TELKOM NIKA , Vol.11, No .3, Septembe r 2013, pp. 4 89~494   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v11i3.1090    489      Re cei v ed Ma rch 2 7 , 2013;  Re vised July   3, 2013; Acce pted Jul y  20,  2013   H-Bridge based  Five-Level Current-Source Inverter for  Grid Connected Photovoltaic Power Conditioner      Suroso* 1 ,  Da ru Tri Nugro h o 1 ,   Toshihiko Nogu chi 2   1 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Je nde ral Soe d irma n Univers i t y , Ind ones ia   2 Departme n t of Electrical a nd  Electron ics En gin eeri ng, Shiz uoka U n ivers i ty, Jap a n   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : suroso.te.uns oed @gma il.co m 1 , ttnogut@i p c .shizuok a.ac.j p 2       A b st r a k    Makal ah  ini   menya jika n  s uat u a p lik asi  ran g k aia n  b a ru  d a r i  i n verter  je nis  sumber  arus  l i m a- leve l  yang  dig u n a ka n pa da siste m  photov oltaik  yang ter hub un g de nga n j a la -jala  listrik. D a la m ko nfig ur as i   mu ltilev e l  inv e r t er in i, se bua h  H-bri d g e   inve rter su mb er arus  d i hu bu ngk a n   d e n gan  mo d u l arus DC   ya ng   beker ja untuk  me mba ngkitka n  g e lo mba ng a r us  li ma-lev el . Keun gg ula n   d a r i  konfi gur asi i n verter ini   ad al ah   ju mla h  d a ri p i r anti p eny aklar an, da n ru gi-ru gi in dukto r da p a t  dikur ang i.  Konfig urasi dari rangk aia n   i n ve rter   li ma-l evel d i u j i  untuk apl ikasi  pada siste m   photov ol ta ik yang terh ub ung  deng an ja la-j ala listrik d e n g a n   simulas i  ko mp uter men ggu na kan softw are P S IM. Hasil pe n guji an  eksper i m e n  d a ri inv e rt er li ma- l eve l  ju ga   disaj i ka n. Dar i   hasil  p e n guj ian  di dap at b ahw a i n vert er y a n g  tela h d i ra ncan g  ma mpu  bek e r ja d e n g a n  b a i k   me mba ngkitka n gel o m b a n g  a r us li ma- l eve l   dan  meng inj e k s ikan ar us sin u soi dal k e  ja la -jala  listrik d e n g a n   nila i distors i  ha rmo n isa y ang k e cil serta faktor  daya ber nil a i s a tu.     Ka ta  k unc i:   in verter, lima-lev e l, jal a -ja l a listr ik, photovo l taic , harmonis a       A b st r a ct     T h is  pa per pr esents an app licatio n  of a n e w  circuit co nfigur ation  of H- brid ge  base d  f i ve-lev e l   current-so u rce  inverter  (CSI ) used  for gr id co nn ected  photov olta ics  system. In th i s  topol ogy, th e   inter m e d iate  le vel curr ents of  the five- l eve l   current w a vefo rm  are  gen era t ed by c o n nec ting D C  curr e n t   mo du le to  the  H-brid ge  CSI. Some  new  feat ures ca n  be  de rived  usi ng th is  new  top o lo gy  such  as re duci n g   the sw itching  pow er dev ice  count, an d re duci ng th e  in d u ctor con ducti on l o sses of t he i n verter. T h e   proposed fiv e -level CSI is t e sted for  gr id connected  photov oltaic system   t h rough comput er sim u lation using  PSIM softw are. F u rthermore,  the  exper i m e n tal test r e su lt s of the  pro p o s ed fiv e -lev el  CSI are  pres e n ted.   T he results sh ow  that the inv e rter  w o rks pro perly g e n e ratin g  a five-l evel c u rrent w a vefor m  a nd i n jecti n g a   sinus oid a l curr ent into p o w e r grid w i th less h a rmoni cs  distor tion an d w i th unity pow er factor oper atio n.      Ke y w ords : inv e rter, five-leve l , pow er grid, photovo l taic, har mo nics       1 .     Introduction     Basically , the  multilevel in verter top o lo gi es  ca n be  categ o ri zed i n to multilevel  voltage  sou r ce invert ers (VSI) an d  their dual circuits, i.e ., multilevel curren t source inverters (CSI) [1,  2].  