Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 ,  Decem ber   201 8 , p p.   4047 ~ 4059   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 8 i 6 . pp 4047 - 40 59           4047       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Grid Co nn ec t ed Distribu ted Gene ration S ystem   wi th High  Volta ge Gain  Cascaded  DC - DC  Convert er Fed    Asy mm etric Mu l tilevel In verter T opology       S. Nag araj a  R ao 1 ,  D . V.  As h ok   Kum ar 2 ,  C h.  S ai   B ab u 3   1 ,3 Depa rtment   of   Elec tr ical and   E le c troni cs  Engi n ee ring ,   JN T   U ni ver sit y ,   Indi a   2 Depa rtment of  El e ct ri ca l   and   E l ec tron ic s E ng ineeri ng,   RGM CET,  Indi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   N ov   1 9 , 201 7   Re vised  Feb   7 ,  201 8   Accepte d  J ul   3 1 , 2 01 8       The   pap er  pre se nts  distri bute d  gene ra ti on  (DG )  sy st em  in  grid   conne cted   m ode  of  oper a tion  with  as y m m et ri c  m ult i - le ve l   inve rt er  (AM LI )  topol og y .   Casca ded   t y pe   DC - DC  conve rt er  is  emplo y ed   to  f ee d  propo sed  AM LI  topol og y .   Th e  DG   output   volt age  (ge ner all y   low  v olt ag e)  is  steppe d  up  to  the   req uire d   le v el   of   volt ag e  using  h i gh - gai n  DC - DC  conve rt er.   Propo sed  AM LI  topol og y   consist s  of  ca pa ci tors  a t  the   pr imar y   side.   Th e  outpu t  o f  high - gain   DC - DC  conve rte r  is  fed   to  split   volt age   ba la n c e  single - input   m ult i - output  (SI MO )  ci rcu it  to  m ai ntain  v olt ag e  balanc e  ac ross   ca p ac i tor s  of  AM LI   topol og y .   Casc a ded  DC - DC  conve rte rs  (both  hig h - gai n  conv ert er   and  SIM O  ci rcu it )  ar e  oper at ed  in  c losed - lo op  m ode.   The   proposed  AM LI  f ee ds  ac t iv e   power  to  grid  co nver ti ng  DC t y p e  of  power  gen er at ed  from   DG   to  AC t y p e  t o   fee d  th e  grid .   PW M  pat te rn  t o  tri gger   p ower   sw it che s  of  A MLI  is  al so  pre sente d .   Th e   inve rti n g  ci r c uit   of  MLI  to polog y   is  controlle d  using   sim pli fie d  I d - I q   cont rol  stra te g y  in  thi s  pape r.   W it h  the   proposed  cont rol   the or y ,   the  a c ti v e  power  f ed  to  g rid  from   DG   is  cont rolled  and  p ower  factor   is  m ai nta ine d  a t  unity .   Th e  pr oposed  sy st em  of  DG   int egr at i on  to  grid  through  ca sca d e d  DC - DC  conve rte rs  and  AM LI  struct ure   is  val i dat ed  from   fixe d  active   po wer  to  grid  from   D G  condi ti on.   The   pro pose d  sy st em  is   deve lop ed and  r esult s a r e  ob ta in ed  using MATL AB/S IMU LINK  software .   Ke yw or d:   Asym m et ric  m ulti le vel  i nv e rter   Distrib uted  g e ner at io n   Gr i d  i nte gr at io n   High - gain  D C - DC c onver te r     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 :   S.   Nag a ra j a Ra o,   Dep a rt m ent o f El ect rical  an d  Ele ct ro nics  E nginee rin g,   Jawa har la l Ne hru  Tec hnol og i cal  U ni ver sit y,   Kak i nad a , An dhra  Pr a des h, 5330 03, In dia.   Em a il :  nag ara jraom te ch@ gm ai l.com       1.   INTROD U CTION   Re new a bles  ha ve  acco un te d  f or   m or e  than  ha lf  of   al l  capaci ty   add it ion s  in   the  power   sect or   in  rece nt   and   past  ages.   The   powe r  ge ner at io n  us i ng  the  ren e wab le   so urces  is  cal le d  as  distrib uted  ge ner at io n  (DG).   