In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 1 3 3 ~1 1 4 0   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1133-1140          1133     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   A novel single-phase PW M  asy m m etrical mult ilevel inverter  with number of semiconduc tor switches redu c tion       S. Kak ar,  S .   M . Ayob ,   N . M. Nord i n ,   M .   S. Arif, A .   J u soh, N.   D .  M uha ma d   S c ho ol  o f  Elect rical  En g i n eerin g, F a c u l t y  of En g i n eeri ng,  Univ e rs iti Tekn ol ogi M alaysi a, M al a y si a       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Oct  1 7 ,  2 018  Re vise d F e b 22,  201 9   Ac ce p t ed  M ar 3 , 2 0 19      In  t his  pap e r,   a   n ew  a sy m m et rical   m ulti lev e l   inv e rter  t op ol og y   (MLI)   i s   pro p o s ed  w i t h   the  ob ject ives   o f  u s i n g   d ecre a s e d  nu m b er  o f   s e m i c on du c t or   sw it ches,   dc  v o l t a ge  s o u rces ,   gate   d riv e r  ci rcuits  a nd  d c   lin k s .  The  st ructu r e   of   p resented   M LI  i s  very  s i m ple  and  m odu lar.  T h e   f un dam e nt a l   m o du le   o f   thi s   s tructure  c onsi s t s  o f   n ine  s e m i con d u c to r  s w it ches   ( ei gh t   u n i di rectional  a n d  o n e   bidire c tio na l)  a nd   f ou r  a s y mme tr ic a l   c o n fig u re d   DC  s ou r ces   (rati o  of   1: 2),  which  can  g enerat e  13 -lev el  o ut put  v oltage.  T o   v ali d at e  t he   d e s ign ,   a   M a tl ab-Sim u l i n k   bas e d  m odel   i s   d evel op ed.  For  thi s   p ap e r ,   a  S i n u s oidal   P u l s e  Width   Mod u l a ti on   ( S P WM )  i s   d eplo yed  as  t he  swit c h i ng   s t r a tegy  o f  th e  pro p o s ed   M LI.  Th e  circu i t  m o d e l  i s   s imulat ed  u nd er  p u r e  res is ti ve   a n d   induct i v e  l o ads.   I t  wi ll  be  s hown   t hat  the  circui t   perfor m s  wel l  un de r  b o th  lo ads .   C om parison   w i th   t raditi ona l   M L Is  a n d   o t h er  r ecen tl y  intr o d uced   M LIs   will   b e  co nd uct e d   t o   s how   t he  s uperi ority  o f   t h e  p r op os e d   M LI  i n  term s  of   redu ced  n um ber  of   d e v ices   a nd   l ower  v oltag e   s t r ess  across   th e  s witches . K eyw ord s :   A s ymm e tric   Mu lt ile ve l in ve r t e r   P h a s e - dis p osi t i on P W M  Swi t c hi ng  fre qu en cy  Volt age  stress   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   S . M.  A yob,    S c hoo l   o f  Ele c t rica l  En gine erin g,  F a c ulty  o f  En gi nee r i ng,   Un iv e r sit i  Tekn o lo gi  M al ay sia ,   Skuda i ,  81310 UTM  S kudai,  JOHOR,  M a laysia.  Em ail:sh a hr in @f ke.utm .m y       1.   I N TR OD U C TI O N   Mu l t i le ve l   inv e rters  (MLI)  are   gai n in g  m o re  a t t e n t i on   i n   in du st r y   a n d  a c a d e m i a  d u e  t o   t h e i r   perform ance   s upe r i ori t y  o v e r   t r a d iti ona l  tw o-le ve l   i nver t e r   i n   ter m s  of  h i g h  p o w e r  q u a li t y ,  low e r  v o lta ge /  curr ent  harm onic s ,  and  low e r   vol ta ge  s tre s se s  on  sw it c h es.   The   M L I   a r e  use d   i n  var i o u s   app lic at ion s   s uch  as   rene w a ble  e n e r gy  so urce s  [1 - 3 ],  d i s tri b u t e d   g e n era tio ns  a nd  hi g h  v o l t a ge  d ire c t  c u rre nt   [ 4,  5 ],   e le ctrica l   motor  dri v es [6 ,  7],  active  pow er  f il ter s   [ 8],   elec trica l   v e h ic l e,  m icr o -grid [ 9],   distr i bu t i on  st a tic   c om pe nsa t or   [1 0]  a nd f l e x i b le  alt er n a t i ng  c u rre nt transm i ssi on de v i c e s [1 1,  12] .  T h e   t r a d i t i o n a l  M L I  c i r c u i t  a r e  t h e   c a s c a d e d  H - b r i d g e   M L I ,   n e u t ra l - poi nt   c l a mp e d   [ 13 ]  a n d   fl yi ng - ca paci t o r  c l a m pe d  MLI  [ 1 4 ] .  A m ong  them ,  th e   ca s cade d   H -bridge   M LI  r e ceive s  w i de r   a t te nti o n  i n   p ra ctic e   due  t o  it s  si m p li c i t y   o f  c o n t ro l  an d  m o d u l a ri ty  i n  s t r u c t ure.   T he  i de a  o f   M LI   c irc u it  w a s  first  in t r o d u c ed  b y   Ba ker  and  Ba n n i s te r  [1 5]   i n   19 70s  b y  desc rib i n g   a   c on ve rter   t op o l ogy   t h a t   i s   a bl e   t o   p ro du c e   st ag ed -o utp u t   vo lta ge   t ha t  re se mbles  a   sin u s o i da l  w a v e form   by  c o nnec t i n g   seve ral   H-bri d g e   i nv ert e rs  i n   c a sc ad ed  f ashi on .   