The multileve l VSI has DC  voltage powe r  sou r ces  a n d  delivers mult ilevel  AC voltage wavefo rms   to the load, while the mul t ilevel CSI produ ce s  pre d e termin ed m u ltilevel  AC current wavef o rm s   from a  singl e  or  some  DC cu rre nt source s. Be cau s e  of its hig h  i m peda nce DC po we r  sou r ce,   the multilevel  CSI features high  capability of s hort - circuit protection.  The m u ltilevel invert ers   have vario u s advantag es comp ared  with the  con v entional two - level invert e r s  su ch a s  l o we r  d v /dt or lower d i /dt, and less harmoni cs conte n t of the output wavef o rm s [3-8].     In the rene wable p o wer g eneration  ap plic atio ns,  a s   most re newable ene rgy sou r ces,   su ch a s  phot ovoltaic sy ste m , generates DC po we r,  the pro d u c ed  power is fed  into the power   grid th rou gh  an inte rface,  e.g. grid  con necte d  inve rter. Mo st inte rnational  stan dard s , li ke IE EE- 1547, IEEE-929 and E N -61000-3-2,  set  requirement s on power  quality of the i n verters’ s output  waveform, su ch a s  harm o nic cu rrents  and tota l harmonics di stortion (THD) of  the generat ed  c u rrent waveform [9,  10].  Multileve l CSI  is  a key solut i on to m eet th ose  sta nda rd s. Control  of t h e   multilevel CS I con n e c ted t o  the  po wer  grid i s   co mp aratively si m p ler th an th e  grid  conn ect e d   multilevel VSI, as the multilevel CSI is more immu ne from the gri d  voltage fluctu ation, delivers  a   pred etermi ne d mag n itude  of the output  cu rre nt  to th e po wer gri d  and  can  op erate  at a hi gh  power  facto r . Furthe rmo r e, a  g r id co nne cted  CSI  doe sn’t nee d  cu rrent min o r l o o p s to   control t he  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 3,  September 20 13:  48 9 – 494   490 gene rated A C  current, which i s  in disp ensable i n  th e VSI. The output curren t of CSI is l e ss  dictated  by t he g r id volta ge [11]. Mo reover, the   di screte  diod es co nne cted  i n  serie s   with  the  power switch es to obtain  unidirectio nal  powe r   switches requi red  in the CSI  are un ne ce ssary  becau se reve rse - bl ockin g  IGBTs a r e currently availabl e [12, 13].      2 .     Proposed H-Bridge b ased Fiv e -Lev e l  Current-Source Inv e r t er   2.1. Circuit Configura t i on  and Oper ati on Principle  Figure 1 sh ows the ba sic configu r ati on of  an  H-bridg e  CSI. This inve rter works  gene rating  a  three - level  cu rre nt waveform, i.e. level +I, 0 and  –I, a s  li sted in  the  Table  1. Fig u re   2 sho w s the configuration o f  t he propo se d DC current -module. Th e curre n t-mo du le is com p o s e d   by a DC  cu rrent so urce, u n idire c tion al  contro lled  po wer  switch  a nd a conn ect i ng diod e. Th e   newly  pro p o s ed  config urati on of  the five -level  CSI is  obtaine d by  conne cting  the  H-Brid ge  CS I  and a singl e DC  current -m odule   a s  sho w n  i n   Fi gur e 3.  The   DC cu rre nt-mo dule  work  ge nerating   the intermedi ate level  cu rrents fo r five-l evel out p u t current  wavefo rm g ene ratio n . The  amplit ude s  of the pa ralle l DC  cu rrent  sou r ces i n  th e pro p o s ed  fi ve-level CSI  are I/2, which is h a lf of the  amplitude  of the DC  cu rre n t  sou r ce in th e thre e- level  H-Bri dge  CSI .  Furthe rmo r e ,  all DC  cu rre n t  sou r ces  are  con n e c ted at  the same  po int, which m a ke the i s olate d  DC  cu rrent  sou r ces a r e  no  longe r n e cessary  in thi s  to pology [1 4, 1 5 ]. The  DC  current sou r ce   gen erat ion will  be explain e d   in   more det ail in the next section. The switching  state combi nation s  required to gene rate a five- level curre n t waveform are  listed in Tabl e 2.          