Int ern at i onal  Journ al of  P ow er El ectron i cs a n d  Drive  S ys te m   (I J PE D S )   Vo l.   9 , No .   2 ,  J un e   201 8 , pp.  660 ~ 667   IS S N:  20 88 - 8 694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 9 .i 2 . pp 66 0 - 667           660       Journ al h om e page :  http: // ia escore.c om/j ourn als/i ndex. ph p/IJPE D S   Fin ite - Contr ol - S et Pr edicti ve Cu rrent  Contr ol Based  Real a nd   Reactiv e Po wer Cont ro l  of  Grid - Connect ed Hybri d Modul ar  Multi level Conv erter       Ra s hmi  Ranj an Be her a ,  Am arnath T h ak u r   Depa rtment  o f  E EE ,   Nat iona l   Instit ut e  of   T ec hnol og y   Jam shedpur ,   India       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Oct   1 4,  2017   Re vised  N ov   27, 2 017   Accepte d  Fe b   07 , 201 8       Thi s  pape r  prop oses  a  m odi ed  thre e - phase   topolog y   of  Modular   Mu lt il ev e l   Convert er  (MM C)  and  i t s  appli ca t ion  in  gr id  c onnec t ion  of  dis tri bute d   dc   gene ra ti ons.   This   topol og y   h as  r educ ed   num ber   of  sw it ch  count s   compare d   to   the   conv ent ion a l  MM C,   el imin at es  th e  problem   of  ci rcu lating   cur ren t  and   havi ng  high er  e ci en c y .   A  sing le  dc  sourc e  is  r e quire d  to   produc e  sinusoidal  output s.  Th e  nu m ber   of  sub - m o dule s  (SM s)  in  thi s  topol og y   is  hal f  of  th e   SM s  req uire d  in  ca se  of  MM C,   in  addi t ion  to  a  single   H - brid e   ci rcu it   per   phase .   Thi s  pap er  pre sents  a  fi nit e -   con trol - set   pre dic t ive   cur r ent   cont ro l   sche m e  (FCS - P CC)  for  the   grid  conne cted  dc  source   through  t he  proposed   H y brid  Modular   Multi le v el   Con ver te r  (HM MC).   Thi s  cont rol le r  cont rols  th e   desire d  re al   and   rea c ti ve  power   demand  of  the  grid  insta nt aneous l y .   Th e   sim ula ti on  stud y  of  a   thr ee  phas e  grid   conn ec t e d  s y stem  h as  be en  done   in   Matl ab/ Sim uli nk   and  the  result s  are  provide d  f or  the   d i   ere nt   re al   and  r e ac t ive   pow er  d e m ands,   to  v al id a te   the c onc ept s.   Ke yw or d:   Gr i d  Co nnect ed  Syst em   Modula r  M ulti le vel Co nv e rte r   Pr e dicti ve  Cu rrent Co ntr ol   Re al   and   Re act ive  Power   Con tr ol   Copyright   ©   201 8  Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed.   Corres pond in g  Aut h or :   Ra sh m i R anj an  Behera ,   Nati on al   I ns ti tute o f  Tec hnol og y J am sh edpur   Dep t.  of E EE,  Nati on al   I ns ti tute o f  Tec hnol og y  J am sh edpur, In dia   Em a il : rash m iranj a n101 1@g m ai l.co m       1.   INTROD U CTION     The  m ultilevel  vo lt age  sou r ce  conver te r s  are  qu it e  popula r  powe r  el ect ronics  so lut ion s  to  the   m edium   to  hig h - vo lt age   ap plica ti on s.   Se ver al   m ulti le vel  topolo gies  are  bein g  c om m ercialize d,   su c h  a s   Neu t ral  Po int  Cl a m p  (N PC),   Fly ing   Ca pacit or   (F C)  a nd   Ca scaded   H - bri dg e  (C HB)  [ 1] .   These  topolog i e s   hav e  so m e tec hn ic al  c halle ng es, like  NP C a nd FC a re quit e b ec om e co m plex  t o  im ple m ent if the  d e sir ed  le vel  of  outp ut  vo lt a ge  is  i ncr ease d,  s o  these   h ave   le ss  scal abili ty   issues.   A nd  al so   as  t hey  ha ve  si ng le   i nteg rated   structu re,  if  the re  will   be  so m e  fau lt s  in  the  conve rter  swit ches,  the n  the  t otal  conver te r  has  to  be   re placed.  