The  ne ut r a l-po in t   clam p   w a s  pre s en ted   by   B a k e r   i n  1 9 8 0 .  Th is   t o p o lo gy  u s e s   c l a mp ing  di od e s   t o   c l amp   th e  sw it c h   v olta ge   f r o m  a   single   dc  s o u rc e  [1 3]  . The   fly i ng-ca paci t or  M LI  [ 1 4 ]  w a s  propos ed  b y  T. M e y n a rd  i n   1 992 .  Th e  t opo l o g y   h a s   i de nt i cal  s t r u c tu re   w i t h   th e   f o rmer  t op o log y   b ut   u se s  c l amping   c ap aci t o rs   i nst e ad   of  c lam p ing  d i ode s.   F o r  M L I ,   h igh e r  num ber  of  o u t pu t  v o lta ge   l eve l   g e n er at ion  is  d e s i rab l e   to  i m p ro ve  t h e   h ar monic s   profi l e of the  o ut put  vol tage . M or e over ,  it c a n reduc e t h e   s i ze  of  t h e   ou t p ut  fi lte r. H ow ev e r ,   it w a s kno w n  tha t  MLI  req u ire s   m ore   c o mpo n e n t s   i f  ex te nde d  for   hi g h er   vol ta ge   l e v e l s  p r od uc ti on.  T h i s  can   l ea d  t o   overa l l   syste m   t o  be   c ostl y,  b u l k y   a nd  re l i a b il i t y  i s   r educe d .  To   o v e rc om e  th i s   l im itat i o n ,   r e sea r ch  o n   reduce d   d e v i c e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J   P ow  Elec & D r i   Syst, V ol. 10,  No.  3, Sep 2019  :     1133 –  1 140   1 134 cou n t   M LI  t o p o lo gie s   a re   g a i nin g   m om en tu m.   S e v era l   p ro m i si ng  t o p o l o g i es  h a v e   bee n   i nt r oduc e d   i n  r e cent   y e ars  [1 6 - 21 ].  G e n era l ly ,  th e   M L I  t o p o lo gi e s   c a n   b e  cat e g o r i z ed  u n d e r  t w o  g r o u p s ,  n a m e l y   t h e   s y m m e t r i c a l   to pol o g ie s,  w h e re   a ll   d c   so ur ce s  are   ha ve   e qua l   ma g n i t u d e s  a n d  a s y m met r i cal   t opo lo gi e s ,  wh ere   d c   v olt a g e   source s  ha ve  d ist i n ct   v olta g e   r ati o s.   T he  f orm e r   typ e   o f  to p o l o gy   i s  prefe rre d  si nce   it  ca n  pr o d u c e   hi g h er   numbe r  o f   o ut pu t   v o lta ge  l e v e l   u si n g   t he   s a m e   am ount   o f  de v i c e s .  S e ve ral  n u mbe r   o f  a s ym m e trical  M L I   to pol o g ie s  ha v e   b e e n  pro p o se d  i n   [ 2 2 -2 7].   In  [ 2 8 ]   new   m u l t i l ev e l  in verte r   t op o l o g y   kno w n   a s  packe d   U -ce l l   (PUC )  i s   p res e nt e d .  Thi s   t o pol ogy   c on sis t s  of   p a c k e d  U-ce l l   w h e re   e ac h  c e ll  is  c o m prise d   o f  tw o  sem i c o nd uc tor de v i c e s a n d a   dc  volta ge  so u rc e.  I n  th i s  paper , a n e w  m ult ile ve l   i n verter  w it h the  o b j e c t i v e   t o   r e duce   t h e n u mbe r  of c o m p one n t s c o unt   is  p ro pose d .   It use s a   n i ne  sw i tche s a nd f our a ssym etric   dc  s o u r ces  t o  gene r a te  13- leve l of  ou t pu t   v o lta ge. The   pro pose d   t o pol og y  m ode l  w i l l   b e  deve lope d  via  Ma tla b- S i muli n k   s o f t w a r e   a n d   s i m u l a t e  u n d e r  d i f f e r e n t  t y p e   of  l oa d   to  v ali d a t e  its  v ia bi l i t y .   The  s i nus o i dal  pu ls e  w i d t h  m odu l a t i o n   (SPW M )   s t r at egy   wi ll   b e    dep l oye d  a s   t h e   s w i tc hin g   s tr ate g y  for  t h e  p r op o s e d   M LI.  F r om   t he  r e s ult,  t he   p rop o se d   MLI  pe rform s   w e l l  un der  ind u c t i v e  load.        2.   PR O P OS ED   T OP O L OG Y   I n   t his  pa per ,   a   n e w   M LI  w i t h  r e d u ce d  de vic e   c o u n t   i s  pr o pose d .   F unda me nt a l   u n it  o f   t he  p ro p o sed   MLI  t opo lo g y   i s  s how n  i n   F i gure  1.   I t  c o m p r i se s  of  e igh t   u n i di r ec ti o n al  S 1  t o   S 8 ,   one  b id i r ect i ona l  sw i t c h   S 9  and   four   v o lta ge   s ource s.  T he  u n i dire c tio na l  sw i t che s   c ons i s t  o f   a n  I G B T   a n d   a n  a n t i p a r a l l e l   d i o d e .  T h e   bi dire ct io na l  s w itc h  c o nsi s t s   o f  t w o  IG BTs,   t w o   d io de s  a n d   a  ga te   d ri v e r   c i rcu it.  A n   ant i - p ara l le l   d i ode   i s  use d  to  co n duc t c u rrent  i n  b o th  d i r ec ti o n s an d  bloc k vo l t a g e  i n   one  d ire c t i on.       S 1, 1 S 2,1 S 4,1 S 6,1 S 8,1 S 5,1 S 7,1 S 9,1 S 3,1 V DC 1,1 V DC 2,1 V DC 2,1 V DC 1,1 A B     F i gure . 