Re new a ble  en erg y  (R E)  te c hnol og ie s  f or   el ect rici ty   gen er at ion   ca n  be   gr oupe d  int o  dis patcha ble  re ne wab le s   (e. g.   hy dro,   ge oth e rm al  and   bio m ass  po we r) ,  wh ic h  are  basical l y  ready   fo r  producti on   upon  dem and,  an d  non - dis patcha bl e  or  va riable   ren e wa bles  (e . g.   wind   an d  s olar),  whose   e le ct rici ty   pr od uction  dep e nd s  up o n  m et eor ologica l  conditi ons  an d/or  the  ti m e  of   the  day.  T he  pap e r  deals  wit h  el ect rical   po wer   ge ner at io n  us in g  no n - dis patcha bl e   ren ewa ble  powe r  te chnol og ie s - pri m arily  so la r  powe r - into  the  pow er  gr i ds .  T he  ty pica l   m od ular  siz e   of   var ia ble   ren e wa ble  te chnolo gies  i s  well   su it ed   to  distri bu te d  po wer   ge ne rati on     syst e m s  [1 ] - [ 2]   in  wh ic h  a  num ber   of   sm all  po we r  pla nts  are  co nn ect e d  to  the  distrib ution   gri d  a nd   produc e   el ect rici ty  close to  the  d em an d  sit e.   Gen e rall y  DG   [3 ] - [ 4]  (s olar,   i n  this  co ntext)  gen e rates  DC  powe r  of   l ow   vo lt age .  This  DG   pro du ce d  low  volt age  is   not  suffici e nt  to  dr i ve  a ny  of   t he  el ect ric al   syst e m   and  t hu s   the   lo w  vo lt age   f ro m   DG  is  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4047   -   4059   4048   increase d  to   a  le vel  su c h  t hat  syst e m   vo lt ag e  requirem ents  are  m et .  To  i ncr ease   the  D C  le vel  of  vo lt age,  a   DC - DC  co nve rter  [ 5 ] - [ 6]  is  e m plo ye d.   A  DC - to - DC  c on ver te r   is  an  el ect ronic  ci rcu it   or   el ect r om ec han ic al   dev ic e  t hat  co nverts  a  s ource  of   direct  c urre nt  ( DC)  f r om   on e  volt age  le vel  to  a no t her .   It  is  a  ty pe  of  el ect ri c   powe r  co nv e rt er.  P ow e r  le ve ls  range  fro m   ver y  low  ( sm a ll   batte ries )  to  ve ry  high   (h ig h - volt age   powe r   transm issi on ).  DC  to   DC   co nverter s  wh ic h  are  dev el op e d  t o  m axi m iz e  t he  e nergy  harvest  f or  photovo lt ai c   syst e m s  and   f or   wind  t urbin es  are  cal le d  powe r  op ti m iz e rs.   DC  to  DC  conve rters  in   e le ct ro nic  ci rc ui ts  us e   switc hing  te c hnol og y.   S witc he d  m od e  DC - DC  c onver te r  conve rts  the   D C  volt age  le ve l  by  sto rin g  t he   input  energy t em po r aril y and t he n r el eases t hat e ne rg y at   dif fer e nt volt age  outp ut.    The  stora ge  is   done  ei ther  in   m agn et ic   field   com po ne nts  li ke  an  inductor ,  trans form ers  or   el ect ric  fiel d  c om po ne nts  li ke  ca pacit or s   [ 7 ] - [ 8].  T hi s  conve rsion  m et ho d  ca n  i nc rease  or   dec re ase  the  vo lt a ge   le vel.  The  e ff ic ie ncy   of  the   c onvert er  has   inc reas ed  dr ast ic al ly   du e   to   the  us e   of  powe r  FE Ts,  wh ic h  a re  able  t o  switc h  m or e  e f fici ently   with  l ow e r  s witc hing  lo sses  at   higher   f reque ncies  tha n  power  bi po la r   tran sist ors  a nd   us e  le ss  c om plex  dri ve  ci rc uitry.   D G  ca n  be  ope rated  in  isl and i ng   m od e  or   gr id   interfaci ng   m od e  of  op e rati ons.  T he   integrati on  of   a  sig nifica nt  sh are  of   va riable  renew ables  into  po wer   gri ds   requires  a   su bst antia l  transfor m at ion   of   the  existi ng  ne tworks .  G rid  integra ti on  sc hem e  of   D G  [9 ] - [ 10]   insist s  f or   f or   inv e rter circ uit t o  in ve rt the  D C t ype of s uppl y from  D G (so l ar)  t o AC ty pe.   A n  el ect rical   powe r  i nv e rter  i s  basical ly   a  ci rcu it   that   co nv erts  a  DC  si gnal   into  a n  AC  sign al .   T he   si m plest  topolog y  t hat  ca n  be   us e d  for  t his  conve rsion  is  t he  tw o - le vel  in ver te r   that  c on sist s  of  f our   s witc hes.  