Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 2,  May 2016, pp . 259 ~ 267   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i2.pp25 9-2 6 7        259     Re cei v ed Fe brua ry 10, 20 16; Re vised  April 6, 2016;  Accept ed Ap ril 18, 2016   Capacitor Voltage Balancing of Five Level Dio d e  Clamped Converter based STATCOM      D. Sindhuja, V 1 . Yu v a raju  M.E. 2   Dep a rtment of Electrical  and  Electron ics En gin eeri n g   K.S Rangas am y Co lle ge of T e chno log y   T i ruchengo de, India   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 1 sindh ujas iet @ gmai l.com,  2 y u va ng sp m@gma i l . co m      A b st r a ct   T he pow er q u a lity d e ter m in e s  the fitness o f  the  electric al  pow er to the  consu m er dev i c es. T o   improve  the  qu ality of th e p o w e r de liver ed  many co mpe n sat i ng  devic es ar e  used. T h e F A CT S devic es a r e   nor mal l y  used  t o  re duce  the  p o w e r qu ality  pr obl e m s by  in du cing  on e  or  mo re AC  trans mis s ion  par a m eter s.   T he  static syn chron ous co mpens ator  (ST A T C OM) can ac t as either a  source or si nk of reactive  AC  pow er   to an e l ectricity netw o rk. T he basic e l ectronic  blo ck  of the ST AT COM is the  voltage-source inverter   that converts a n  inp u t dc volt a ge int o  a thre e- phas e outp u t voltag e.   T he ST AT COM emp l o ys an inv e rter i n   order to o b tain  the voltag e source of a d jus t abl e  ma gn itud e and  phas e from th e DC li nk voltag e on  t h e   capac itor.  In this mode l, the  ST AT COM is desig ned w i th   the five level  dio de cla m ped  converter (DC C )  controlled by s pace vector pulse width modulation  (SVPWM) technique. The spac e vec t or technique  with  α ,  β  frame  is referred  here.  T he dc li nk ca pacitor v o ltag e  equ ali z at io n for the five l e v e l di od e cla m p e d   converter w a s expl ain ed. The  Total Harmon i c Distortion  of the sourc e  curr ent w ill be con s ider ably re duc ed.     Ke y w ords :   Di ode cl a m pe d c onverter, spac e vector puls e   w i dth mo dul ati on, T o tal Har m onic Dist o rtion         Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The A C  p o wer tran smissi on lin e o pera t ion is  ge nerally co nstrain ed  by limitati on of  one   or mo re n e twork  pa ramete rs  whi c h in cl ude s  line im peda nce and  operating va riable s   su ch  as  voltages a n d  current s. As a result, the po we r lin e is un able  to dire ct po wer flo w  am ong   gene rating  st ations. Th ere f ore the tran smissio n   sy stem ha s to b e  ca pable  of transmitting  the   power  gen erated  with m a ximum efficie n cy. Th e maj o r  pro b lem  is with th e q u a lity of the po we r  transmitted.  The p o wer q uality depe nd s u pon  vari o u s fa ctors  su ch  as voltag e, frequ en cy  and  pha se. Flexi b le AC T r an smissio n  System (FA C TS) is th e te chn o logy; its  pri n cip a l role i s  to   enha nce po wer tra n sfe r   ca pability and  controlla bility  in AC p o wer  system. A  sta t ic syn c h r on o u s  comp en sato r (STATCOM ) is a re gul ating devic e  used o n  a l ternating  cu rre nt electri c ity  transmissio n  netwo rks. It can a c t as  eith er a  so urce o r  si nk  of rea c t i ve AC po we r to an ele c tri c ity  netwo rk. It ca n be used for  power qu ality improveme n t.  The m u ltileve l inverte r s ha ve drawn tre m endo us  int e re st in  the   power indu st ry. They  provide  a n e w  set of feat ure s  that a r e  well  suit ed fo r u s e in  rea c t i ve power  co mpen sation.  The  concept of Multilevel Inverters  (MLI)  does not limit  on just two lev e ls of voltag e  to create an  AC  sign al. Instea d seve ral vol t age level s  a r e ad ded to  each othe r in  orde r to  cre a te a sm ooth e r  stepp ed  wav e form, with l o we r dv/dt a nd lo wer  ha rmonic  disto r ti ons.  With th e more volta g e   levels, the  waveform it  creates be com e s  sm oothe r, but  with m a ny levels the  de sign  be co mes  more  compli cated, with mo re co mpo nent s and  compli cated co ntrolle r for the inverter is nee ded.   