1 F u n d a m ental b l oc k  o f  the  pro p o se d  M L I   to p o lo gy       Ta b l e   1.  Sw i tc hi n g  sta te s  for  13- leve l  M L I     St a t e s   S w it c h  sta t e s   V 0   S 1   S 2   S 3   S 4   S 5   S 6   S 7   S 8   S 9   Positi v e   le v e ls   1  0  0  0   0  0  1   1  1  1  1V   2  1  0  0   0  0  1   1  1  0  2V   3  0  0  1   1  0  1   0  0  1  3V   4  1  0  1   1  0  1   0  0  0  4V   5  0  0  1   0  0  1   0  1  1  5V   6  1  0  1   0  0  1   0  1  0  6V   Z e r o   l e v e l   7   1   1   1   1   0  0  0  0  0   0 V   Ne g a tiv e  le v e ls   8  0  1  1   1  0  0   0  0  1  - 1 V   9  0  1  1   1  1  0   0  0  0  - 2 V   1 0   0   1   0   0   0  0  1  1  1   - 3 V   1 1   0   1   0   0   1  0  1  1  0   - 4 V   1 2   0   1   0   1   0  0  1  0  1   - 5 V   1 3   0   1   0   1   1  0  1  0  0   - 6 V       Ma gn i t u d e  o f   t h e   t w o   D C   in p u t   vol tage   s our c e s  is  V 1   e ac h  and   the   o t he r  tw o  s ourc e s  has   ma gni tu de   of  V 2   e ach   a s  s how n  in  ( 1)  a n d   ( 2).   Th e  fu n d am enta l   u n it  i s   capa b l e   to  p rod u c e   th irte e n   v o ltage   l e v e l s   in  t he  ou tpu t .   To  a v o i d  s h or t - circ uit   of  d c   v o l ta ge   i n put s,  s im ulta n e o us  c o n duc t i on  of  s w i t c h  p a irs  (S 1 ,  S 9 )  ( S 5 ,  S 9 )  (S 2 ,  S 6 )  ( S 3 ,  S 7 )  and  (S 4 ,  S 8 )  sho u l d  be  a v o ide d .  S w it c h ing  s t a t es  t o  pr od uc e  13-le ve l  outp u t   vol t a ge   a re    show n in Ta b le 1.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A n o vel  si ngl e-p h a s e  PW M  a s ymme t r i c a l  mul t i l e vel  i n v e rt er w i t h  nu mb er of  .. . (S . K a k a r)  1 135   1  ;  ( 1 )       2  ;  ( 2 )     Th is v o l t a ge s o u rc e co nfig urat io n c a n  pr oduc e t h irte e n  vo l ta ge  le ve ls of  0V , ±1V DC ,  ±2   V DC ,  ± 3   V DC , ±4 V DC ,  ±5  V DC  and  ±6  V DC  in the  o u tpu t .     2.1.   Total voltage  s t ress  O n e   of  i m por t a nt  p a r am eter   i n  eva l u a ti ng  t h e   pe rform a nc e  of  t he   M LI   t op ol ogie s   i s  the  t o t a l  v o l tag e   st r e ss  (TV S )  of  t o p o lo gy.   I t  is  d esira b l e   t o   ob ta in  l ow   T V S   s in ce   i t  a l so  r e f lect s  t h e  de ve lo pm ent  c o s t   o f  t h e   to pol o gy.  H i g h e r   TV S ,   m ea ni ng  th at  one  n e e d  t o   u se   s w itc h  t h a t   has  h i g h   bloc kin g   v ol ta ge  c a p a b ili ty,  w h ic h   norm a l l y  e xpe nsive   to  p roc u re  [ 22].   The   b l ock i ng  vo l t a g e   of  t he   s emi c on du ct o r   s wit c h  i s   t h e   t ot al   v ol t a g e   st r e ss  to  w ith st and   i n   i ts  o ff- s ta t e .  T h e  ma xi m u m  bl ock i n g   v o l t a g e  by   e a c h  sw it c h   i n  prop ose d   t op o l o gy  can   be  o b t a i ne d t h rou g h  (3) -(7).    V    V    1 V  1 V      2 V  ;  ( 3 )     V      V     2 V   2 V     4 V  ;   (4 )     V      2 V   ;  ( 5 )     V      V   2 V  2 V  4 V  ;  ( 6 )     V      V     1 V    1 V  2 V    4 V  ;   (7 )     Th e r efo r e,  T o t a l   v o l t a g e   s t r es s  (TVS )  o f   a ll   t h e   s emi c o nduc t o r  sw itc hes   u til ize d   i n  fun d a m ental   b l oc k  c a n  be   ca l c u l a t e d  by  a d d i ng   a l l  t he  b loc k e d  v ol ta ges   as show n  i n   ( 8 ) .    TVS = V S1 +V S2   + V S3 +V S4 +   V S5 +V S6   V S7 +V S8+ Vs 9 =2 V DC +4 V DC + 4V DC+ 2V DC + 2V DC+ 4V DC+ 4V DC + 2V DC + 2V DC   TVS    2 6 V  ;   (8 )     2.2.   Ex ten t io n to  n-lev el  o utput v o l t a g e   F undam e ntal  u nit  of  t he  p ropose d  t opology  can  be  e asily  cas c ade d  to  g ener ate  h i gher   numbe r  of  ou tpu t   v olta ge   l eve l s.   F i gure   2  dep i c t s  t h e  gener a lize d   c ir c u i t   o f  th e   p r esen t e d   t opo l ogy   f o r   n -l ev el   o u t pu t .   The  ca sca d e d   s truc t u r e   i s  a b l e   o f  pro d u ce  hi g h er  num ber   of  l e v e l  w i th  s uita b l e  D C   s ource   s e l e c t i on.   T he  numbe r of  l e v e l s of the   o u t p u t   v o l tag e   w ave f orm   for  n  bl oc ks  s t ruc t ur e  ca n  be   d e t erm i ne d  u s i n g  eq ua ti o n   ( 9) .  Ter m   ( 10)  a nd  (1 1) ,  r e pre s ent  t h e  ma x i m u m   ou t p u t   v oltage   f or   n   un i t s  a nd  the   t o t a l  n u m b er  o f  I G BTs   requ ire d ,  respec tive l y.     1 2 1 ;  ( 9 )     ,    ,   ,   , ⋯ . .   , ;   ( 10)     5   1 /6 ;   ( 11)      S 1, 1 S 2, 1 S 4, 1 S 6, 1 S 8, 1 S 5, 1 S 7, 1 S 9, 1 S 3, 1 V DC 1, 1 V DC 2, 1 V DC 2, 1 V DC 1, 1 S 1, N S 2, N S 4, N S 6, N S 8, N S 5, N S 7, N S 9, N LO AD S 3, N V DC 1, N V DC 2, N V DC 1, N V DC 2, N V DC 2, N     Figure   2.  G ene r alize d  struc tur e   o f  M L I   to po log y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J   P ow  Elec & D r i   Syst, V ol. 10,  No.  3, Sep 2019  :     1133 –  1 140   1 136 3.   COMPARISO N  WI TH OT H ER TOPOLOGIES  C o m p a r is on   w it h  the   tra d i t i o nal s   a nd  r ece n t   r e d uce d   c om po ne nt s  MLI  t o p o l o g i es  i s  c ond uc te d  t o   val i d at e  t h e  e ffe c tive n ess  o f   t he  p rop o se d   MLI .   T ab le   2   s um m a ri se d  th e   c o mp ari s o n   f o r   s e v eral  M LI  to pol o g ie s  for   13-le ve l   out p u t  vo l t a g e.   I n  ter m s  of  I G B T  c o u n ts ,   it   i s   c onfirm e d  t h at  t he  p ro p o se d  MLI  st r u c t ure  has  t h e  l e ast   num b e r   of  I G B T  c o u n t s.  T he  p r o p o se d  MLI   h as  t he   l ow e s t  numbe r  of  T V S   a s  com p are d   t o  o t her  r ece nt   M LI   t op olo g i es  e xcep t  w h e n   c om pari ng  w i t h   M LI  o f  [1 6].   H o w e ve r,  i t  sh ou l d   b e   no te d  tha t   t he  M LI   p r o p o se d  i n   [ 1 6 ]  em plo y s  H - bri dge   f o r   p o l ari ty   r eve r sa l .   T he  vol ta ge   s tress  ac ros s   t he   sw it c h es  o f  the   H - bridge  a re  e qua ls  t o  i t s  M L I’ s  out p u t  vo l t age ,  he nc e  ma y  lim i t   i ts  u sa ge   t o  m e d i um   p ow e r   app l ica t i o ns  o nl y.  A s  for  tradi t iona l  MLIs,  all  o f   t hem   yi eld  T V S   o f  2 4 ,   w hich  i s  l o w e r  than  t he  p r o pos ed  MLI, w hic h  is  26 .   H o w e ver ,  t he  pr o p o se d  MLI   is st i ll co ns ide r ed  a s  a go od   a lt ern a ti v e  t o t h e t r adi t i on al  M LIs  due   t o   l o w   IG BT   c o u n ts.   T h e  pro p o se d  MLI   m u l tile ve l  i nver t e r   h a s   hi gher   am ou nt   o f  varie t y   o f   d c   i n put   vo lta ge  s our ces  ( N va r i e t y )   c o mpa r ed  t o  o t he r  me nt i o ned  to p o lo gie s .   H i ghe r  variety  of  d c  so urce   m e a ns  t ha t   th e   p r op o s ed  M LI c an  b e c o nfi gured  a s sy mme t r i c a l   of  a sy mmet ri cal  M LI.         Tab l e  2.  C om p a riso n w i t h  ot h er  13-leve l   i nve rter  top olo g i e s   Typ e   I G B Ts   D r i v e r s   N var i e t y   D i ode s   D c   links  T V S *V DC   N e g a tiv e le v e ls   C H B   24   2 4   1  24   6   2 4   W ith  H - b ridge   FC  2 4   24   1   2 4   6  24   I nhe re nt   NF C  24   2 4   1  24   6   2 4   inhe re nt   M L DCL  16   1 6   1  16   6   3 6   W ith  H - b ridge   S T - T y p e  12   9   2   1 2   4  30   i nhe re nt   [1 6]   1 4   14   2   1 4   6  24   W ith  H - b ridge   pro p os e d   1 0   9  2  10   4   2 6   inhe re nt       4.   DESIGN OF S I MULAT I O N  M ODEL  To  v a l i d a t e   the   perf orma nce   of  p ro p o se d  M L I  t o p o l o g y ,   sim u lat i o ns  a re   p erf o rme d   u sing   c o m pu t e r  softw a re   t oo l  Ma tl a b / S imul i nk.  S im ul a t i o n   mode l  o f   t he  p ro pose d   f unda me n t a l   uni t   i s   i llu st ra t e d   in   F i g u r e   3 .   The  va l u e  o f   t he   D C  s ource s   a r e  c onfi gure d   i n  t h e   rat i o  of  1 : 2 .  T h e  v a l u e  f o r  V dc1,1   =   1 5   V  wh il e  V dc1,2   =   30  V ,   r espec t i v el y .   T he   s i m ula t ion  m o del   w i ll  b e   t e s te d   un de r  diff er e n t   loa d   t ype .  T h e  fi r s t  t e st  w i ll  be  f o r   pure   resisi tive   l o a d  w it h R = 1 0 0   Ω   a n d  the  sec o nd  te st w i l l   be  a n i ndu c t iv e   loa d  w i t h  R  =  40Ω  a nd   L  =   2 00   m H .   F o r  s w i t ching  strat e gy,  a   m ulti- ca rrier  b ase d   P ha se-Disp o siti o n   s in us oida l  pu lse   w i d t h  m odu l a tio n  w ill  be  d e p lo y e d  for   p r od uc i ng  t h e  ga ti ng   s igna l s .   F i g u re  4   s ho w s  t h e  P D - P W M   w a v e f o r m   d i a g r a m .   T h e   fre que nc y  o f   t he  t ria n gu lar  ca rrier s  is  d epe nds  o n  the   sw i t c hi n g  fre que nc y  o f   t he   p ro p o se d  M L I .   T he  n um b e r  of  t r i a n gula r  c arr i e r s c a n be  c a l cu la te d  as ( 12).    