S o  for  reli abili ty   a nd   ease  of  ope rati on   pu rpose,  the  m ultilevel  top ol og ie s   ne ed  to  be  m or e  scal able  and   s o  nee d  to  be  m odular.  In  so m e  extent  the  C HB  to po l og y  s olv e   these  pro blem s.   But  agai n  the   m ult il evel  topolo gy   need to  be  le ss   com plex  [ 2,   3].   Af te r   the  i nce ption  of  M odul ar  Mult il evel  Converte r  (M MC )  in  2003[ 4],  this  t opology   becam e  a   popula r  al te r na ti ve  for  the   co nv e ntio nal  m ul ti le vel  conver t ers.   It  has  seve ral  ad van ta ges  li ke  m od ular  de sign,   easi er  scal ing  of   le vels,  hig he r  ef fici enc y  becau se  of  le ss  switc hing   com po nen ts ,  and   e xcell ent  ou t pu t   wav e f or m s  wit h  le ss  har m on i c  dis tortio ns .  This  to po l og y  util iz es  the  su bm od ules  (S M s)  f or   the  c reati on   of   le vels.  T he  S Ms  hav e   seve r al   cong ur at io ns,  f ro m   wh e re  the  half   b  i dg e - base d  SM  ( H BSM )  is  quit e  popula r   for  it ' s  si m plicity   in  operati on.  The   sch em a ti c  of   t he  MM C  an d  a  HBS M  is  sho wn  in   Fig ur e   1(a)   a nd  1( b)   resp ect ively   [4] - [10].  T he  H BSM   is  com po se d  of  tw o  powe r  el ect r onic s  switc hes  a nd  a   capaci to r  acros s   them .  Ho wev e r  this  topolo gy   req uires  tw o  dc  sup plies  and   tw o  arm s  of   SMs  for  the  sinusoi dal  ou t pu t   wav e f or m s  as  sh ow n  i n  Fi gu re  1( a ).  This   topolo gy  al s o  s uffer s   f r om   the  pro blem   of   i nh e re nt  ci rc ulati ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow  Ele c  &  D ri   Syst     IS S N:  20 88 - 8 694       Finit e - Co ntro l - Set P redict iv e Curre nt Co ntr ol B as ed  Re al  and React iv e P ower  …   ( R as hmi R an j an Behe ra )   661   current  bet wee n  the  arm s  du e  to  the  capaci tor  i m balances,  wh ic h  require  a  separ at e  con tr ol  sche m e  to  m ini m iz e thr ou gh capacit or   volt age  balanci ng  [7 ] .   To  ad dr e ss  al l  these  issues,  m od i f ie d  hy br id  MM C  top olog y  is  pr opos e d  in  [15],  as  sho wn   in  Fi gure   1( c ) .   This   to polog y  util iz es  only   one  a rm   of  SMs  per  ph as e  al ong  with   a  H - br i dg e   ci rc ui t  acro ss   the   lo ad  f or   the  ge ne rati on  of   sin us oi dal  outp uts  [ 15] .  A s   com par ed  t o  t he  MM C  this  HMMC   is  ha vi ng   half  of  the   SMs  with  one  H - bri dg e ,  so   le ss  sw it ching   com ponen ts .  The  co m par ison   of  num ber   of   switc hes  an d  SMs  with  th e   MM C  is  giv en   in  Table  1.   D ue  to  le ss  s witc h  co unts  this  topolo gy  is  m o re  ef fici ent  an d  hav i ng   le ss  c om plex   ci rcu it ry.  T his  desig n  is  h a vin g  le ss  e nergy  stori ng  com po ne nts,  w hich  m akes  this  m or e  com pact  an d  le ss e r   cost.  I n  this  pa per   on e  of   it ’s  app li cat io n  are a  of   gri d  c onne ct ed  dc  s ources ,  su it ably   for  r enew a ble  distri bu te d  gen e rati ons  (DGs) has  b e en  inv e sti gated.   The  c on t ro l  of  gr i d  co nnect ed  co nverte rs  is   a  ver y  m uch   chall eng i ng  ta sk   beca us e  of  f r equ e nt  loa d  var ia ti ons,  w hich  need s   to  s uppo rt  fr e que nt  real  an d  reacti ve  power  dem and  by  t he  gri d.   