1410   wh e re    is  the  num ber   of  switc hing  a ng le s  i n  a  quarter - wa ve   and    are  the  s witc hing  a ng le s  w hich   sh oul d  be  within  [0,  2 ⁄ ].   Tab le   2  sho ws  th e  numb e r  of   ang le s  a nd  vo lt age  le vels  f or  a  ra ng e   of  th e   modu la ti on  in dex.  T he  num ber   of  le vels  reduces  si gn i ficantl y  as  t he  modu la ti on  in dex  dec reases.   Th e   maxim um   nu mb e r  of  le vels   achieve d  us in g  the  a dopte d  config ur at io n  i s  13  le vels.   Th e  switc hing  a ngle s  f or   the  13 - le vel  A - TCHB  in ver te r   at   ≥ 0 . 917   dep e nd   only  on  ℎ , 1 ,  since  th e  ou t pu t  vo lt a ge   remains  t he  s am e   wh e n  t he  i nv e rter  s witc hes   a t  ℎ , 1 ,  as  ca n  be  seen  i n  Fi gure   2.  T her e fore,   The   switc hing  a ng le s   can   be   cal culat ed  as  f ollow s:     1 =  − 1 ( ℎ , 1 ) ,        2 =  − 1 ( 3 ℎ , 1 ) ,        3 =  − 1 ( 5 ℎ , 1 )   4 =  − 1 ( 7 ℎ , 1 ) ,        5 =  − 1 ( 9 ℎ , 1 ) ,        6 =  − 1 ( 11 ℎ , 1 )   (9)     The  t otal ha rm on ic   disto rtio n (THD)  is  giv e n b y:     THD = 1 1 √ ∑ 2 ∞ = 2   (10)     wh e re    co uld  be   the  vo lt a ge  ( )  or   t he  c urre nt   ( ).   T he  f unda mental   vo lt age   1 ,  wh ic h  is  e qu al   to  1 , can be  calc ul at ed  at  a ny v al ue of     us in g (8)  and  (9).       5.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   5.1.   Simul at i on  re sults   The  sim ulati on  of  the  13 - le vel  A - TCHB  i nv e rter  a nd  th e  a pp li e d  NL C  method  is  c arr ie d  out  in   M at la b/Sim ulink.  T he   sim ulati on   pa ramete rs  wer e   sel ect ed  t o  matc h  tho s e  of  the   e xp e rime ntal  se tup  as   sh ow n  i n  Ta ble  3  t o  facil it at e   analy sis  an d  c omparis on  of  t he  resu lt s.   The   volt age  T H D  evaluate d  th rough ou t   a  range  of     is  sh ow n  in  Fi gur e  4.   It  is  obser ved   t hat  the  mi nimum  volt age   TH D  is  achie ved   at   = 1 . 044   and  is   5.18 % .   It  ca n  al so  be  no ti ced   t hat  as     inc reases,   the   T HD  decr ea se s.  H ow e ver,   af te r  = 1 . 044 ,  t he   THD  inc reases   with   the  i ncr e ase  in  .  It  ca n  be  i nf e rr e d  fro m  Fig ure  4  t ha t  the  NLC  m et hod  presents   hi gh   THD  f or  in ve rters  with  a   re duced  num ber   of  le vels  an d  with   low  m odulati on  in dices  [ 3] ,   a nd  this  is   the  mai n  dr a w back o f  th e N LC  meth od.       Table  2.   N umb er  of  a ngle s a nd  vo lt age  level s acco rd i ng to  t he  m odulati on  ind e x   Mod u latio n  ind ex   ( )   Nu m b er  o f   An g les   Vo ltag e  lev els   ≥ 0 . 917   6   13   0 . 75 ≤ ≤ 0 . 916   5   11   0 . 584 ≤ ≤ 0 . 749   4   9   0 . 417 ≤ ≤ 0 . 583   3   7   0 . 25 ≤ ≤ 0 . 416   2   5       0 5 10 15 20 25 30 35 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 1 .1 1 .2 1 .3 V ol t a g e   T H D   ( % ) M odul a t i on  i nde x 13 - le v e l 9 - le v e l 11 - le v e l 7 - le v e l 5 - le v e l = 5 . 