Num b er  of  ca rrier   = N L  – 1     (12)    S i nuso i dal refe renc e w a ve of 50 H z  is c o mp a r ed w i t h a ll c a rrier   w aves  t o create pulses for swit c h ing  of  d e v i c es.  F i g u re  5   s h o w s   t h e   g a t e  pulses  of  t he  s w i tches   S 1  t o   S 9  f o r   1 3 - l e v e l   M L I .  T h e  t r i a n g u l a r   c a r r i e r   fre que nc y  is  5 k H z .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A nove l  sin g l e- phase   PWM   as ym m e tric al m u l t i l eve l  inve rte r  w i th  n u m b e r  o f   . . .  ( S .   Kaka r)   1 137 F i gur e   3.   S i m u lat i on  mod e l  o f   t he   p r o pose d   m ult i l e v el  i n v e r t e r   f o r   13- l e ve l  vo l t age  g e ne r a ti o n       F i g u r e   4 .   P hase  d ispos i tio n  PW M   w a ve for m   g e n er a tio n           F i gur e   5.   S w i tc hin g   p u l se s  f o r   13- le vel  MLI   top o l og y       F i gur e s   6 ( a ) – ( d )   ex hi b it  the   ou tpu t   v o l tag e ,   out put  c ur r e nt   a n d   t he  h am r onics  s pec t r u m  w h en   c o n n ec ted w ith  R=1 0 0  Ω. As c l ear ly be se e n  from   F i gur e 6( a),   th e  simu la t i o n  m od el  i s a b l e   t o pr o duc e  ou tpu t   v o lt a g e   o f   1 3 - l e v e l   as  e xp e c t e d .   T h e   f unda me n t al   v o l t a g e   c o m pon en t   i s   9 0  V   and   t h e   t o ta l  har m onic s   di st or t i o n   i s  7. 6%.   F i gur es  7 ( a ) – ( d )   exib it  the  ou t p u t   v o lta ge,   c ur r e nt  a nd  the   har m o n ic s  spec t r um  w hen  c o n n ec ted   w i th  i n d u c t i ve   l oa d   R= 4 0  Ω   a n d  L = 200m  H .   The   t o ta l  ha r m on ic s  d i s t or tio n  for   v o l ta ge   a n d   c u r r e nt   is  7 . 6 %  a n d  0. 38 %,   r espec t i v ely.   F r e que nc y   spec tr um   f or   o u t pu t  v o lta ge   c on f i r m s  tha t   t he  m a g nit ude   o f  ea c h   ha r m onic   i s   l e s s  t h an  5 %  w h i c h  me et  I EEE 5 19  sta n da r d s  ( m a gnit u d e  of   T HD  i s   e qu al   t o   o r   l ess  th a n   8 %   an d  m a gni t ude  o f e ach  o rder  har mon i c  is  e q u a l   t o   or le s s  th a n  5 %) .        (a)  (b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J   P ow  Elec & D r i   Syst, V ol. 10,  No.  3, Sep 2019  :     1133 –  1 140   1 138   (c )   (d )     F i gure   6.  S im ul a t i on  resu l t s  o f  ou t pu t v o l t a g e a nd c u rrent  w ave fo rm  w h e n   c o nn ect e d  w i t h  R=   1 00Ω , (a )   O u tput  volt a ge ,  (b)   Output  V olta g e  TH D ,  ( c )   O utput  C u r re nt,   ( d)  Outp u t C u rre n t T H D         (a )     (b )     (c )     (d )   F i gur e 7.  S i m ulat i on re su l t s for   ou tp u t   v o lta ge  a nd cur r en t w h e n   co n n ect ed  wi t h   i ndu ct ive   l o ad  R  =  40Ω   and  L = 20 0m  H,   ( a )  Output   v o l tage ,  ( b )  O u tput  V olt a g e  T HD,   ( c )   O utput   C ur re nt ,   (d)   O ut put  C ur re nt  T H D       5.   CONCL U S ION    I n   t h i s  pa pe r,  a   n e w   m ul ti l e vel   in verter   t o pol og y  u t iliz in g  les s   de v i c e   c ou n t   i s  pre s e n t e d.  I t   ca n   gene ra te  1 3-le v e l  out p u t  v o lt age   usi n g  n i n e   s w i t c hes  a nd  fo ur   a symm etric a l  D C   s ourc e s.  I t  c a n  be  e asily   exte n d e d   f or   h i gher  n u m b e r   o f  vol ta ge   l eve l s   w ith  l es s  n u m b er  o f p o w e r   devic e s   a n d   d e c rea s ed  v olta ge   s tress   on  sem i co n duc tor  de v i ces.   The  ma in   c ha ra cte r isti c  o f   t he   p rese n te d  t opol o gy  is  t ha t  it   h a s   t he  c a p ab il ity   t o   pro duce   a l l   vo l t age  lev e l s   w i t ho u t   n e e d   o f  H - br i d ge   c ircu i t .  A   P h a s e-D i sp os i t i on  P W M  s w itc hi n g   s tra t e gy  i s   em plo y e d   t o   ge nera te  s w i tc hi n g   s ig na ls  f or   t he  p ro pos ed  M LI   t o p o l og y.   F rom   the   si m u la ti on  re su lts,  it     wa s  fou n d   t h a t   th e  p r opo sed   t opo logy   i s  abl e   t o  g e n e rat e   13-l e v e l   o u t pu t  vol ta ge   w ith  l o w     to t a l   harm on ic s dis t or tio n.       ACKNOW LEDG E MEN T S  Th is  r esea rch  is  s po ns ore d   u nder   U n ivers i t i   t ek no l o g i   M a l a y s i a   Resea r c h   U nivers ity  G ra nt   ( RU G )   Tier  2  (V o te  no.  15J4 0 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A n o vel  si ngl e-p h a s e  PW M  a s ymme t r i c a l  mul t i l e vel  i n v e rt er w i t h  nu mb er of  .. . (S . K a k a r)  1 139 REFE RENCES    [1]   C.  