Figure 1.  Co nfiguratio n of H-b r id ge CSI       Figure 2. DC  curre n t-mo du le        Figure 3. Pro posed H-b r id ge ba sed five -level  CSI    Table 1. Ope r ation mode s  of H-b r idg e  CSI  Q 1  Q 2  Q 3  Q 4  O u tput  C u rrent  1 0  1 0  +I   1 0  0 1  0  0 1  1 0  0  0 1  0 1  -I       Table 2. Swit chin g States of propo se d five- level CSI  Q1   Q2   Q3  Q4  Q5   Ou tpu t     1  0  1 0 0  +I  1  0  1 0 1  +I/2  1  0  0 1 1  0  0  1  0 1 1  -I/2   0  1  0 1 0  -I        2.2. DC Curr ent Ge nera ti on Circuits     In the pro p o s ed H-b r idge  b a se d five-lev el CSI, the the DC current  sou r ce is  obt ained  by  employing  an  auxila ry ci rcuit as  sho w n   in Fig u re   4. T he circuit wo rks  a s  a regul ated DC current  sou r ce for the inverter an d the current -mod ule s . The circuit sim p ly con s ist s  of a controll e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       H-Bri dge b a sed Five -L evel  Current-S ource In verte r  for Grid  Con n e c ted … (Su r o s o)  491 power  switch  (Q), a smo o th ing  in du ct or (L)  and  a f r ee   whe e ling  diod e (D F ). T he  switch  fun c tion s  regul ating th e DC current  flowing throu gh the  smoot hing indu cto r , and redu cin g  the smooth i ng   indu ctor  size, owing to th e  high-switchi n g-fre que ncy operation.  Free-whe e ling diode D F  is used  to keep conti nuou s cu rren t flowing thro ugh the  smo o thing indu ct or [15]. Figure 5 sho w s the  config uratio n  of a five-level  CSI ope rate s as  a gr i d  con necte d invert er. The  invert er i s  conn ect ed  to the  po wer  grid  thro ugh   a po we r t r an sformer a s   gal vanic i s ol atio n bet wee n  in verter  and  po wer  grid. T he five -level  CSI ne eds only a  si ngle  DC volta ge  sou r ce (V PV )  conn ecte d to the  ci rcui ts to   obtain two  DC cu rrent-sou rce s . The  DC voltage sou r ce  in this p a p e r is a ph otovoltaic sy stem.            Figure 4. The  circuit of DC  curre n t  gene ration         Figure 5. The  H-b r idg e  ba sed fi ve-level CSI for power grid  con n e c tion of  photovoltaic      2.3. Curren t   Con t roller a nd PWM Mo dulation Stra teg y     The pro p o r tio nal integral (PI) controll ers  are ap plied  to control the DC current s flowing   throug h the inducto rs  L 1  an d  L 2 . The amplitude of the smoothi ng in ducto r cu rren t is kept at 50 %  of the pea k value of the five-level cu rrent  waveform. The switching gate  sig nals of the  DC  curre n t gen eration ci rcuits  are  gene rate d by co mpa r i ng the  cu rre n t  erro r  sign al s after  pa ssi ng  throug h the   PI controller  with a  tria ng ular  wavefo rm. The s e  si gnal s a r e  used to  adju s t  the  operation of  the DC-c urren t  gene ration   circuit to  achi ev e  the bala n ce d DC  cu rrent source s I L1   and I L2 .    In this pape r, a level-shi fted triangle  carrier ba sed sinu soi d a l  PWM tech nique is  employed to  gene rate the  gate si gnal s f o r the five-l evel CSI po we r  swit che s  to o b tain the P W M  curre n t wavef o rm s. All ca rrier  waveform s a r e in  pha se with  ea ch o t her at the  sa me freq uen cy .  The freq uen cy of the  modulate d  si nusoidal si g nal (a refe rence sign al) determine s the  fundame n tal  freque ncy  of  the inve rter’s o u tput   cu rre nt wavefo rm, while th e fre quen cy  of  triangul ar  ca rrier waveform s give s the  switchi ng fr eq uen cy of the  five-level CSI  po wer switche s   [13-15]. Figu re 6 sho w s an  overall cont rol diagr am of the propo se d five-level CSI including the   DC  curre n t generation ci rcuit and invert er co ntroll ers.      3.   