18%       Figure  4. TH D  v e rsu s  m odula ti on  in de x usin g NLC     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       Ha r m on ic   mi nimiza ti on  of  a  si ng le - ph as e  as y mm e tri c al TC HB mu lt il evel  inverte r …  ( Wai l Al i Al i Sa le h )   1411     The  sim ulati on   res ults  of  the   inv e rter  outp ut  vo lt age   an d  cu rr e nt  usi ng  RL   load  at   = 1   are   show n  in  Fi gures   5  (a )  a nd  ( b) ,   res pe ct ively.   T he  THDs  f or  bo t h  volt age   a nd  c urren t   are   s ho wn  in   Fig ur es   5  (c)  a nd  (d),   re sp ect ivel y.   T he  volt age  THD   is  5.5 3%,  and   t he  cu rr e nt   THD   is  3.6 9%   at   = 100   Ω   and   = 1 5 mH .  If   a b ig ge r  in duct ance is  us e d,  t he  c urre nt T HD  will  r ed uce,  and its  wav e form  w il l be  more c lose to  sin usoidal.            (a)     (b)         (c)   (d)     Figure  5. Sim ul at ion  r es ults  usi ng  RL   l oad at  = 1   (a ) ou t pu t  volt age w a ve form , (b) loa d  c urre nt w a ve form,  (c)   outp ut volt age T H D  a nd (d) cu rr e nt T H D       By  co mp a rin g  the  res ults  wit h  th os e  ob ta i ne d  in  [26 ]   usi ng   the  S HE  met hod  f or   t he  sam e  num ber   of   le vels,  it   was  note d  that  th e  m inimum  volt ag e  THD   us i ng   t he  S HE  met hod  is  6.7 0%,   w hi le   in  the  case  of   t he   pro po se d  NLC   meth od,  t he  m inimum   ac hiev ed   vo lt a ge  T H D  is  5.1 8%,  as  sh ow n  i n  Fi gur e  5,  w hic h  in di cat es  a  sig nifica nt  i mpro veme nt  i n  t he   volt age   THD.   A nothe r   c omparis on  is   ma de   with   [19]   f or  t he   sam e  c on tr ol   method,  t he  sa me  num ber   of   le vels,  but  with  dif fer e n t  as ymmet rical   M L I  topolo gy.  It  was  note d  t hat  at   = 1 ,  the  TH D  val ue s  of   vo lt ag e  and   c urre nt  in  [ 19]   are  6.30%  and   0.3 5%,   re s pecti vely ,  w hich  are  very  cl ose   to  the  res ults  ob t ai ned   i n  t his  study  (5.51%   and  0.7 0%   f or  the   volt age  and  cu rr e nt  T HD s ,  respec ti vely ),  consi der i ng si mil ar v al ues of  R   a nd  L   i n bo t h  st ud ie s.  Ho w ever, the  num be r of   DC s ourc es is hi gh e r  i n  [19] .     5.2.   Ex peri menta l  va li d at i on   To  te st  t he  functi on al it y  of  the  in ver te r  a nd  it s  c on tr ol   meth od,  a   prototype   was   buil t  in  the   la boratory.   T he   co ntr ol  al go r it hm   a nd  the   ge ner at io n  of  ga ti ng   si gn al s   we re  ca rr ie d  ou t   us in g  a n  FP G A  boar d  (Cyclo ne   I V  EP4 CE 22F 17C6N).   The   e xperime ntal  set up  is  s how n  in  Fig ur e   6,  a nd  the   detai le d  s ys te m   par a mete rs   are   li ste d  in   Ta bl e  3.  A no t her  low - c os t  F PGA   (C yclo ne  IV  EP4 CE 6E 22 C 8)  is  us e d  t o  pro vid e   a   dead  ti me  of  2  µs  f or  the  swi tc hin g  sig nals  to  pre ven t  t he  switc hes  from   hav i ng  a  s hoot - thr ough  fa ult.  The   FPGAs  wer e   processe d  us in g  Qu a rtus  I I   s of t war e  a nd  pro gr a mme d  in   the  V H DL  la ngua ge.   T he  outp ut  vo lt age   a nd  c urre nt  of  the   in ve rter  a re  dis played  on  the   Te kt ronix  TD S  20 24 C   osc il losco pe.  