C ecat i,  F .   C i ancett a ,  and  P.  S i a no,  "A  m ul tilevel  inverter  f o r   p hot ov oltaic  s ystems   w i t h   f u zz y   l ogi c  con t rol, "   IEEE  T r an sa c tions  on  Ind u s t r i al  E l ect ronics ,   v o l .  57 ,   n o .   1 2 ,   pp.   411 5-41 25 ,   2 0 1 0 .   [2]   P .   G .   B a r b o s a,  H.   A.  C .   B r a g a ,  M .   d .   C .   B .  R o d r i gu e s ,   an d   E .   C .   T eixei r a,   " Boo s t   c u rren t   m ultil e v e l in verter and  its  app l i cati on on   s ing l e-ph ase g r id -conn ected  ph o t o v o lt a i c system s ,"   IEEE tran sa cti o n s  o n  p o wer  elect ronics ,   v o l .  21,   no .   4 ,  p p .  1 1 1 6 -1 12 4,   2 00 6.  [3]   X.   Y u,  C .  Cecati,   T .  D i ll on ,  an d  M .   G .  Sim o es ,  "Th e   n ew  f ro ntie r  of   s m a rt   g r i d s ,"  IEEE Indus t rial  E l ec t r on i c s   Mag az in e ,   v o l.   5 ,   n o.  3 ,  p p .  49-63,   2 0 11.   [4]   H.   D i n g ,   Y .   Z h a n g,   A .   M .   G ole ,   D .  A .   W o odf ord,   M .   X.   H an,   a nd  X .  N .   X i a o,   " An aly s i s   o f  coup li ng  eff ect s  on   ov erhead   V S C -HVD C  tran sm issi on  lin e s  f r om  A C  li nes  wit h   s hared  ri ght   o f  way, "  IEEE T r an sa c t io ns  on   Powe r   Del i ver y,  vol.   25,   n o.  4 ,  p p .  297 6 - 2 9 8 6 ,   2 01 0.  [5]   S .   L i ,   T .   A.   H a s kew,   a nd   L .   Xu,   "Con trol   o f   H V D C   l i ght  s y s t e m  u sin g   c on vent io nal   an d  direct   c u rrent  v e c t o r  con t ro l ap pro a c h es,"  IE EE  T r a n sacti o n s   o n  P o we r   El ectro n i cs,  vol.  25,   n o .   1 2,  p p.  31 0 6 - 311 8,   2 0 1 0.   [6]   M .  V e e n s t r a  a n d  A .   R u f e r ,   " C o n t r o l   o f  a  h y b r i d   a s y m m e t r i c   m u l t i level  i n ver t er  f or  c o m pe titive   medi u m -vol t a g e   in du st ria l   d ri ves, "   I E E E  T r an sa c t io ns  on  in du stry   a p p l ic a tion s ,   vo l. 4 1,  no .   2 ,   pp . 6 55 -66 4 ,  2 00 5.   [7]   H.   A k a gi,  "Cl a ssificat ion,  t ermin o l o g y ,  and   app l i cati on  o f   t h e   modul a r  mul tile vel  cascade  con v erter  (MMC C), "   IEEE T r an sa c tions   on  Po wer Elect ro nics,   v o l .   2 6,  n o.   11,   pp.   3 11 9 - 31 30 ,   2 011 .  [8]   A.   V arschav s k y ,  J.   D ix on ,   M .   R ot ell a ,  an d  L.  M o r án ,  " C as cad ed   n i n e-l e v e l  in vert er  f or  h ybri d -s eries  acti v e  po we r  filter,  u s i ng  i ndust r ial   cont ro ller,"  IE EE  Tr an sactio ns  o n   In dus tr ial  El ectro n i cs,  v o l .   5 7 ,   n o.  8 ,  pp.   2 76 1-2 767 ,   20 10 .   [9]   M .   H amzeh ,  A .   G h azanf a ri,  H .   M o kht ari,  a n d   H .  Karimi,  "In t egrat in g  h ybri d   pow er  s o u rce  in to   a n  i s lan d ed   M V  m i cro g ri d   usin g  CHB  m u ltil e vel   i n v e rter  u n d er  u n b alan ced  a nd   n o nli n ear  l oad  co nditions,"   IEEE T r ans actio ns  o n   ener gy Co nver sio n ,  vol.  28,   n o .   3 ,   p p .   6 43 -651 ,  201 3.   [10]   S .   S ri kanth a n  a n d  M .   K .   Mish ra,   "DC  capa c it or  v ol tag e   e q u ali zat ion   in  n eut r al  c l a m p ed   i n v ert e rs  f o r   D STA T COM   app l i cati o n , "   I E EE  T r an sa c tio ns  o n  I ndu st ri a l  Electr oni cs,  vo l.   57,   n o .   8 ,   p p .   2 768-27 75 ,   2 010 .  [11]   T. -T.   Ma,   " P – Q   d ecou p l e d  co nt rol  schem e s   usin g  fu zzy  n eural   net wo rks  f o r  t h e  u n if ied  power  f l o w  cont ro ller, "   In te rna tio na l J o urna l o f  E l e c t ri cal P o wer  &   Ene r gy  Syst ems,  v o l.   2 9 ,   n o .   1 0 ,   pp.   748-7 5 8 ,   2 007 .  [12]   L.   L i u ,   P.   Z hu ,   Y .   K an g,  and   J .   Chen ,   "P ow er-f low   con t ro l  p e rf o rm ance analy s i s   o f   a  u n ified   po w e r-f lo w controlle r   in a no v el  con tro l  sch eme,"  IE EE tr ans actio ns on   po wer d e li ve r y ,   v o l .   2 2 ,   n o.  3 ,  pp .   16 13 -161 9,   2007 .   [13]   A .  N a b a e ,  I .   T a k a h a s h i ,  a n d  H .   A k a g i ,  " A   n e w   n e u t r a l - p o i n t - c l a m pe d   P W M  in ve rte r ,"   IEEE T r a n s a c t i ons on  in du st ry a pplicati o n s ,   no.   5 ,   pp.   518 -5 23 ,   1 981 .  [14]   T.   A .  Me yn a r d   a n d  H.  