The STATCOM with Di ode Cl ampe d multilevel  Conve r ter  usin g Spa c e  Vector  Modulatio n is pro posed  an d it can  be  used to im p r ove  the quality of  the po we r d e livered. Sp a c e  vector mo dul ation is a PWM control alg o rithm for  multi-phase mult i level inverters, in whi c h t he  referen c e sig nal is sa mpl ed reg u larly;  after  each  sampl e , non-zero active switchi ng vect ors  adja c ent to the reference vector a nd on e or more  of the zero switchin g vectors are sel e cte d  for   the appropri a te fraction of the sam p ling  perio d in or d e r to synthe si ze the refe re nce  signal a s  the   averag e of t he u s ed  vect ors.SVM i s  a  digital mo du lation techniq ue whe r e the  obje c tive is  to  gene rate PWM load line voltage s that are in aver ag e equal to a given or refe ren c e loa d  line  voltages. T h i s  i s  do ne in   each sampli n g  pe riod  by  prop erly  sele cting the  swit ch  state s  of t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  259 –  267   260 inverter a nd the cal c ul atio n of the appropriate ti me  perio d for ea ch state. Th e  sele ction of  the  states an d th eir time  pe rio d s  are  a c co mplish ed  by the  spa c e  vector tra n sfo r m a tion. Capa ci tor  voltage bala n cin g  with p a ssive front  end s is  sho w n in [1], [6] and [8]. Th e sin u soi dal  PWM   method fo r  DCM C i s  giv en in [9]. Fa st optimum   predi ctive  co ntrol for bip o l ar b a ck to  b a ck   conve r ter  ca n be seen i n  [2]. In [4]  the ca pa citor v o ltage bal an cing is d one  with the hel p  o f   curre n t flow model. A elliptical refe ren c e frame sp a c e vector mo d u lation is p r o posed he re fo r the   balan cing of f i ve level Diod e clamp ed co nverter.       2. Multile v e l  SVPWM for  DCMC based STATCOM    The m u ltilevel converte r  can  be  conn ected  to the  po wer  syste m  for  re activ e  po we r  comp en satio n . The  loa d   side  is conn ected  to th e  ac  supply  a nd the  d c   si de i s  o pen,   not  con n e c ted to any dc voltag e. For the co ntrol of  rea c ti ve powe r  flow, the inverte r  gate co ntrol  is  pha se  shifted  by 18 0 ˚ . Th e  dc si de  cap a c itors a c t a s   a loa d . When  a multilevel   conve r ter dra w s  pure  rea c tive power, the ph as e voltag e a nd cu rrent are 90 ˚  a part, a nd the ca pa ci tor ch arg e  an d  discha rge  ca n be bala n ce d.    2.1. Space Vector M odul ation    Space Ve cto r  Modulation  became a  standa rd  for th e swit chin g p o we r convert e rs. Any  three - ph ase system (d efined by  a x (t), a y (t) a z (t))  can b e  represented  uniqu e l y by a rotating  vec t or  a S :    a s = 2 /3[a x (t)+ a . a y (t)+a 2 .a z (t)]  (1)   whe r e,  a =e j2 π /3  and  a 2 = e j4 π /3 .       Given a th re e-ph ase  syst em, the ve ctorial  re p r e s e n tation i s  a c h i eved by the   followin g   3/2 tran sform a tion:     2 3  1 1 2 1 2 0 √ 3 2 √ 3 2      (2)   whe r e (  A α   ,  A β  ) are formin g an ortho g o nal 2-p h a s e system and  a S   =  A α  +  j  . A β   .  A vector ca n be   uniqu ely defi ned i n  the  co mplex pla ne  by these  com pone nts.  a x  –  ca n b e  a vol t age, current  or  flux and doe s not ne ce ssarily ha s to  be sinu soi d al. It results an uniqu e corre s p ond en ce   betwe en a Sp ace Ve ctor in  the compl e x plane a nd a three - p h a s e system. The m a in advanta g e s  of this mathe m atical repre s entatio n are:     Analysis of th ree - ph ase sy stem s as  a  whole in stead  of lookin g at each pha se;     It allows u s in g the pro pert i es of the  vec t orial  rotation. Us ing rotation with  t  lead s to an   analysi s  in DC com pon ent s by withdrawing the rotatio nal effect.    2.2. SVPWM for Fiv e  Le vel DCMC    Diod e-Clamp ed  Multilevel Conve r ters (DCM Cs ) are one kind   of multilevel  con v erter  fo r  large  scal e a nd hig h  volta ge po we r  con v ersio n s. Fi g u re  1 sho w s the mai n  ci rcu i t of a five-lev el  DCM C. The  converte r with  the other leve l stru cture h a s  the simila r circuit s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Cap a cito r Vol t age Balan c in g of Five Le vel Diod e Cla m ped Con v e r ter based …   (D. Sindhuja,  V)  261     Figure 1. Structure of  DCM C      No m a tter  which  level  co nverter is u s ed, t he  stabil ization  an d e quali z ation  of  dc-lin k  cap a cito r voltage s are im p o rtant for bot h safe  an d n o rmal o p eration of a DCM C . Due to th e   active po we r con s um ption  and en ergy e x chan ge  bet wee n  the dc-l ink capa cito r and a c  source,  the unb alan ci ng ph enom en on of d c -lin k  cap a cito r voltage s will o ccurTh e  hig her  the level u s e d  in  the DCMC is  the more difficult the b a lan c e o per ation  become s. Pa rticula r ly the  stable  are a  h a s  a stri ct limit that the mo d u lation in dex  coul d not   b e  high er th a n  0.55  app r o x imately in a c tive   power conve r sion a ppli c ation.      