Each  switc h  ne eds  an  anti - pa r al le l  dio de,   so   there  sho uld   be   al so   four   anti   par al le l  dio de s.  Conve ntion a l  two - le vel  in ver te r   pro du ces   s qu a r e - wa ve  i nv e rte d  ou t put  co nta ining  in fin it e  har m on ic s  w hich  furthe r  i ns ist s  f or  high  siz ed  filt ers  to  obta in  sinu s oid al   out pu t  sha pe  [ 11 ] .  Con ve ntio na l  inv erter  im po s es  high  str ess  on  switc hes  (i ncr e asi ng   lo sses)  wh ic h  res ults  in  increa sed  i nsula ti on   densi ty   to  withstan d  vo lt age  str ess   wh ic h  fur the r  increa s es  the  cost  of   the  syst e m   du e  to  hi gh   siz ed  filt ers  an d  insu la ti on  le ve l.  To  el i m inate   the   disad vtan ges  in  co nventio na l  two - le vel  inv e rters,   m ul ti - le vel  inv e rt ers  ar e  de vel op e d.  A   m ul ti le vel    inv e rter  [ 12 ] - [ 13 ]   is  a  power  el ect ro nic  syst e m   that   synthesiz es  a  sinu so i dal  vo lt a ge  outpu t  f ro m   severa l  DC  so urces .    The  TH D  will   be  dec rease d  by   increasin g  th e  nu m ber   of  le vels.  It  is  obvi ou s  t hat  an  outpu t  volt age   with  low  T H D  is  desirab le ,  but  increasin g  the   nu m ber   of   le ve ls  need s  m or e  hardw a re,  al so  the  con tr ol  will   be   m or e  co m plica te d.   It  is  a  tradeoff  betwee n  pr ic e ,  weig ht,   com plexity   a nd   a  ver y  go od  outp ut  volt age  with   lowe r  TH D.   I n  this  pa pe r  re du ce d  s witc h  MLI  is  intr oduced   with  si ngle   DC  source  for  re ne wab le   energy   app li cat io n.   T he  pro per   bala ncin g  of  capac it or   is  require d  to  achieve  th e  desire d  outp ut  vo lt a ge  l eve l.  The  pro po se d  t opol og y ca n o per at e at b oth  sym m et ric an d  asy m m et ric conditi on . T he  te rm  ‘ asym m et ric’ in di cat es   that  the  util iz ed  DC  sourc es  are  di ff e ren t  i n  volt age  m agn it ud e.   The   m ai n   obj ect ive   of  a sy m m e tric   MLI  is  to   gen e rate  a  hi gher  num ber   of  ou t p ut  vo lt a ge   le vels  with  t he  sam e  nu m ber   of  com pone nt  w hen   c om par ed  t o  sy m m e tric  MLI [1 4].   In   a ny  gr id   co nn ect e d  a pp li c at ion s,  t he  m ain   obj ect ive  of  the  co ntr ol  st rategy  is  to  c ontr ol  act ive   powe r  in j ect io n  with  un it y  powe r  facto r  c ontr ol.  T he  i nv e rting  ci rc uit  of  MLI  t opology   is  co ntr olled  us in g  si m plifie d  I d - I q   con tr ol  strat e gy   in  this  pap e r .  The  pro po se d  con tr ol  strat e gy   ta kes  act ive  and   reacti ve  powe r  ref e ren ce  sig na ls  and   from   t his  I d  an d  Iq   c urren ts  a re  cal culat ed  a nd   fe d  to  c ontrol  str uctu re.  T he  propo se d  con t ro l  the or y   is  ver ifie d  with  fixe d  powe r   ref ere nce.  P r opos e d  co ntr ol   strat egy  is  si m il ar  to  I d - I q   con t ro l   theo ry  of  act i ve  powe r  filt ers  with  s om e   m od ific at ion s   since  t he  t he or y  is   ap plied   to  gr i d  c onne ct ed  app li cat io n  wit h  the  ai m   of   a ct ive  an d  rea ct ive  powe r  c ontrol.  I n  orde r  to  m ai ntain  the  un it y  po wer   f act or ,   gr i d vo lt age  is  ta ken  a s r e fere nce a nd th us  t he  f re quency c om po nen t  of  gri d  c urren t i s  g e ner at e d.   Gr i d  c onnecte d  distrib uted   ge ner at io n  ( DG)  syst em   with  asym m e tric   m ulti - le vel  in vert er  ( AML I )  topolo gy  fed   f ro m   casca de d  DC - DC  co nv e rters  is  show n  in  F igure  1.   