Th e  vo lt a ge   an d  current  TH Ds are meas ured  usi ng the  Flu ke 435  powe r q ua li ty an al yze r.       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   :    14 06   –   14 14   1412   T C H B  i n v er t e r L o w - v o l t a g e   s u p p ly O s il lo s c o p e F lu k e   435 H ig h - v o l t a g e   s u p p l y L   l o a d R  l o a d V o lt a g e   p r o b e F P G A s G a t e   d r iv e s   Table  3.   Sy ste m p a ramete rs f or ex per ime nta l t est s   Para m eter   Valu e   DC v o ltag e f o r  ce l l 1   6 0  V   DC v o ltag e f o r  ce l l 2   1 2 0  V   IGBT   IRG4 PC5 0 UD   Po wer  d io d es   RHR G3 0 1 2 0   DC - lin k  capacito rs   2 2 0 0  µF   Load  r esis tan ce   1 0 0  Ω   Load  ind u ctan ce   1 5  m H   Fu n d am en tal f requ en cy   5 0  Hz       Figure  6. The  e xp e rime ntal set up       The   ex per i men ta l  resu lt s   f or  t he  outp ut  vo lt a ge  a nd  c urre nt   of   the   in ver te r   at   = 1   usi ng  RL   l oad  are  s how n  i n  F igure  7.   It  ca n  be  see n  t hat  13  volt age  le vels  app ea r  at   t he  outp ut  an d  the  c urren t  a ppr oac hes  a   sinu s oid al   s ha pe.   T he  TH Ds   of   bo t h  volt ag e  and   c urre nt  are  5.7%  a nd   3.3%,  as  s how n  in  Fig ur es  8  (a )  an d  (b),   resp ect iv el y.   It  was  obse rv e d  f r om   the  exp e rime nts  th at   the  minim um  volt age  a nd  current  T H Ds   wer e   recorde d  at   = 1 . 044   to   be 5. 2%  a nd  2.7%,  r es pecti ve ly.           Figure  7. Ex pe rimental   resu lt s of  ou t pu t  volt age a nd curre nt  at  = 1   us i ng  RL   l oad           (a)   (b)     Figure  8. M ea s ur e d res ults usi ng  RL   loa d  at   = 1   (a)   V oltage T H D  a nd (b) C urr ent T HD       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       Ha r m on ic   mi nimiza ti on  of  a  si ng le - ph as e  as y mm e tri c al TC HB mu lt il evel  inverte r …  ( Wai l Al i Al i Sa le h )   1413   It  shou l d  be  note d  that  the  NL C  method  does   no t  el imi na te   sp eci fic  harmo nics  li ke  the  S HE  met hod,   wh ic h  el imi nates  s om e   lo w - orde r  ha rm on ic s;  rat her ,   it   minimi zes  t he   ov erall   T HD  of  t he  i nverter   ou t pu t.     The  sim ulati on  and   ex per ime ntal  resu lt s  of   t he  volt ag e  T H D  we re  c ompa red   at   diff e re nt  values  of  M   usi ng   R   load   as   s how n  in  Fi gure   9.  It   is  no te d  that  t he   sim ulati on  a nd  ex per ime ntal   res ults   are   in   c lose  a greeme nt  wit h  each  oth e r.           Figure  9. Total  h a rm on ic   dist or ti on  versus   modu la ti on i ndex       6.   CONCL US I O N   In   this  pap e r,   t he  NLC  met ho d  was  a ppli ed  to  a  13 - le vel  A - TC HB  in vert er.  The  as ymmet ry   in  t he   DC  s upplies   of   the   TC HB  cel ls  res ults  i n  a n  inc rease d  nu mb e r  of  outp ut  le vels   a nd  the refor e   le ss   T H D.  T he   asym metri cal   t opologies   util iz e  a   re du ce d  num ber  of  DC  p owe r  s upplies   an d  s witc hes   to  pro du ce   the   same   numb e r  of  le vels  c ompare d  to  symmet ri cal   ones.   