T he refor e   th e  D Gs   hav e  t o  pr ov i de   require d  real  and   reacti ve  powe r  to  sta bili ze  the  gri d  pow er .  Va rio us   c on t ro l  sc hem es   for  this  pur po se   ha ve  be en  publishe d  base d  on  pro portio nal  plu s   in te gr al   ( PI)  c ontrolle rs .  As  this   ap plica ti on   is  Mult i   Inp ut  Mult i  Ou tp ut  (MIMO )   kind  of   syst e m ,  therefore  m ul ti ple  PI   co ntr ollers  nee d  to  be  ap plied  for  the  desir e d  c on tr ol   act ion .  T he  pro blem   with  these  P I  co ntr ollers  is  that  these  ha ve  t o  be  pro per ly   tun e d,   oth e rw ise   t hey  can  a dv e rsely   aff ect   the   syst em .  Hen ce  thes e  kind  of   syst em s  need   a  sim pler  c on t ro l  sc hem es.  Var i ou s   ad va nc ed  c on t ro l  the or ie s  ha ve  bee n  e vo l vi ng  s pe ci al ly   fo r  the   powe r  el ect r on i cs  (P E s)  a ppli cat ion s.   The  m od el   predict ive  co ntr oller  w hich  ar e  us ually   pr e f err e d  earli er  f or   the  c hem ical  ind us t ries,  are  no w   beco m ing   popula r  i n  a pp li cat ion s   of  P Es,  be cause  of  it ’s  s i m pler  desig n,  and  easi er  im ple m en ta ti on   be caus e   of ev olu ti on  of f ast er  m ic ro process or s  for fa ste r  com pu ta ti on s  [6],  [9 ] - [ 14] .   This pape r  pre sents f i nite co nt ro l set s (FC S)   base d  pre dicti ve  curre nt contr ol tech nique [1 1] -   [ 14]  f or   the  gri d  co nne ct ed  dc   s ource  thr ough  HMM C.  This  te c hniqu e   i s  use d  to  fin d  the   best  s witc hing  se que nce  for   the  switc hes  of  HMMC   fro m   the  finite   switc hing  sta te s,  thr ough  m ini m iz ing   a  cost  functi on  de riv ed  f ro m   error   betwe en  the  re fer e nce  a nd  m easur ed  gri d  c urren t .  I n  this  w ork,   sepa rate  predict ive  con t ro ll ers   are  u s e d  for  in div i du al   ph a ses.  The n  t he  sim ulati on   stud y  is  stu died  for  diff e re nt  real  a nd  react ive  dem and  f r om   the   gr i d,   w ho se  r e f eren ces  w e re  pro vid e d  m anu a ll y and  the  r e sul ts are s how n.           Figure  1. Sc he m at ic s o f  (a )  C onve ntion al  sin gle - ph ase  MM C t opology , (b )  H al f - bri dge  S ub - Mo dule  (S M),  (c)   Hyb rid  MM C t opology.       2.   TOPOL OG Y AND B AS I C OPE R ATIO N   The  sin gle - ph a se  t opology  of   HMMC   is  sh own  in  Fig ur e   1(c).  Where  a  H   br id ge  is  co nnect ed  wit h  an  arm   of   SM s.  The  th ree  phase  gri d  c onne ct ed  topolo gy   is  sh own  i n  F igure  2.   Each  SM  is  com po sed  of  a  half  br i dge  ci rc uit  with   tw o  s witc hes  a nd  a   capaci tor   acr oss  them ,  as  s hown  in   Fig ur e   1(b ).   O n  t he  AC  side  a s   sh ow n  in  Fi gur e 2 ,  the t hr ee  phases a re  dec ouple d  th r ough t hr ee  transf or m ers,   T ( a , b, c ).  The HMM C       Table  1.  C om par iso n betwee n co nv e ntio nal  MM C and HM MC     Nu m b e r  o f  su b - m o d u les   Nu m b e r  o f  switch e s   Nu m b e r  o f  vo ltag e so u rces   MMC   2 N   2x2 N   2   HMM C   N +1 H - Brig d e   2 N +4   1     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694     I nt J  P ow  Ele c  &  Dr i   Syst , Vol.  9 , N o.   2 ,  J une   2018 :   660   –   667   662   pro du ces  outp ut  o n t he AC si de  as,       (1)           Figure  2. Sc he m at ic  d ia gr am   of thr ee - ph ase   gr i d - ti ed HM MC       The  SM  as  sh own  in  Fig ure  1(b ),   is  sai d  to  be  connecte d  w hen   the  up per   switc h  i.e.  