The  pa pe r  pr e sents  gri d  co nnect ed   distrib uted  generati on   (DG)   s yst e m   with  no vel  m ult i - le vel  inv erte r  (MLI )  topolo gy.  D G  outp ut  is  fed  to  hi gh   gain  DC - DC  c onve rter  (bo os t)  to   increa se  th e  v oltage  le vel.   Propose d  ML I   topolo gy  c ons ist s  of   capaci to rs  at   pr im ary  side.  The  out pu t  of  high - gain  DC - DC  co nv e rter  is  fed   to  s plit   vo lt age  balanc e  sing le - i nput  m ul ti - ou t pu t  ( SI M O)  ci rcu it   to  m ain ta in  volt age  balance  acr os s   capaci tors  of   AMLI  to polo gy .  Ca s caded   D C - DC  conve rters  ( both  hi gh - gain   c onve rter  a nd  SI MO   ci rc uit)   are  operate d  in  cl os e d - lo op  m od e.  T he  propose d  AMLI   fee ds  a ct ive  po wer  to  gr i d  c onve rtin g  DC  ty pe   of  powe r  gen e rat ed  from   DG   t o  AC  ty pe  to   fe ed  gr i d.  P W M  patte rn  to  trig ger  po w er  s witc hes  o f   AMLI   is  pr e sented .  T he  bri dg e  ci rcu it   of  AMLI   to polo gy  is   con t ro ll ed  us in g  sim plifie d  Id - I q  co ntr ol  str at egy  in  this  pa per.  The  pro pose d  syst e m   of   D G  integ rati on   t o  gr i d  thr ough  casca de d  DC - D C  conver te rs  a nd   novel  MLI  structu re  is  validat ed  from   fixed   lo ad  a nd   va riable   load  c onditi on s.  The  pro pos ed  syst em   is  dev el oped  a nd  resu lt s  are  obta ined  us in g  M ATL AB/SIMU LINK   so ft war e .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Grid  C onnecte d Dist ribu te d Gen e ra ti on  Sys te m  wi th  High  Volta ge   . ..  ( S.  Nagar aja   Ra o)   4049       Figure  1.  Bl oc k diag ram  o f  pro posed  syst em       2.   CASC A DED DC - D C CO N VERTER S   2.1.   DC - D C Mul tile vel Bo ost  Conv e ter   The  c onfi gurat ion  of  DC - DC   three   le vel   boos t   co nverter   is  de picte d  i n  Fi gure   2.  It  co ns ist s  of  conve ntion al   boos t  c onver te r,   ( 2N - 1)   diod es  an d  ( 2N - 1)  capaci tors.  T he  m ai n  adv a ntages  by  us i ng   t he   pro po se d  to polog y a re it can  be  exte nd e d  t o N - nu m ber   of  l evels b y a dd i ng only  d io d es a nd  ca pacit ors  without  m od ify ing  the  m ai n  ci rcu it , h i gh   volt age g ai n  can  be ob ta in ed  with out use  of  tra nsfo rm er an d hig h du ty   cy cl e.  The  propose d  conve rter  c on s ist s  of   3  sta ges   wh ic h  is  ope ra te d  at   duty   cy cl e  of   0.5.  T he  op e rati on  of  th e  thre e   le vel boo st co nverter  is e xp la i ned in  [ 6].           Fi gure  2 .  Hi gh - volt age T hree  le vel D C - DC  boos t  con ver te r       F r o m   b a s i c   p r i n c i p l e s ,   t h e   v o l t a g e   g a i n   o f   t h e   c o n v e n t i o n a l   b o o s t   c o n v e r t e r   i s   g i v e n   b y     Vo lt age  g ai n,  V o V dc =   1 1 − D   (1)     Fo r  MB C, the   vo lt age  g ai n  is  expresse d   as     V o V dc =   N 1 − D     (2)     Fr om  ( 1) a nd (2), it  is obse rved th at  t he v oltage  gain  c an  be co ntr olled  with duty  cyc le  ‘D’  i n  t he  P W M.     2.2.   Single - in put  Multi - outp ut   ( SIMO)  C onve rter   The  S IMO   isol at ed  DC - DC  c onve rter  ac hie ve s  or  pe rfor m s  two  m ajo r  ta s ks - one  is  to   bo os t  the  i nput   DC  volt age  f r om   hig h  gain  D C - DC  co nvert er  to  hi gher  va lue  of  volt age  as  boos t  c onve rter  an d  the  ot her   t o   balance  the  vo lt age  acro ss  ca pacit or s  i n  pro po s ed  ML I  topolo gy.  As  t he  nam e  su gg est s   of   isolat ed  D C - D C   conve rter,  DC - DC  co nverter  consi sts  of   t ransform er  fo r  is ol at ion   of  in pu t  side  to  the  outpu t.  