Results a nd  Analy s is    In ord e r to te st the p r op er ope ration  of  the propo se d syste m , the gri d  conn e c ted five- level CSI con f iguration  sho w n in Figu re 5 is tested th roug h com p u t er simulatio n s  with a PSIM  softwa r e.  Th e test param eters  are li st ed in  T able 3 .  Figure 7  sh ows the com puter  simulati on  result of the  prop osed five-level CSI whe n  the  inverter is conn ected with a  pure sinu soi dal  power g r id v o ltage, wh ere  the five-level PWM cu rren t, the current  inject ed i n to  the power-grid   (I inv ), the grid voltage (V Grid ), and the current flowing  th rough the smoothi ng in ducto rs (I L1  and  I L2 ) are prese n ted.  The five -level  inverter works well injected a sinu soid al current  into  the power  grid  with unit y  powe r  fact or .  Th e figure  also  sh ows the  tran sient wave forms when  the cu rrent  injecte d  by the inverter  cha nged fro m  4  A  to 8  A.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 3,  September 20 13:  48 9 – 494   492 sT 1 1 sT 1 1     Figure 6. Con t rol diag ram o f  the inverter        Figure 7. Test result when  the inverter i s   con n e c ted wit h  a pure  sinu soid al po wer  grid  voltage       Figure 8. Harmonic  spe c tra of inverter’ s  output  cur r e n t       Figure 9. Harmonic  spe c tra of powe r  gri d   voltage     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       H-Bri dge b a sed Five -L evel  Current-S ource In verte r  for Grid  Con n e c ted … (Su r o s o)  493 Table 3. Te st para m eters  Variable value  Smoothing inductors  1 mH   Output voltage of  PV  160 V  Grid voltage   140 V  Sw itching freq ue ncy  22 kHz  Filter capacitor  5  F  Filter inductor   1 mH   Load   R  = 6.5  ,  L  =1.2 mH  Output cu rrent f r equenc y  60 Hz  Transform er r a tio  1:1      The amplitud es of the smoothing ind u ctor  cu rre n ts are well balan ced for  both smo o thi n g   indu ctors I L1 , I L2  at 50  % of the output curre nt peak val ue. Figure 8 sho w s the harmoni c spe c tra  of the current  inject ed by the inverter (I inv ).  All of harmonic  comp o nent s a r e less than 1%. Figure  9 sho w s the harm oni c sp e c tra the p o we r grid voltag e.     Furthe rmo r e,  Figure 10 shows the co mputer  sim u l a tion results whe n  the inverter is  con n e c ted to a distorted p o w er g r id.  The harm oni c  spe c tra of the cu rre nt injected  by the inverter   into the p o we r gri d  (I inv ), a nd the  po wer grid volta ge  (V Gri d ) are  sh own i n  Fig u re  1 1   and  Figu re  12, res p ec tiv e ly . Figure 13 pres ent s  the load  c u rrent and five-level c u rrent waveforms   obtained  from the exp e rime ntal test.  The result s sho w   the proper o p e r atio n of the prop ose d  H-bri d g e   based five-le v el CSI as a grid conn ecte d inverter .         Figure 10. T e st result wh en the i n vert er i s   con n e c ted  with a dist orted po we r grid  voltage       Figure 11. Ha rmoni c spe c tra of the inverter’s  output cu rren t      Figure 12. Ha rmoni c spe c tra of powe r  gri d   voltage   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 3,  September 20 13:  48 9 – 494   494     Figure 13. Experim ental te st re sult of the  load current  and five-leve l  current waveform s      4.   Conclusion     In this pape r an appli c atio n of a new ci rcuit  co nfigura t ion of five-level CSI applying an H- bridg e  an d DC current-mo dule h a s  bee n pre s e n t ed.  