T he   NLC   met hod  is   co nce ptua l  an d  sim ple   to   be   impleme nted.  The   13 - le vel  outp ut  sta rts   at   = 0 . 917 .  A  minim um  vo lt age   T H D  of  5.1 8%   is  ac hieve d  at   = 1 . 044 .  T he  sim ulati on  re su lt s  i nd i cat e  the  e ff ic ie ncy  of  this  me thod  for  obta in ing  hi gh - qual it y  outp ut.  The  T H D  is  ca lc ulate d  an d  a na lyzed  at   dif fere nt  val ues  of   t he  m odulati on  ind e x.   T he  e xp erimental   re su l ts  are  in  cl os e  a gr ee ment  with  the  simulat ion   res ults.  T he  N LC  meth od   obta in s  a  lowe r  vo lt a ge  T HD   c omp ared   t o  oth e r  l ow - s witc hing  freq ue nc y  mod ulati on  methods ,  e ve n  th ough   the   re qu i red  m odula ti on   i ndex   to   pro duce  the  13 - le vel  ou tpu t  is  c onside red  hi gh  ( M   ≥   0.917 ).   D ue  to   that,  t he  NLC   meth od  is  bette r  s uited  for  a   high   numb e r  of  le ve ls  and   high  m odulati on   i nd ic es.  Furthe r  stu dies  are  need e d  to  in vestigat e  the  perf or ma nce  o f   the meth od i n cl os ed - lo op appli cat ion s.       ACKN OWLE DGME NTS   This  wor k  was   sup ported   u nd er  re searc h  gr a nt  PJ P/2 019/F KE(1B)/S 0166 5  from   U niv e r sit i  Tekn i kal  M al aysia  M el a ka.       REFERE NCE S   [1]   J.  Rodrigu ez,  L.  G.   Franque lo ,   S.  Kouro,   J.   I.  Leon,  R .   C .   Port il l o,   M.   A.   M.   Pra ts,  and  M.   A.   Pe rez ,   “Mult ileve l   conve rt ers:  An   ena bl ing  te chno l ogy  for   high - po wer  app li c ations,”  Proc .   I EEE ,   vol.  97,   no.   11 ,   pp.   1786 – 1817 ,   Nov.  2009.   [2]   H.  Akagi ,   “Multile v el  Converter s:  Fundam ent a l  Circ uit s   and   Sys te ms, ”  Proc.  I E EE ,   vol .   105,   n o.   11 ,   pp.   2048 – 2065,   2017 .   [3]   L.   G .   Franque lo ,   J.   Rodriguez,  J.  I.  Le on ,   S.   K ouro,   R.   Porti llo,  and   M.  A .   M.  Prats,   “T h e  age   of   multil ev el   conve rt ers  arr ives , ”  IE EE Ind. El ec tron.   Mag . ,   vo l.   2 ,   no .   2 ,   pp .   28 – 39,   Jun.   2008.   [4]   P.  M.  Meshra m   and  V.   B.   Bor ghat e ,   “A  simpl ifi ed   nea r est  le v el   cont rol   (NLC )  voltage  b alanc ing  m et hod  for   m odula r   multil e vel   conve rt er (MM C), ”  IE EE Tr ans.  Powe r   Elec tr on. ,   vol. 30, no.  1,   pp .   450 – 462 ,   2015.   [5]   R.   J.   Satpu taley,  V.   B.   Borgha te,  V.   Kum ar  and   T .   Kum ar,  "Ex per imental  inve s ti gation   of  n ew  thre e   phase   f ive -   le ve l  tr ansistor c la mp ed  H - bridg e   inve r te r , "  E PE J.,  vol. 27, no. 1,  pp.   31 - 42 ,   2017 .   [6]   N.  A.   Rahim,   M.  F.  M .   El i as,   and  W .   P.  Hew ,   “T r ansistor - c lamped  H - bridg e   base d  ca sca d ed  mul tilevel  inve r t er  with  new me tho d  of  c apaci tor   vo lt ag e  ba la n ci ng, ”   IEEE  Tr ans.  In d.   E lectron. ,   vol .   60,   no.   8,   pp.   29 4 3 – 2956,   2013 .     [7]   J.  P.   and   S.   K.   M.  Per ez,   J.   Ro drigue z ,   “Power   Distribu ti on   in   Hybrid  Mult i - c e ll  Converter   wit h  Ne are st   L evel  Modulat ion , ”  20 07  IEEE  In t. Sym p.   