The  tr ans f or m er   is  of   m ulti   windin g  tra ns f orm er  an d  giv es  t hree  outp ut  ports.  At  the   in pu t,   the  tra ns f or m er  is  sup plied  f r om   a   DC s ource.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4047   -   4059   4050   The  m ai n  disa dv a ntage   of  c on si der i ng  RE S  f or  el ect rici ty   gen e rati on  i s  that  RES   pr oduces   lo w - vo lt age   outp ut   wh ic h  insist s  for  bo os t  oper at ion   of  vo lt ag e  us in g  DC - D C  conver te r.   T wo   bac k - to - ba ck  DC - DC  co nverte rs  are  em plo ye d  i n  this  pa per  to  feed  pow er  fro m   DG   to  propo sed  ML I.   D G  ou t pu t  is  fe d  to   high   gain  DC - DC  c onve rter  (bo os t)  to   increa se  th e  volt age  le vel.   Propose d  ML I   topolo gy  c ons ist s  of   capaci to rs  at   pr im ary  side.  The  out pu t  of  high - gain  DC - DC  co nv e rter  is  fed   to  s plit   vo lt age  balanc e  sing le - i nput  m ul ti - ou t pu t  (SIM O )  circuit t o m ai n ta in volt age  ba la nce acro ss  ca pacit or s  of ML I  to polo gy.   The  ci rc uit  re presentat io n  of  sing le - i nput  m ulti - outp ut  (SI MO)  is olat ed  DC - DC  co nve rter  is  s how n  in  F ig ur e   3.  I n  this  pa per   t he  ou t pu t  of   high  vo lt age  ga in  DC - DC  c onve rter  is  s upplied   as  in pu t  to  the   trans form er  pr im ary.  A  sw it c h  MOS FET  is  connecte d  t o  th e  trans form er  pr im ary  and   the  switc hing  op e r at ion  of   s witc h  deci des  the  c ha rg i ng   ti m e  of   input  pri m ary  coil  of   tr ans form e r.   T he  sec onda ry  of   t he  tra nsfo rm er  consi sts  of  th r ee  outp ut  port s  with  si ngle   input  port  an d  hen ce   the  c i rc uit  is  te rm ed  as  sin gle - in pu t  m ul ti - ou t pu t  is olate d  DC - DC  co nv erter.  Eac h  ou t pu t  port  of  the   DC - DC  co nv erter  ha s  a  di ode  co nnect ed  al ong  with  t he  ca pac it or   at   t he  ou t pu t  te rm inal  of   the   po rt.  Diode  is  place d  to   preve nt  rev e r se  cu rr e nt  flo w  from   capaci to r  to wi nd i ngs  of  t ran s form er.       V i n S L a L a 1 L a 2 L a 3 D 1 D 2 D 3 C 1 C 2 C 3     Figure  3 .  Sin gl e - in pu t M ulti - outp ut (SIM O)   conve rter  with  vo lt age  b al a nci ng       The  cl os e d - lo op  c ontrol   of  si ngle - in put  m ulti - outp ut  is olat ed  DC - DC  c onve rter  is   sho wn in  F i gure   4.  Conve ntion al   m ul ti - ou tp ut  c onve rters  w he n  operate d  in  c losed - lo op   m od e  of  ope rati on  in vo l ves  m ul ti ple  PI  con t ro ll ers   to redu ce   the  e r ror   but  this pa per  p rese nts  t he  use   of o nly  sin gl e  PI  contr oller to  re duce  the   e rror   i n  al l  three  ou t put  ports  of  DC - DC   c onver te r.   The  volt age  ac ro ss   eac h  of   t he   three   outp ut  ports  of  sin gle - in put   m ul ti - ou tp ut  is olate d  DC - DC  conve rter  are   m easur ed   acr oss  res pecti ve  i nd i vidual  capa ci tors  c onnecte d  at   the  resp ect ive  out put p ort  term inals of DC - DC  c onve rter.           Figure  4 .  Cl os e d - l oop o per at io n of Sin gle - in put M ulti - outp ut  ( S IMO )  c onve rter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Grid  C onnecte d Dist ribu te d Gen e ra ti on  Sys te m  wi th  High  Volta ge   . ..  ( S.  Nagar aja   Ra o)   4051   The  act ual  m e asur e d  outp ut  vo lt age   acr os s   capaci to r  is  m easur ed   an d  is  com par ed   w it h  ref e re nce   vo lt age   yi el ding  the   er r or  in  e ach  of  the   in div id ual  sec onda ry  sides .  