3. Sy stem Configura tion  of STAT CO M  The STATCOM is designed with the SVPWM te chnique to enhance the system  stability  by equ alizati on of th e  DC lin k  ca pa citor voltage.  In the bl ock diag ram, th e STATCOM  is  desi gne d  wit h   the sp ace vector pul se width  m odul a t ion techniq u e  to  control t he di ode  cla m ped  conve r ter. Th e level of the diode  clam pe d co nverte r chosen is five.  Here the GT O (Gate tu rn  Off  Thyristo r) to  control the inj e cted  cu rre nt or the  co mp ensating voltage. DC link  cap a cita nce value   has to be ch ose n . The nu mber of the swit chin g device s  in the DCMC a nd the  number of the   cap a cito rs a r e de cide d by  the level  of the in ve rter ch osen.  With high er am ounts of volt age  levels, the n u m ber  of diod e s  g r ows q uad ratically  wi th the level m fol l owin g the e q uation (m - 1 )  *   (m - 2).    A consta nt source is  con necte d to the load  throu g h  the converte r/inverter  circuit. The  inverter blo ck is  made  of I G BT (Gate-i n sulate d bi pol ar tran sisto r s). To  provide  prop er qu ality of  power to the  load an d also  to redu ce th e harm oni cs  the STATCO M is co nne c t e d as the  sh unt  comp en satin g  device. S T ATCOM  co nne cted  will  provid e co mpen sation   curre n t for t h e   equali z ation  of the voltage quality. Th erefo r e t he  current ha rmo n ics can be  eliminated. T h e   injectio n of the cu rrent dep end s upo n th e switch in g seque n ce of the diod e cl a m ped  conve r ter  whi c h is give n by the spa c e vector mo d u lation techni que.           Figure 2. Block  Diag ram o f  STATCOM     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  259 –  267   262 3.1. Sy stem  Con f igura t ion  As in the bl ock dia g ra m  of the syste m ,  each  blo ck i s  d e si gn ed an d the  system i s   formed. T he  sou r ce bl ock  is a th re e ph ase  voltage  source of  16 0* sqrt (3 ) i.e  ap proximately 2 2 0   volt phase to pha se rms  was  cho s e n  for the ope ra tion . The ope rati ng freq uen cy  of the system  is  50  Hz.  The  lo ad i s   re sistiv e natu r e. T h e  voltage  of th e loa d  i s   simi lar to  the  so u r ce  voltage  a n d   the po we r rating of the l oad  is d e ci ded  a s  15  kW. Th e  load i s   con n e cted  with th e so urce th ro ugh  conve r ter inv e rter bl ock.   The re ctifier  block is the  three ph ase  unc o n trolle d  rectifier. Th e diode i s  u s ed a s   swit chin g dev ice. The  DC  output of the  rectifier i s  gi ven to the LC ci rcuit. Since IGBT devi c e s   are u s ed in the three ph a s e inverte r , the gene ration  of gate pulse  is req u ire d . The method u s ed   for the trigge ring of the inverter i s  pul se  widt h mod u la tion. In the PWM techniqu e for gate pul se   gene ration  th e  voltage reg u lator block a nd  the  Discre t e PWM bl ocks  are empl o y ed. The volt age  regul ator blo c k h a s the  pro portion al g a in  of 0. 4  and  in tegral  gain  of  500.  The  carrier freq uen cy  of the  Discret e PWM  g ene rator is  sele cted a s   200 0  Hz. Th e  sam p ling time  for th e ge ne ration   of  the PWM is chosen a s  0.1  s.    The STAT COM mod e l i s  conn ecte d  to the syst em in  shunt . The blo cks of the   STATCOM  can b e   sep a rated to  DCMC  block a nd g a te g e n e ration  blo ck. The volta g e   maintaine d  a c ro ss the ca pacito r  is 1 0  V. The  swit ching meth od  use d  for the  swit chin g of the   GTOs is SVPWM. The frequency of  operation is 50 Hz. The volt age level is  5. The operating   voltage of the SVPWM technique is specif ied as 440  V and current value as 10  A.    3.2. Modulati on of DCM C     In the DCM C  topology th e  use of voltag e cl a m pin g  di ode s is e s se ntial. A com m on  DC- bus i s  divided  by an even n u mbe r , depe nding o n  the  numbe r of vol t age levels in  the inverter,  of  bulk  ca pa cito rs i n  serie s   with a n eutra l point in  th e  middle of th e  line. From this  DC-bu s ,  with   neutral  point  and  cap a cito rs, there a r e  clamping  diod es  con n e c ted  to an m - 1  n u mbe r  of val v e   pairs, whe r e  m is the num ber of voltage  levels in  the inverter  (voltage levels it ca n gene rate ).    