Sn1   in  ON   an d  lowe r  switc h  S n2   is  OF   F  ,  a nd  the  SM  is  by passe d  w he n  S n1   is  OF   F  a nd  Sn2  is  O N . Th e  switc hes  of  the  H - br i dg e  a re  s witc hed  at   the  li ne   fr e quency  i.s .  at   50H   z.  T he   opposit e  dia gonal  s witc h  pa irs  are  s witc he d  O N   and OF F  at p osi ti ve  an d neg a ti ve  half  cyc le s for  t he reve rsa l of loa d  c urrent  to  ge ne rate A C at  load side .       3.   PREDI CTI V E CUR RENT  CONTR OL S CHE ME   The  gri d  c onne ct ed  three - ph ase  HMMC   is  con t ro ll ed  by  s epar at e  pr e dicti ve  cu rr e nt  co ntr ollers  pe r   ph a se.  T he   pr i m ary  obj ect ive   of  this  c on tr ol le r  is  to  prov i de   the  ade quat e  switc hing  se qu ence  to  t he  s wi tc hes   of  HMMC   to   ge ner at e  desire   real  an d  reacti ve  powe r  dem and  by   the  gri d.  T he  ov e rall   s yst e m   integrated  with   pr e dicti ve  c on t ro ll er im ple m e nted pe r ph ase   is sh o w n  i n  Fi gure  3.   The  c ontrol  sc hem e  is  div ide d  int o  th ree   st ages,   first  one  is  to  gen e rate  the  re fer e nce  c urren t,   f or -   m ula ti on  of c ost  f unct io n,  a nd the n  c hoosi ng the  opti m u m   switc hing se qu ence  with th e  m ini m u m  err or.           Figure  3. O veral l gr id  con nec te d  HMMC  sy stem  w it h  pred ic ti ve  curre nt c on t ro l sc hem e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow  Ele c  &  D ri   Syst     IS S N:  20 88 - 8 694       Finit e - Co ntro l - Set P redict iv e Curre nt Co ntr ol B as ed  Re al  and React iv e P ower  …   ( R as hmi R an j an Behe ra )   663   3.1.   Ref ere nce  Cur rent  Gener ati on   This contr ol sch em e is  ap plied for  in div i du a l ph ases se par a te ly . S o  the r ef eren ce c urren t  is gen er at e d  for  each  ph a se .  In   eac h  phas e,  the  first  ste p  is  to  der ive  th e  or th ogonal   sign al s  by  sensi ng   t he  phase  c urrent   per   sam ple  time  Ts .  Be cause  for  the  co ntr oller,  two  or t hogonal  sig nals  f r om   a  s ing le   sign al   is  necessa ry  to   con t ro l  the  rea l  and   reacti ve  powe r  sepa rate ly .  Ther e fore  a n  sig nal  ort hogonal  to  t he  act ual  phase  v olta ge  is  gen e rated .  As  sh ow n  i n  Fi gur e  4,  vαn  a nd  vβ n    are   the   sig nals  or t hogona l  to  eac h  oth e r,  w her e   the   first   one  i s   the  act ual  volt age  pe r  phase   and   t he  seco nd   one  is  pha se  sh ifte d  by  π/ 2.   The  nota ti on   n  is  us e d   for  the   diff e re nt  ph a s es  a,  b,   c.  N ow   t he se  signa l  wh ic h  are  in  sta ti on ary  r efere nce  f ram e,  conve rted  into  th e   synch ron ous (d  − q)  ref e ren ce   fr am e u sin g  f ol lowing e quat io ns   [11].       (2)     Now  from   these  vo lt age  sig na ls  in  d− q  ref e r ence    fr am e  an d  util iz ing   the  ref e ren ce  real  and   reacti ve  powe r,   t he  r e fe ren ce  curre nt s ign al s i n d− q r efere nce  fr am e are calc ulate d usin g,       (3)     The n  the  desir ed  ref e re nce  current  to  m at c h  up  with  the   real  and   react ive  powe r  de m and   by  the  gr i d,   is   gen e rated  b y,     (4)           Figure  4. Flo w char t  of pre dicti ve  cu rr e nt c o nt ro l al gorit hm       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694     I nt J  P ow  Ele c  &  Dr i   Syst , Vol.  9 , N o.   2 ,  J une   2018 :   660   –   667   664   3.2.   