T he  proces s  er r or  in  al l  the  th ree  volt age s   acro s s  ca pacit or s   is  a dd e d  a nd  se nt  to  a  P I  c on tr oller  bl ock.  P I  c ontr ol le r  re du ces   th e  erro r  a nd  yi el ds   th e   ref e ren ce  si gn a l.  This  re fer e nc e  sign al   is  co m par ed  log ic al ly   with  carrier  (saw - to oth)  sig nal  (whe n  re fe ren ce   gr eat er  t han   c arr ie r  sig nal)  wh ic h  ge ner at es  switc hing  pu lse s  to  M O SFET.  ON / OFF  tim e s  of   M OS FE T   ref le ct s  the   c ha rg i ng  tim e  of  pri m ary  coil  of   t ran s f or m er  an d  he nce  eac h  of  the  ou t pu t  ca pa ci tors  a re  c ha rg e d  to  co rr ect   va lu e  of  volt age.  T his  phe no m enon  bala nces  the v oltage  a cr os s capacit or s of  S C - MLI. A lso , d uri ng   the  ON   ti m e   of   MO SFET ,  the   pr im ary  c oil  of   trans f orm er  is  char ge d  an d  boos ts  t he  input  volt age  an d  trans fer s   the  i nput  volt age  to   t he  sec onda ry  s ide.  T his  S IM O  isolat e d  DC - DC  co nverte r  achieves   or  perform s   two  m ajor  ta sks  -   one  is  to   boos t  t he  in put  DC  volt age  from   hig h  gain   DC - DC  co nve rter  to   hi gh e r  value  of   vo lt age   as  boost   co nv e rter  a nd  the   ot her  to  balance   the  vo lt age  acr os s  ca pacit or s   in   ML I  to polo gy.Co m ple te   ph e nom eno n  of  ren e wa ble  en erg y  sour ce  fe d  DC - DC  co nverter s  for  hi gh  volt age - gain   boos ti ng  an d  sing le - input m ulti - ou tpu t  volt age  bal ancin g wit h  t he ir r es pecti ve  c losed - lo op ope rati on s  is  dep ic te d  in  F ig ur e  5.           Figure  5 .  Com plete  phenom enon o f  re ne wa ble en e r gy sou rce f e d DC - DC  conv e rters  for  high  vo lt ag e - ga in  boos ti ng a nd si ng le - in pu t m ulti - ou t pu t  volt age  balanci ng wi th t heir res pec ti ve  cl os e d - l oop op e rati ons       3.   PROP OSE D  ASYM METR IC   MU LT I - L EVEL  INVE RTER T OPO LOGY   ( AM L I)   3.1.   MLI T opolo gy   Figure  6  s how s  the  propose d  top ol og y  of  s ing le - phase  A MLI  to  ge ner a te   15   le vels.  T hr ee  ph ase   topolo gy  of  15 - le vel  pr opose d  AMLI   is  form ed  by  a ddin g   t wo  sim il ar  phases   as   li ke  in   F i gure  6.    The  pr opos e d  ty pe  of   MLI  i s  casca de d  in   m od el   and   pro duces  ste ppe d  outp ut  to  f orm   15 - le vel  outp ut.    The  to po l og y  pro po se d  co ns i sts  of   te n  po we r  switc hes  in  w hich  six  a re  use d  f or   s witc hing  operati on  an d  f our   are u se d  f or   pola rity  g ener at io n  in h al f - br id ge  top ol ogy. Th e sw it ches S a1   to S a6   are u se d  i n  casca de d  str uc ture   and   s witc hes  S a7   to  S a10   are   placed  in  half - bri dge  str uctu re  in  one  ph a s e  of   pro po se d  topolo gy.  T hr e e  DC  so urces  a re  r eq uire d  to  ge ner a te   15 - le vel  ou t pu t  a nd  dc  sou rces  are   f or m ed  by  c onnecti ng  a  nu m ber   of   half - br i dg e cel ls i n  series with eac h  cel l hav in g  a v oltage s ource  con t ro ll ed by t wo  s witc hes.  T he  m axi m u m  o utput   vo lt age  is the  s um  o f  al l t he d c sour ce  volt ag es, a nd is g i ve n (3) a nd (4).     V 0 , ma x =   V 1 + V 2 +   … … . . V n   (3)     V 0 , ma x = ∑ = 1     (4)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4047   -   4059   4052   Eq uations  ( 3)  an d  ( 4)   il lust rate  the  ou t put  le vel  of   t he   ad der /s ub trac ti on   ci rc uit.  B oth   t he  posit ive  a nd   neg at ive  le vels  are  synthesiz e d  at   load  ( V o )  us in g  the  eq ua ti on s  ( 5)   a nd   (6).   