Ind. Elec tron. ,   pp.   736 – 741,   2007.   [8]   M.  F.  M.  E li as ,   N.  A.  Rahim,   H.   W.   Ping ,   and   M.  N.  Udd in ,   “As ymm et r ical  ca sc ade d  mu lt i le v el   i nver te r  b ase d  on   tra nsistor - c la mp ed  H - bridge pow er  c el l , ”   IE EE Tr ans.  Ind. Appl. ,   vol.   50 ,   no .   6 ,   pp .   4281 – 4288 ,   No v.   2014 .   [9]   S.  P.  Gaut am ,   S.  Gupta ,   and   L .   Kumar ,   “Re l ia bi li ty  im prove me n t  of  tr ansistor  c l am ped  H - br idge - base d  c asc ad ed   mul tilevel  inve rt er, ”   IET  Powe r  El e ct ron. ,   vol .   1 0,   no .   7 ,   pp .   770 – 781,   2017 .   [10]   Y.  Zh ang,  J.   He ,   S.   Padm ana ban   and  D.   M.   Ion el,   "Tra nsistor - C lamped   Multi le ve l   H - Bridge  Inv erter  in  Si   and   SiC  Hybrid  Configu rat ion  for  High - Eff icienc y   P hotovol ta i c  Appli cations, "   2018  I E EE   En ergy   Con ve rs ion  Congress  and  Ex posi ti on  ( ECCE ) ,   Portla nd ,   OR,   2018,   pp.   2536 - 2542.   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   :    14 06   –   14 14   1414   [11]   Y.  Babkra n i,  A.  Nadda mi   and   M.  Hil al ,   "A   smart   ca sca d ed  H - bridge   mu lt i l eve l   inve r te r   wi th  An  optimize d   modul ation  t ec h nique s  inc r ea sin g  the   qu al i ty  and   red uc ing  har mo nic s,"   Int ernati o nal  Journal  o f  P ower  El e ct roni c s  and  Dr iv e  S ystem s (IJ PE DS),   vo l.   10 ,   no .   4 ,   pp .   1 852 - 1862,   2019 .   [12]   S.  Sanusi,   A .   Ji din,   T.  Sutikno,  K.  A.   Kari m ,   M.  L.  M.  Ja mi l ,   and  S.   A.  A .   T aru san,   “Im p le m ent a ti on   of   spac e   vec tor   modulato r  for  ca sc ade d   h - bridge   mul t il ev e l  inv ert e rs,”  Inter nati onal  Journal  of   Pow er  E le c t ronics  and  Dr ive   Syste ms   (IJ PE D S),   vol .   6 ,   no .   4 ,   pp.   906 – 918 ,   20 15.   [13]   M.  S.  A.  Da hidah,  G.  Kons ta n ti n ou,   and   V.  G.   Ageli dis ,   “A  R eview  of  Multi l ev el  Selecti v e  Harm onic   E li m ination   PWM:  Formula t ions,  Solving  Al gorit hms,  I mple me nt at ion  and  A ppli c at ions, ”  in   I EE E  Tr ans.  Pow er  El e ct ron. ,   vol .   30,   no .   8 ,   pp .   40 91 – 4106,   2015 .   [14]   M.  Srndovic ,   A.   Zhete ss ov,   T.  Aliz ad eh,  Y.  L.  Fami liant ,   G.   G ran di  and  A .   Ru der ma n ,   "S im u ltaneous  Sel ective  Harm onic   El i minati on  and  THD  Minim izati on  f or  a  Single - Phas e  Multi l evel  Inv ert er  wi th  Stai r c ase   Modulation, "   IEE E   Tr ans.  Ind .   App l. ,   vo l. 54,  no.   2 ,   pp .   1532 - 1541,   2018 .   [15]   W.   A .   Ha li m ,   N.   A.  T.  Te ngku ,   K.  Applasa m y,   an d  A.   Jidin,  “S el e ct iv e  Har mon ic   El i mi na ti on   Based  on  N ewton - rap hson  Method  for  Casca d ed  H - bridge   Mult il e ve l  Inve r te r,”  In te r nati onal  Journal   of  Pow er  Elec tronic s  and  Dr ive  Syste ms   (IJ PE D S ) ,   vol .   8 ,   no .   3 ,   pp.   1193 – 1202 ,   2017.   [16]   M.  Rashe ed,  R .   Omar ,   M.   S ula i ma n   and   W .   A.   