Formul at i on   of Cos t  F unct i on   In   t his  sta ge,  th e  gr i d  pa ram eter s  are obtai n e d  in  a d isc rete sam ple  t i m e  Ts .  The  a ct ual  gri d  cu rrent  is   discreti zed ,  w hich  will   furth er  us e d  f or   th e  fu tu re  predi ct ion   from   the  m easur ed  gri d  cu rr e nt  and   vo lt age   values  at sam ple tim e k , u si ng the  forwa rd - Euler  a ppr oxim at ion  as:       (5)     The  fu t ur e  gri d  c urren t  pr e di ct ion   is  done  by   cal culat ing   t he  gr id   cu rr e nt   for  eac h  possible  volt age   sta te s.  These  volt age stat es a r e cal culat ed fr om  the d if fe re nt sw it c hing   c om bin at ion s,  as  sh ow n  in  Ta ble 2 .       Table  2.   Sw it c hing se quences  for   dif fer e nt  volt age stat es   Switch es     Vo ltag e States   S 11   S 12   S 21   S 22   S 31   S 31   S 31   S 31   S 31   S 31   + V dc   0   1   0   1   0   1   1   1   0   0   +2 V dc /3   1   0   0   1   0   1   1   1   0   0   + V dc /3   1   0   1   0   0   1   1   1   0   0   0   1   0   1   0   1   0   0   0   0   0   - V dc /3   1   0   1   0   0   1   0   0   1   1   - 2 V dc /3   1   0   0   1   0   1   0   0   1   1   -   V dc /3   0   1   0   1   0   1   0   0   1   1       Now  the  pre dicte d  fu t ur e  c urren t  val ues  at   k  +  1  instant  f or   eac h  switc hi ng   sta te s  can  be  cal culat ed   from  each  volt age levels  as:       (7)     Wh e re  ig n  ( k  +  1)   an d  ig n  ( k)   are  t he  fu t ure  and   m easur e d  gri d  cu rr e nt  values  re sp ect i vely ,  von  ( k)   and   vgn  ( k)  ar e  the  m easur e d  inv e rter  ou t put  and   gr i d  vo lt ages  resp ect i vely .  Rf  n  an d  Lf  n  bei ng   t he   gr id  filt ers,   w he re  n  de note s  the  ph a ses  (a ,  b,  c ).     T he n    the    cost  f unc ti on   wh ic h  e valuat es  the  er ror  be tween   ref e ren ce  curre nt and  predict e d  c urren t  valu e s can  b e  prese nt ed  as:       (8)     This  co st  funct ion   will     decid e  the  best  s witc hing  se qu e nc e  wh ic h  will     be  pr ov i ded   t o  the  HMMC   switc hes f or   s witc hing.       3.3.   Choo sin g Op t im um Sw itchi ng   Seque nce   Af te r  t he  c os t  functi on  cal cul at ion   f or  each  vo lt age   le vels,   the  ob j ect ive  is  to  ch oose  th e  op ti m u m   switc hing  seq ue nce.  T his  is  do ne  by  choosi ng  the  cost  f un c ti on   with  m ini m u m   value.   It  m eans,  ch oo si ng   th e   vo lt age   le vel  t o  gen e rate  the   cur ren t,   w hich   will   be  the   m os t  cl os er  t o  the   ref e re nce  c urr ent  at   k  +  1  ins ta nce.  T he w ho le   pro cess is s umm arized  as  flo wchart i n  t he  Fi gur e 4 .       4.   SIMULATI O N RESULTS   In   this  pa per   a   6kW   at ts  thre e - phase  syst em   is   si m ulate d   in  the  Ma tl ab/ Si m ulink   en vir on m ent.  Th e   real  an d  reacti ve  powe r  re fere nces  a re  pro vi ded   m anu al ly   for  eac h  ph a se .  Va rio us   pa ra m et ers  ta ken  f or   t he  si m ulati on   stu dies  are  gi ven   in  Table  4.  Th e  syst e m   is  stud ie d  f or  dif fer e nt  values  of   re al   and   reacti ve   powe r   dem and s  by th e grid.   The  gr i d  phase   volt age  is  kept   at   230  V  olts   RM S  as  sho w n  in  Fig ur e  5(a ).   T he  c hanges   in  the  real   and reacti ve  po wer re fer e nces  are  done  i n diffe ren t t im es as sh ow n  in  Ta ble  3.   