At  loa d  ( V o ) ,  the  synth esi zed  ste pp e d o utput  vo lt age  level  w il l be obtai ne d as m entioned   be low:     V 0 , ma x = ∑ +   V i n i = 1 , If   S 1 , S 4 = 1     (5)     V 0 , ma x = ∑ −   V i n i = 1 , If   S 2 , S 3 = 1     (6)           Figure  6 .  Pro pose d  AML I  i nverter  to po l ogy       3.2.   PWM  p attern  for swi tches  (Sa 1  t o Sa 6)  of   proposed   MLI usin g Round  Modul at i on  c on t rol   The  Ro und  Modula ti on  co nt ro l  (RMC )   te chn i qu e  is  al s o  known  a s  ne arest  le vel  co ntr ol  (NLC )   te chn iq ue.   In   t his  m et ho d,  th e  sel ect ion   of   a  near est   volt age  le vel  is  gen erate d  by  co m par ing   the  de sired  sinu s oid al   ref e ren ce  with   c orres pondin g  in ver te r   outp ut  vo lt age   le vel.   The  c ontrol  diag ram   to  gen erat e   switc hing  sig na ls  for  the  s witc hes  ( Sa1  t o  S a6)   by  RM C  sel ect ion   co ntr ol   is  as  sh ow n  in  Fig ure   7.  Th e  m ai n  adv a ntage  of  usi ng RM C i s th at  it  can be eas il y extend e d  t o any  nu m ber   of level s [1 3 ] - [ 14] .           Figure  7 .  RM C sel ect ion  c ontr ol d ia gr am       3.3.   Contr ol  of  in ve rting  swi tche s in  MLI (Sa 7 to Sa1 0)   The  sim ple  con tr ol  strat egy  to  pro duce  puls es  to  inv e rtin g  ci rcu it   of   ML I  was  s how n  in  F igure  8.  I n  this  si m ple  c on t ro l  strat eg y,  the  values   of   I  d(re f )   an d  I  q(ref )   c ompone nts  are  di rectl y  fed   to  dq - a bc   trans form ation  al ong  with   th e  wav e  sh a pe  inf or m at ion   from   PLL.  The  ob ta ine d  ref e re nce  cu rr e nt  sig nal  in   ‘ abc ’  co - ordi na te s ar e again  com par ed  with  act ual co m po ne nts o f  c urren t s f ro m  thr ee phases. Th e er ror  sign al   is  sent  to   P W M  ge ner at or  t o  pro duce  pu lse s  to  s witc hes   in  in ve rting  ci r cuit  of  ML I.   O nly  three   dri ve   ci rcu it s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Grid  C onnecte d Dist ribu te d Gen e ra ti on  Sys te m  wi th  High  Volta ge   . ..  ( S.  Nagar aja   Ra o)   4053   are  em plo ye d  and   us i ng   not  sign al s,  pu lse s   are  sent  t o  re m ai nin g  s witc hes.   T hree - pha se  curre nts  are   fed   t o  gr i d  a nd acti ve  pow e r  is  fe d  t o gr i d.             Figure  8 .  Sim ple co nt ro l st rategy f or in ver ti ng circ uit of M LI       Com plete   ph eno m enon  of  re new a ble  e nerg y  so urce  fe d  DC - DC  co nve rters  f or  hi gh   vo lt age - gain  boos ti ng  and sin gle in pu t  m ulti - ou tp ut  vo lt age  b al a nci ng w it h p r opose d 15 - le vel i nverter is  de picte d  in   F ig ure  9.                             Figure  9 .  Com plete  phenom enon o f  re ne wa ble en e r gy sou rce f e d DC - DC  conv e rters  for  high  vo lt ag e - ga in  boos ti ng a nd S IMO v oltage  ba la ncing w it h pro po se d AML I       Gr i d  vo lt age   is   ta ke n  as   re fere nce  a nd  f ed   to  ph a se  loc ke d  loop   to  e xtrac t  the  f re qu e ncy   com ponen t   to  ge ner at e  I d   and   I q   re fer e nce   com po ne nts  usi ng   act ive  a nd   reacti ve  po we r  eq uatio ns .  T he   ref e ren ce  I d   a nd   I q   are  co nverte d  to  ‘a bc ’  f ra m e  with  f requ ency  com pone nt  extr act ed  from   gr id  vo lt a ge.   T his  is  ta ken  as  ref e ren ce  c urr ent  for  gri d.   Actual  cu rr e nt   is  m easur ed  f ro m   gr id  an d  com par ed  wit h  ref e re nce  cu rr e nt  to  gen e rate  P W M  pu lse s  f or   H - br i dg e  ci rcui t.  Table  1  s hows   the  syst e m   par am et ers  us e d  to  desig n  si m ulin  m od el s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4047   -   4059   4054   Table  1.   