Hali m ,   "A   modified   ca s ca ded   h - bridge  multil evel  inv erter   base d   on   par ticle  sw arm   opti mi sa ti on  (  P SO   )  te chn ique, "  Indone sian  Jo urnal  of  El e ct ri cal   Engi ne ering   and  Computer  Sci en ce   (IJ E ECS ) ,   vol .   16 ,   no .   1 ,   pp.   41 - 51 ,   2019 .   [17]   J.  Rodrígu ez,  L .   Morán ,   P.   Co rre a,  and  C .   Sil va,  “A   vector   c ontrol   technique  for   me d ium - vo lt ag e  mul t il ev el  inve rt ers, ”   IEEE   Tr ans.  Ind.   Elec tron. ,   vo l. 49, no .   4 ,   pp .   882 – 888 ,   2002.   [18]   R.   Kumar   and  D.  Tha ng avelusam y ,   “A  mod ified  ne are st  le v el  modul a ti on  s ch em e   for  a   sym me tric  ca sc ade d   H - bridge   inve rt er,”   Gaz i  Univ .   J. Sci. ,   vol .   32 ,   no .   2 ,   pp.   471 – 481 ,   20 19.   [19]   M.  D.   Sidd ique ,   S.   Mekhi le f ,   N.   M.   Shah ,   A.   Sarwar,  A.   Iqb al,   M.   T ayya b ,   an d  M.   K.   Ans ari,   "Low   Sw it chi n g   Freque ncy  Base d  As ymm et ri ca l  Multi le v el   Inv er te r  Topo logy  With  Reduced  Sw itch  Count, "  in   IE EE   A cc ess ,   vo l.   7,   pp .   86374 - 86 383,   2019 .   [20]   R.   R.   Kar asa ni,  V.  B.   Borghate,   P.   M.  Meshram,  and  H.  M.  Sury awa nshi ,   “A  Mo difi ed  Sw itched - Diode  Topol ogy   for  Casca d ed  M ult ilevel Inverter s,”   J .   Powe r  Ele ct ron. ,   vol .   16 ,   n o.   5 ,   pp .   1706 – 1 715,   2016 .   [21]   S.  Kouro,   R .   B ern al,  H.  Miran da,   C.   a  Silva,  and  J.  Rodríguez,   “High - p erf or ma nc e  torque   a nd  flux  cont ro l  for  mul tilevel  inve rt er  fed   indu ct ion   mot ors,”  IE EE   T rans .   Powe r  El e ct r. ,   vol .   22 ,   no .   6,   pp .   2116 – 212 3,   2007 .   [22]   G.  Si,  J.  Zhu,   Y .   Lei,   L.  Jia,  an d  Y.  Zha ng ,   “A n  enha nc ed  l evel - inc r ea sed  n ea r est  le v el   modul a ti on  for  modu la r   mul tilevel  converte r,”  In t. Tr ans. Electr. E nergy   S yst. ,   vol .   29 ,   no .   1,   pp .   1 – 17 ,   201 9.   [23]   P.  Hu  and  D.  Jia ng,   "A   le ve l - increa sed  ne are st  level  modulat ion  me thod  for  mod ula r  multil evel  c onver te rs,"  I EEE  Tr ans.  Powe r E l ec tr. ,   vo l. 30, no .   4 ,   pp .   1836 - 18 42,   2015 .   [24]   D.  Wu  and  L.   Peng,   "Characteri stic s  of  ne are s t  le v el   modu la t i on  me thod  wi th   ci rcu la t ing  cur ren t  con trol   for   modul ar   multil e vel   conve rt er, "   I ET  Powe r  El e ct r on. ,   vol. 9, no. 2, pp. 155 - 164,   20 15.   [25]   J.  W ang,  X.   Ha n,   H.   Ma ,   and   Z .   B ai ,   “A  hybrid   modular   multil e vel   conve r te r   to pology  wit h   an  i mprove d   nea r est   le ve l  modu la t ion   method, ”  J .   Po wer  Elec tron . ,   v ol.   17 ,   no .   1 ,   pp .   96 – 105,   2017 .   [26]   W.   A.  Ha li m ,   N .   A.  Rah im ,   and   M.  Azri ,   “Ge ne ral i ze d  sel ective  har monic  e li minati on  modul a tion  for  tra nsistor - cl a mpe d  H - br idg e  mu lt i le ve l inve rte r,”  J .   Powe r   E le c tron. ,   vol. 15, no. 4, pp. 964 – 9 73,   2015 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.