In it ia ll y  the  HMMC   has  to  gi ve  3k W   at ts  of  real  po wer   t o  the  gri d  un ti l  t  =  0. 5  Sec.  T he  reac ti ve   powe r  is  m a intai ned   at   0  V  a rs,   s o  the  gr i d  current  has  to  be  in  ph ase  wi th  the  gri d  vo l ta ge  an d  the  outp ut  powe r  fact or   i s  m ai ntained  at   un it y.  T he n  at   t  =  0.5  Sec   the  re al   pow er  a nd   reacti ve   powe r  ref e re nce  is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow  Ele c  &  D ri   Syst     IS S N:  20 88 - 8 694       Finit e - Co ntro l - Set P redict iv e Curre nt Co ntr ol B as ed  Re al  and React iv e P ower  …   ( R as hmi R an j an Behe ra )   665   increase d  t o  6  kW  at ts  a nd  3  kV  ars   res pe ct ively .  Fig ure  5(b ),   (c),  a nd  (d)  s hows   th e  phase  volt ag es  an d  currents  f or   phases  (a,  b,   c) .  Fr om   the  Figu r e  6,   it   can  be  seen  that  the  resp onse  of   the  c on t ro ll er  is  qu i te   fast  enou gh to  t rac k  the  r e fer e nce  pow e rs.       Table  3.  C ha nges in  real an d r eact i ve  pow er  ref e ren ces  p e r ph a se   Ti m e  ( Se c)   Real Po wer  ( W atts )   Reactiv e Power  ( V ars)   0   1000   0   0 .5   2000   1000   0 .55   2000   - 1000   0 .6   1000   1000           (a)     (b)       (c)     (d)     Figure  5. (a )  T hr ee - phase  grid  vo lt age s, (b ) Phase - a  gr i d v oltage a nd c urr ent,  (c)   Ph a se - b gr i d vo lt age   and  current,  (d) P ha se - c  gr i d vo lt age a nd curre nt .       The  res pons e  of r eal  and r eact ive p owe r  cha nges after c hang ing  the r e fer e nc e p ower  dem a nd s ca n  be   seen i n  the  Fig ur e  7. T he refe ren ce  po wer  a r e cha ng e d  at  ti m es t = 0 . 55 S ec an d 0.6  Sec .           Figure  6. Cha nges i n  the  r eal   and reacti ve  po wer dem and s  by  the grid .     Durin g  this  ti m e  per iod   t he   real  power   dem and   is  ke pt  at   6  kW   at ts  and   the  reacti ve  powe r  is   change d  from   3  kV  a rs  t o  −3  kV  ars   at   tim e  t  =  0. 55   Sec.  With   sli gh t  distu rb a nc es  the  real  power  is   m ai ntained  co ns ta nt  e ven   c ha ng i ng   t he  rea ct ive  powe r  de m and   at   t  =  0.55   Sec,  wh ic h  can  be   cl early   seen  i n  the  Fig ur e   6.   T hen   at   la st  the  powe r  re fer e nc es  are  ke pt  at   3  kW   at ts  a nd   3  kV   a rs  at   tim e   t  =  0. 6  Sec  f or  real   and   reacti ve  powe rs  res pec ti vely .  These  resu lt   sho ws  t he  ef fecti vene ss  an d  the  re sp onse  of   t he   FCS - Pr e dicti ve  cu rrent co ntr ol sc hem e. Th e  HM MC  p r ov i des  t he desire d  real  and reacti ve p ower  dem and e d by the  gr i d wit hout m uch d el ay .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694     I nt J  P ow  Ele c  &  Dr i   Syst , Vol.  9 , N o.   2 ,  J une   2018 :   660   –   667   666   The n  the  w hole   syst e m   is  s i m ula te d  for  gri d  vol ta ge  s well   and   sa g  co nd it ion s.  I n  this  case  kee pi ng   the  reacti ve  powe r  dem and   at   0V   ars ,  the   real  powe r  dem and   is  ke pt  at   6kW   at ts.  The  gri d  volt age  is   increase d  by  20%  of  it s  RMS  value  as  s hown   in  Fi gure  7(a).  T he  co rr e s pondin g  gri d  c urren t  is  increa sed  t o  m at ch  up   th e  r eal   power   s up ply  by  the  H MM C  to  the  gri d  as  s how n  i n  Fig ure  7(b ).   The  real  a nd  r eact ive  powe r  is  bein g plott ed  i n  Fi gu re  7( c ).           (a)     (b)     (c)     Figure  7. (a ) G rid v oltage,  ( b) G ri d  c urre nt,  ( c) Real  and  rea ct ive pow e r  s upply  by H MM C t o   the  grid,  dur i ng  swell  con diti on       It  can  be  obser ved   from   the  Figure  8(c)  that  the  volt age  sw el l  caused   a  sli gh t  inc rem ent  in  the  real   powe r  as  trans ie nt,  but  in  ve r y  le ss  tim e  i t  c a m e  to  ref ere nc e  value  due  t o  the  fast  re spon s e  of  the  co ntr oller.   The n  t he  syst em   is  si m ula te d  for  the  sa g  c onditi on   i n  the   gr id  volt age  as  show n  in  F igure  8(a) .  Th e  gr i d  vo lt age  is  dec r eased  by  20%  of   it s  RM S  value,   an d  the  c orrespo nd i ng   gr i d  cu rr e nt  an d  the  real  an d  rea ct ive  powe r  s upply c an be see n  i n  F igure  8(b) an d (c) re s pecti vel y.         (a)     (b)         (c)     Figure  8. (a ) G rid v oltage,  ( b) G ri d  c urre nt,  ( c) Real  and  rea ct ive pow e r  s upply  by H MM C t o  the  grid,  dur i ng  sag  c onditi on.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow  Ele c  &  D ri   Syst     IS S N:  20 88 - 8 694       Finit e - Co ntro l - Set P redict iv e Curre nt Co ntr ol B as ed  Re al  and React iv e P ower  …   ( R as hmi R an j an Behe ra )   667   5.   C O N CLUS I ON   This  pap e r  pr e sents  the   gri d  app li cat io n  of   a  ne w  to polo gy   nam ed  as  H ybrid   Mo du la r   Mul ti le vel  Converte r  (HM MC ).   This  topolo gy   has  r edu ce d  num ber   of   s witc h  co un ts  tha n  the  conve ntion al   MM C.  Ther e f or e  it   is  m or e  eff ic ie nt  and   has  le ss  co m plexiti es  in  ci rcu it   desig n.   A  6  kW  att  gr i d  co nnect ed  sy stem   is   si m ulate d  for  var i ou s   real  a nd  reacti ve   po wer   dem and s.   The   Finit e - C on t ro l - Set  ( FCS)  P re dicti ve  Con tr ol   schem e,  wh ic h  is  gr owin g  it ’s  popula rity   in  the  power   el e ct ronics  ap plica ti on s  is  bein g  e m plo ye d  here.  This   con t ro l sc hem e  is q uite ea sie r i n  i m ple m entation  tha n  the c onve ntio nal PI  c on t ro ll ers   beca us e of the e voluti on   of   fast  m ic ro - con t ro ll ers .  F r om   the  si m ula ti on   re su lt s  it   can  be  see n  th at   the  co ntr ol  act ion   is  ver y  m uch   eff ect ive  and is  h a ving  ver y  fa st res pons e ti m e to trac k  t he r efere nce  real a nd r eact ive  po wer s .     Table  4.   Var i ous  par am et e rs  ta ken f or sim ul at ion  st ud y   Para m eters   Sy m b o ls   Valu es   Fu n d a m en tal  Grid  Frequ en cy   Grid Ph ase Vol tag e   DC Inp u t Filter     Ind u ctan ce Filter     Res istan ce    Sa m p lin g  T i m e    Si m u latio n  T i m e   Nu m b e r  o f  Sub - M o d u les Per - Ph ase   Su b - Mod u le Cap acitance   f    vg n     Vdc    Lfn     Rf  n     Ts   t   N   CS M   5 0  Hz   2 3 0  V  (RMS)   4 0 0  V   1 0   m H   0 .01  Ω   5  µ s   1  s   3   4700 µ F       REFERE NCE S   [1]   H.  Abu - Rub,   M.  Mali nows ki,   K.   Al - Hadda d,   “ Pow er  El ectroni cs  for  Rene wabl e  E ner g y   S y s te m s,  Tra ns -   porta t ion  and  Industri al Appli c at ions, ”  Joh n  W il e y   &  Sons ,   2014.   [2]   J.  Rodriguez, J. S .   Lai,   et al. ,   “ Multi l eve l   Inve rte r s: a   surve y   of   to pologi es,   control s,  and   applicatio ns,”   IEE E   Tr ans.  Ind .   E lectron. ,   Vol .   49,   No.   4,   pp.   72 4 - 738,   Aug.   200 2.   [3]   R.   Om ar,   M.  