Syst em  Pap ram e te rs   Para m eter   Valu e   Load  Resis tan ce   1 0  Ω   Load  I n d u ctan ce   1 0   m H   RES Outp u t   DC - Link  vo ltag e t o  M LI   5 0  V   4 4 0  V       4.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS   Re new a ble  en e rg y  sou rce  outp ut  is  sh own   in  Fi gure  10.   Re new a ble  energy  source  delivers  50   V   ou t pu t  an d  fee ds   DC - DC  co nverter .  The  out pu t  of  DC - DC  MB C  con ve rter  is  sh own  in  F igure  11.  T he   50   V   ou t pu t  f r om   R ES  is  boos te d  to  30 0  V  by  high  gai n  DC - DC  conve rter.  T he  ou t pu t  of   S IM O  co nverter  t o  boos t   the  input  vo lt a ge  an d  al so   to p r ovide  capaci tor  volt age  bal ance  is  sh ow n  in  F igure  12.  S IMO  co nverter   boos ts   vo lt age  of  300  V  f r om  MB C   c onve rter to 4 40 V  as  sho wn in  F igure  12.           Figure  1 0 .  RE S outp ut  vo lt ag e           Figure  1 1 .  Hi gh - gain  D C - DC  Co nv e rter  outpu t           Figure  1 2 .  SI M O  c onve rter  outpu t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Grid  C onnecte d Dist ribu te d Gen e ra ti on  Sys te m  wi th  High  Volta ge   . ..  ( S.  Nagar aja   Ra o)   4055   Figure  13   sho ws  the  volt age  acro s s  each   ca pacit or   of  S IMO  co nverte r.   E ach  ca pacit or   m ai ntains  the   diff e re nt  volt age  le vels   an d  vo lt age   ba la nc e  is  achie ved  a cro ss   al l  th ree  capaci tors  of   S IMO  c onve rter .  T he   three ca pacit or  outp ut volt age s ar e  fe d  to  MLI.           Figure  1 3 .  V oltage ac ro s s eac h  ca pacit or of  SI MO  con ver t er       4.1.   Fixed  act i ve  p ower fe d to gr id   Figure  14  s ho ws  t he  th ree - phase  15  le vel  outp ut  vo lt ages   of  pro pose d  in ver te r   a nd  F ig ur e   15   sho w s   the  phase  volt age  TH D  anal ysi s  of   pro pos ed  15  le vel  in ver te r .  Ha rm on ic   disto rtion   of   5.57   %  is  present  in   ph a se  vo lt age   of prop os e d  in ver te r  whil e se nd i ng f i xed act ive po wer com pone nt fro m  DG to  grid .           Figure  1 4 .  T hr ee Ph a se  vo lt a ges of p r opos e d   7 - le vel in ver t er  with f i xed lo ad           Figure  1 5 .  T H D  a naly sis o f  P hase  volt age  of prop os ed  15 - le vel in ver te r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4047   -   4059   4056   Figure  16  il lu strat es  the   t hree - phase   gri d  vo lt age s  a nd  F igure   17  il lu strat es  the  t hree - phase   gri d  currents   w hile  sen ding  fi xe d  act ive  po wer   c om po ne nt  f r om   DG   to  gr i d.  G rid  volt age  i s  m ai ntained  a t  320V  peak   a nd  gri d  currents  a re  with  60 A  pea k.   Si nce  fi xed  act ive  powe r  com po ne nt  is  fed   from   DG   to  gri d,   so urce c urre nt   is m a intai ned   with c onsta nt  pe ak  in  all  the t hr ee  phases .           Figure  1 6 .  T hr ee p hase  gr i d v oltages           Figure  1 7 .  T hr ee p hase  gr i d  c urren ts       Figure  18 in dicat es the THD i n  gri d cu rr e nt  wh e n feedi ng fi xed  acti ve  po wer  c om po ne nt  f r om  D G  to   gr i d.   Har m on ic   distor ti on  of   3.8 0  %  is  prese nt  w hich  is  lo w  an d  near ly   a ccepta ble.  Fig ure  19  in dicat es  powe r  factor  an gle  be tween  gr i d  volt age  a nd   c ur ren t.  N o  phas e  differe nce  be tween  gr i d  volt age  a nd   c ur ren t  is   pr ese nt a nd h e nce  powe r  fact or is m ai ntained near  unit y.           Figure  1 8 .  T H D  in  grid  curre nt   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.