Usi ng the  propo sed five-l evel CSI, a l o w  distortio n  of  output curren t with fewer  power  switch es,  an d small e r  in du ctors can be achi e v ed.  The inverte r  is pro p o s ed  to be use d  a s  grid -con ne cted ph otovo l taic po wer  condition er. T h e   prop osed  system ha s be e n  tested  thro ugh  com pute r  sim u lation s.  The  re sults  sho w  the  pro per  operation of  the propo sed  five-level CSI as a g r id  con n e c ted i n verter i n je cting a  sinu soi d a l   output cu rren t into the power gri d  wi th a  unity powe r  factor o p e r atio n.      Referen ces   [1]  J Ro dig uez, J S  La i, F Z  Pen g . Multil eve l  i n verter:  a s u rve y   of top o l ogi es , controls,  an d  ap plic atio n.  IEEE Transactions on Industrial Electronics . 200 2; 49(4): 72 4-73 8.   [2]  PG Barbosa,  HAC Bra ga,  MC Barb osa,  EC T e ixeri a . Boost curre nt multilev e l i n v e rter an d its   app licati on o n  singl e ph ase  grid  co nnect ed ph otovo l tai c  s y stem.  IEEE Transactions on Power   Electron ic s. 20 06; 21(4): 1 116 -112 4.  [3]  RT H Li, HS Chung, T K M Chan. An active modu latio n  tech niq ue for sin g l e -ph a se gri d  c onn ected CSI.   IEEE Transactions on Power  Electronics.  20 07; 22(4): 1 373 -138 0.  [4]  C Klum pner,  F  Blaaj erg. Us ing r e verse  bl ockin g  IGBT s   in p o w e r c onv erters for ad ju stable-s pee d   drives.  IEEE Transacti ons o n  Inductry App lic ations . 20 06; 4 2 (3): 807- 81 6.  [5]  Z H  Bai, Z C  Z h ang. Co nforma tion of multil ev el cu rrent so ur ce converter t opo log i es us in g the dua lit y  princi pl e.  IEEE Transactions  on Power Elect r onics . 20 08; 2 3 (5): 226 0-2 2 6 7 .  [6]  S K w ak,  HA T o li yat. M u ltil ev el c onverter  to pol og y  usi ng t w o  t y p e s of c u rrent-sourc e  i n verters.  IEEE   T r ansactio n s o n  Inductry App l icatio ns . 200 6; 42(6): 15 58- 15 64.   [7]  D Xu, NR Zargari, B Wu, J Wiseman, B Yu w e n, S Rizzo.  A med i u m  vo ltage A C  driv e  w i th parall e l   current sourc e  inverters for hi gh pow er a ppl i c ation . Proce e d in g of IEEE PESC20 05. 20 0 5 ; 2277- 22 83.   [8]  FLM Antunes, AC Braga, I Barbi.  App licati o n  of a g e n e ral i z ed curr ent  Mu ltileve l ce ll to  cu rrent sourc e   inverters.  IEEE Transactions  on Power Elect r onics . 19 99; 4 6 (1): 31-3 8 .  [9]  JY Bao, DG H o lmes, Z H  Bai, Z C  Z hang, DH Xu.  PW M control of a 5-leve l singl e-p has e current-so u rc e   inverter  w i th c ontrol l ed  inter m edi ate DC  li nk  curre nt. Procee din g  of IE EE PESC20 06 . 2006:  163 3- 163 8.  [10]  BP McGrath, DG Holm es. Natura l curre n t  Bal anc in g of  Multice ll C u rr ent So urce In verter.   IEEE   T r ansactio n s o n  Pow e r Electronic . 20 08; 23( 3): 1239- 12 46.   [11]  B Wu. High Po w e r Co nverters  and AC Driv es . Wile y - IEEE Press. 2006.   [12]  Suroso, T   Nog u chi. F i v e -Lev el C o m m on-Em itter Inverter using  Reverse-B l ocking IGBT s .  TEL K OMNIKA . 2012; 1 0 (1): 2 5 -32.   [13]  Suroso, T  No g u chi.  Commo n - Emitter T opol og y  of  Mu ltilev e l c u rrent-So u r c e Pu lse  W i dt h Mo dul atio n  Inverter  w i t h  C hop per b a sed  DC-Curr ent So urces.  IET Power Electronics . 201 1; 4(7): 759 -766.   [14]  Suroso, T  Nog u chi. N e w   H-B r idg e  Mu ltilev e l   Curre nt-Sourc e  PW M Invert er  w i th  Re duc ed S w i t chi n g   Device C o u n t. Procee din g  of IEEE IPEC. 2010: 122 8-1 235.   [15]  Suroso, H Pra s etijo, D T r inugroh o, T  Nogu chi.  A New  F i ve-Lev el Curr en t Source PW M Inverter for  Grid Con necte d Photovo l taics . Proceedi ng of  CIT EE. 2012: 98-1 03.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.