R ashe ed,  et  al.,   “ Com par at ive   St ud y   of  a  Thr ee   Phase  Casca d ed   H - Bridge   Multi le ve l   Inve r te r  fo r   Harm onic   Reduc ti on , ”  TEL KOMNIKA  Indone sian  Journal  of  E le c tric al  Eng ineering ,   Vol. 14 ,   No.  3,   pp.   481 - 49 2 ,   2015.   [4]   A.  Le snic ar  and   R.   Marqua rdt ,   “ An  innova ti ve  m odula r  m ult il e vel   conv ert er  to polog y   sui ta bl e  for  a  wide  powe r   ran ge,”  Pr oc. of  IEE E   Powe r   Tec h. ,   Bologna,  I ta l y ,   June   2003.   [5]   IEE E  standard  for  int erc onnec t i ng  distribut ed  resour ce s  wit h  el e ct ric  power  systems,  IEE E  Std  1547 - 2003,   pp.   1 - 16,   2003 .   [6]   IEE E  Guide  for   Monit oring,  Inf orm ati on  Ex cha nge,   and  Control  of  Distribute d  Re sour c es  Inte rconne c te d  wit h  El e ct ric   Pow er  S yste ms ,   I EE E   St d  1547. 3 ,   2007 .   [7]   M.A.  Pere z ,   S.  Berne t ,   e t  a l.,  “ Circ uit  Topol og ie s,  Model ing,   Control   Scheme s,  and  Appli ca t i ons  Of   Modular   Multi le v el Conv ert ers,”  I EEE  Tr ans.  on  Powe r E le c tron. ,   Vol.   30 ,   No.   1,   Jan.   20 1 5.   [8]   A.  Dekka ,   B.   W u,   R.   L  Fuente s,  et   al.,   “ Evol ut io n  of  Topol ogie s,   Modeli ng,   Cont rol  Schemes,  and  Applic at ions  o f   Modular  Multi level  Conve rte rs, ”   IEEE  Journal   o f  Eme rging  Topi cs  in  Pow er  Ele ct ron. ,   Vol.   PP ,   Iss ue:   99,   Aug.   2017.   [9]   M.  Hagiwa ra  an d  H.  Akagi,   “ Control   and  exp er iment  of  pulse  width  m odula ted  m odula r  m ult il evel  conve r te rs, ”   IEE E   Tr ans.  on  Powe r E le c tron. ,   Vol.   24,   No.  7 ,   pp.   1737 - 1746 ,   J ul y   2009.   [10]   S.  Rohner,   S.  Berne t ,   M.  Hill er ,   and  R.   Somm e r,   “ Modell ing,   Sim ula ti on  and  Anal y s is  of  a  Mo dula r   Mul ti l ev e l   Convert er   for  M edi um   Volta g e Applic a ti ons,”   i n  Proc. I E EE Int .   Conf .   Ind .   Te ch nol ,   pp .   775 - 782 ,   2010 .   [11]   B.   S.  Ria r ,   T .   Ge y er  and  U.  K .   Mada wal a,   “ Model  Predictiv e  Dire c t  Curre n t  Control   of  Mo dula r  Multi -   le v el   Convert ers:  Mo del ing ,   Anal y sis,   and  Expe r iment al   Ev al ua ti on, ”  I EE E  Tr ans.  on  Powe r  Elec tron. ,   Vol.   30 ,   No.  1,   Jan.   2015 .   [12]   J.  Scolt ock ,   T .   Ge y er,   and  U .   K.  Mada wala,  “ Model  Predic t iv e  Dire c t  Pow er  Control   for  Gri d - Connec t ed   NP C  Convert ers,”  I E EE   Tr ans.  on   In dustrial  Elec tron. ,   Vol.   62,   No.  9 ,   Sep.   2016.   [13]   A.  Iqba l,   e t  al.,   “ Finit e  Stat e  Model  Predictive   Curre nt  and  Co m m on   Mode  V olt ag e  Control   f or  a   Seven - ph ase   VS I, ”  Int .   Journal  of   Powe r   Elec t.   and   Dr iv e   Syst ems ( IJP EDS) ,   Vol.   6 ,   No.   3,   Ja n.   2015 .   [14]   A. Chatt e rjee, K.  B .   [14]   Mohant y ,   V.  S.  Komm ukuri  and  K.  Tha kre ,   “ Pow er  qual ity   en h anc ement  of  sin gle   phase   grid  t i ed  inve rt ers  wit h   m odel   pre di ct iv e   cur ren t cont rol l er, ”   Journal   of   R ene wabl e  and   Su stainabl e   Ene rgy ,   Vol .   9 ,   No.   1,   Jan.   2017 .   [15]   R.   R.   Behe r a  a nd  A.  N.  Tha kur,   “ Hy br id  Modular  Multi l evel   Convert er  Bas ed  Single - Phase   Grid   Connec ted   Photovolt aic  S y s te m , ”   Inte rnat io nal  Journal   of   R enwabl e   Ene rg y Re search ,   V ol. 7 ,   No.   3,   2017.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.