F oc h ,   " M u l t i- le v e l  c o nv e r sion :  h i g h   v o l ta g e   c h op pe rs  a nd   v olta g e -sou rc e   inv e rte r s,"   pp.   39 7-4 0 3 :   I E E E .   [15]   R. H. 1  Bak er, B ann i st er , L . H .,   " ‘E lectr i c p o wer c o n v erter’," 1 97 5.  [16]   E.   B abaei  a nd  S .  H.  H osseini,   " New  cascaded  m ul tilevel  i n vert er   t op olo g y   with   m in im um  numb e r  of  s witch e s, "   Ene r gy  Co nv e rsio n  a n d  Ma na ge me n t ,   vo l. 5 0 , no .   1 1,  p p.  27 6 1 - 2 7 6 7 , 20 0 9 .   [17]   M .   M alin owski,  K .  Gop a ku m a r,  J .  Ro drig uez,  a nd   M .  A.  P erez,   " A  survey  on  cascaded   m ul tilevel   inverters,"  IEEE  Transactions   on industrial  el ectroni cs,  vo l.   5 7 ,   n o .   7 ,  pp .  2 1 9 7 -2206 ,   2 01 0.  [18]   J.   D i x on  a nd  L.  M oran,  "High-le vel   mu ltistep  inverter  optimi zat i on  usin g   a  m i nim u m   n u mb er  o f  power  transist or s, "   IEEE   T r a n s a c t ions on  Power El ectron i cs,   vo l.   21,   n o .   2 ,  p p .  3 3 0 - 337,   2 00 6.  [19]   R .  S .   A l i s h a h ,  S .   H .   H o s s e i n i ,   E .   B a b a e i ,   M .   S a b a h i ,  a n d  A .   Z .   Gh areh ko us han,   " O p t i m a l  d e si g n   o f   new   cas cade   m u lti l ev el co nvert er to p o l o gy based o n  s eries   con n ecti o n   of  ex t ended  sub-mul t ilevel  units, "   IE T  Power E l ect ro n i cs ,   vo l.   9 ,  no .  7,   p p . 1 34 1-13 49 ,   2 0 1 6 .   [20]   M .   S adegh i ,  S .   H .  Ho s s eini,  R.  A lizadeh ,  and  M .   B a n aei,  "New  m i x e d  s t acked  m ulti cell  con v ert e r  w i t h   i n t erestin g   adv a nt ages, "   IET  Po wer E l ectronics ,  vo l. 5 , n o .   8 , pp .  12 9 8 - 13 0 4 , 20 1 2 .   [21]   M .   A rif,   S .  Ay o b ,  an d  Z.  S a l am,  "Asy mm etrical   N in e-level   i n v e rt er  t op ol og y  wit h   r edu ce  p o wer   sem i co nd ut or   dev i ces ,"  TE L K OM NIKA   ( T elecom m u n icati o n   Comp utin g Electr onics  and  Con t r o l),   vol.   1 6 ,   n o .   1 ,   p p.   3 8-45,   20 18 .   [22]   E.   B abaei ,  "A   cascad e   m u l t ilev e l  c o nv erter  top o l o g y   w it h  redu ce d  n u m b er  o f   sw it ches, "   IEEE T r an sa c tio ns  on  po wer el ectr onics,   vol.   23 ,   no.   6 ,   p p .   2 65 7-26 64 , 2 00 8.   [23]   E.   B ab aei,  S.  H o s s e ini,  G .  G h arehp e ti an,  M.  T .  H a que,   an d  M .   S a bahi ,   "Red uct i o n   o f   dc  v o l t a ge  s o u rces   a n d   sw it ches   i n  as y m m e tri cal  m ultilevel   con v ert e rs   u si ng  a  n ovel  t o po log y ,"   El ectric P o wer  Sys t ems  Resea r ch ,  v o l.   77,   no .   8 ,  p p .  1 0 7 3 -1 08 5,   2 00 7.  [24]   S .   L aali,   K .  Ab b a s zadeh ,  and   H .   L es ani ,   " A   new   al go rit h m   to   d et erm i ne  t he  m agn i t udes   o f   d c  vol tag e   s ou rces  i n   asy m m e tric  cas ca d e d   m u l t ilev e l  con v erters   c a p abl e   o f   usi n g   char ge   b al anc e   c on tro l   m e t ho ds, "   i n  E l ectrica l  M a c hi nes an d Syst e m s (ICEM S) , 20 10  In t e rn ational  Confer ence o n ,   p p.   5 6 - 61:  I EEE,   20 10.  [25]   Y.   H in a g o  and   H .   K oizumi ,  " A   s in g l e-phase  multi level  inver t e r   u s i n g   swit c hed  se ri es/ p arall e l  dc  v o l t a ge  s o u rces,"  IEEE  T r an sa c tions  on  Ind u s t r i al  E l ect ronics,   v o l .   5 7 ,   n o .   8 ,   p p .   2643 -2 65 0,   201 0.   [26]   M .   S .   b .   A r i f ,  S .   M .   A y o b ,  a n d  Z .   S a l a m ,  " A s y m m e t r i c a l  m u l t i l e v el   i nvert er  t opolo g y   wit h   r ed uced   p o w er   sem i con duct o r  devi ces, "   i n   20 16  IEE E  In dustrial E l ect ronics  an d A p p licati ons Co nfer ence ( I EACon ) ,  p p .  20 -2 5,   20 16 .   [27]   M .   S .   B.  A rif   a n d  S .   M .  A yob ,  "A  n o v el  s i ngle  p h ase  f i ve-l ev el   ph ot ovolt a ic  b ased   g ri d-co nn ec t e d  inv e rter, "   i n   20 14  IEE E  Co n f eren c e   on  En e r gy  Co nver si on ( C ENCON) ,   p p .   325-3 30,   2 0 1 4 .   [28]   Y.   O un ejj a r,  K .  A l -Had dad ,   a nd   L .-A.  G rég o ire,   " P ack ed   U   cell s   mul tilevel  convert er  t opol ogy:   t heoreti cal  s t u dy   and   exp e rim e n t al  v ali d atio n , "  IEEE  Tran sa cti ons o n  In dustrial  E l ect ro nics ,  v o l.   58,   n o.  4 ,  pp.   1 2 9 4 - 130 6,   2 0 11.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J   P ow  Elec & D r i   Syst, V ol. 10,  No.  3, Sep 2019  :     1133 –  1 140   1 140 B I OGRAPHIES  O F AUTHO RS           S a if ull a h  Kh an  r ecei ved   B.E .   i n  El ec t r ical   E ngin eeri n g   f r o m   N ED   uni versit y   o f   E ng in eering   an d  T echno lo gy   K arachi   Pak i stan   f ro m   20 11  t o   2 0 1 4 .   C urren t l y   h e  i s   P u rs ui ng  MP h i l   degree  in  p o w e r  electro ni cs  f ro m   S c h o o l   o f  Elect rical  E ng in eerin g,  U TM   M a lay s i a .  His  res earch  i n t eres t  i n c l u d e s   powe r   c o n v e rte r  to p o l og ies  a nd mod u l a tion stra te gie s  f or   r e n ewa b le  e ner g y   in teg r a t ion .       Sha h rin  bin  Md.   Ay ob   w a s   b orn  in  K u a la   L ump u r,   M a l a y sia .   H e   ob t a i n e d  his  firs t  de gre e   i n   E l ectri cal  E n g ineerin g,  M aster  in   E l ectri ca l   E n g i n e e r i n g   (P ower )  a n d   Do c t o r   o f  Phi l osop hy   (PhD)  from  U ni ve rsit i  Te kn olog i  Ma la ys ia   i n  20 0 1 ,  2 0 0 3   a n d  2 0 0 9 ,  res p ecti v el y .   C urren tly   h e  is   an   a s s oci a te  p rof e sso r  at   S ch oo l  of  E lect rical  E ngi neeri n g ,   F ac ulty  o f   Engineering,   U n i versi t i   T e kn olo g i   M a la y s i a .   H e   i s  a  re gi stered   G raduat e   E ngi neer  u n d e r   Bo ard  o f   E ngineer  M alays i a  (BE M )  and  Se ni or  M em ber  of   I EEE  (2018).  H i s   c urrent  r esearch  i n teres t   i s  s o l a r  ph ot ovo lt aic   s y s t e m ,  el ec t r ic  v ehi c le  t ec h n o l o g y ,   f uzzy   s y s tem ,   a nd  ev ol u t io nary  a l g or it h m s  f o r  powe r   el ectron i cs  app licatio ns .       N o rjuli a  M oh amad  N ord i n  rece ived   h er  B ache l o r’s  d egree  in   E l ect rical   E ng i n eeri ng  f r o m   U n i v ersi ti   T eknolo g i   M a l a ys ia,   Jo ho r,   M al a y si a,  i n   2 006 ,   M .   E n g .  S c .   Deg r ee  i n   E n e rgy  S y s t em  f r om  T he  U ni v e rsi t y   o f   N ew  S ou th   W a l es ,   A u st ra li a,   i n   20 08   a nd  Ph.D  from   Uni v ersit i   Te k n o l og i  Ma la ysia   ( U T M)  i n   20 16 .  C u rre n t l y   s he   i s  a   se n i or  l e c t u rer  at  t he  U nivers i t i   T e kn olo g i   M a lay s i a ,  J oho r,  M a l ays i a.  H er  r es e a rch   i n teres t s  are  A C   a n d   D C  d r i v e  s y s t e m ,   mul tilevel   i n ver t er and wide bandg a p  based  power e lect roni c con vert er.         M   Saad   B i n   A rif  recei ved   M .   T ech  d egre e  in  E l e ctrical   E ng i n eeri ng   w ith   s p ecializati o n   i n   P o w er  S y stem  a nd   D rives  and   G r ad u a t i o n   i n  El ectri cal  E ng in eerin g  in  2 0 1 0   a nd   2 01 0  respe c t iv e l y .   H is   res earc h   a r ea  o f   i nterest   -  p o wer  elect ron i cs,  app l i catio n  o f   p o w er  e lect ro ni cs  i n  renewab l e   en ergy  sy stems , en e rgy  sys t ems , an d  en g in eerin g ed ucat ion .         Awa n g  Juso h  w a s  bo rn  i n   Te re ng ga n u ,   M a l a y sia   in  1 9 6 4 .   H e   re ce iv e d  h i s  B .   E n g .   ( H o n s )   f r o m   Bri ght on   P o l yte c h n ic,   U K ,   in   1 98 8.   H e  o b tai n e d   h is   M S c .   and   Ph D .   f r om  T he   U ni versit y  o f   Birm in gh a m , U K in  1 99 5  a n d  2 0 0 4 , resp ecti v ely. Si n ce 1 9 8 9 , h e h as b een a lect u r er at Uni v ersiti  T e kn olo g i   M a la y s i a   a n d   i s  no w  an   A ss ociat e   P rofes s o r   a t   th e  D e p artm en t  o f   P o w e r   E ng in eering,  S c h ool   o f   El ectri ca l   E n g i neering ,   F acul t y   of  E n g i n eerin g ,   U n i ve rsiti  T e knol ogi  Mal a ys i a ,  M a l a ysi a .  His   res e a r ch   i nteres ts  i nclu de  a ll  areas  o f   p o w e r  ele ctron i cs  s y s t e m s   a n d   r en ewab le  en ergy.         Nik  Din  Mu ha m a d   is  c urre n t ly   a   S e n io r  Le c t ure r   a t  Sc ho ol  o f  E l e ctrical   E ngineering,  U niversiti  T e kn olo g i   M a la ys ia.  H e   h as   e xperi ence  in   t eac h i ng   a nd   r esear c  f o r  o v e r   t h a n  2 0   y e a r s .  H i s   current  r es ea rch   int e rest   i s  dc-d c   c o nv e r te r  de sign ,  LE D  drive r   t echnology,  conv erter  modelling   an d f eed back  c o n t r ol des ig n   f o r po wer el ectron i c s  con verter.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.