3.3. Selectiv e Harmonic  Elimination  Selective Ha rmoni c Elimi nation (S HE) is a lo w  switchi ng freq uen cy strate gy that uses  cal c ulate d  switching  angle s  to eliminate  certai n ha rmo n ics in the  ou tput vo ltage. With the h e lp  of  Fouri e r Se rie s  analy s is t he amplitud e  of any  odd  harmo nic in  the output sign al ca n b e   cal c ulate d . The switchi ng  angle s  mu st however b e  lowe r than  π /  2 deg ree s  an d for a nu mb er of   swit chin g ang les ha rmo n ic  comp one nts  can b e  affect ed, whe r e a - 1  numbe r of harmo nics can  be   eliminated  (o ne a ngle  to  set the fun d a m ental). If a n g les were  to  be la rge r  th a n   π /2 a correc t   output sig nal  would  not be achi evabl e. For an i n verter with  m levels a  = m-1/2. Hig her  harm oni cs  ca n be filtered  out with addit i onal filter s a dded b e twee n the inverter and the load  if  need ed. Fo r  a five-level in verter a  = 2,  so the r e a r e t w o  swit chin g angle s  availa ble an d a -  1  = 1  angle s  can b e  use d  for ha rmoni c comp onent elimin a t ion.        Figure 3. Switchin g with an gles d e termi n ed by  Selecti v e Harm oni c Elimination fo r a Five-level  inverter      3.4. Po w e r L o sses   Loss is  an i m porta nt asp e ct of po wer electroni cs  sin c e lo wer l o sse s  gives  highe r  efficien cy. Since  the  multilevel inverte r s ca n o p e r ate  at differe nt switchi ng freq uen cie s  a nd  with   different b a la ncin g control   scheme s  th e y  will not  h a ve the  same  a m ount of p o wer lo sse s . To  be   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Cap a cito r Vol t age Balan c in g of Five Le vel Diod e Cla m ped Con v e r ter based …   (D. Sindhuja,  V)  263 able to inve stigate the switching lo sse s  in an inve rter a mo del  for losse s  i s  nee ded. T h e   swit ching power loss P sw   durin g one  se con d  in a switch is d e fined  by the formul a    P sw  =  ½ V d  I o  I t    (3)   There V d  is the voltage over the  swit ch  when off, I 0  is the current th rough th e swit ch afte r turn e d   on or b e fore turne d  off and  t is either th e  turn on tim e  ton or the  switch off time  t off . The sum of  all the  switch ing lo ss eve n t  ene rgie s  du ring  one   second fo r  one   swit ch  re sult s in that  switch's  swit ching power loss.      4. Opera t ion of STAT CO M    4.1. Opera t ion of DCMC  In the DCM C  topology th e  use of voltag e cl a m pin g  di ode s is e s se ntial. A com m on  DC- bus i s  divided  by an even n u mbe r , depe nding o n  the  numbe r of vol t age levels in  the inverter,  of  bulk  ca pa cito rs i n  serie s   with a n eutra l point in  th e  middle of th e  line. From this  DC-bu s ,  with   neutral  point  and  cap a cito rs, there a r e  clamping  diod es  con n e c ted  to an m - 1  n u mbe r  of val v e   pairs, whe r e  m is th e n u m ber  of voltag e level s  in th e inverte r   (vo l tage level s  it  ca n ge ne rat e ).  With this  co n f iguration five  levels of volt age  can  be g enerated b e twee n point a  and the  neut ral  point n; Vdc/2 , Vdc/4 , 0,-Vdc/4 a nd – V dc/2  , depe nding on  whi c h switche s  that are switched   on. With  a  hi gher nu mbe r   of voltage l e vels th e  comp l e xity of the in verter i n crea se. Fro m  Ta bl e 1  it can  be  se e n  that for the  voltage V dc /2 all  the  u ppe r swit che s  are  turned   on, co nne cting  p o in t  a   to the V dc /2 p o tential. For the output voltage V dc / 4  swi t che s  S 2 , S 3 ,S 4  and S 1  are turne d  on a n d   the voltage i s  held  by the h e lp  of  the su rroundi ng clam ping  di ode s D 1  and  D` 1 . Fo r voltage level s   –V dc /4 or  -V dc /2 clam ping  d i ode s  D 2  an d  D` 2  or D 3  an d D ` 3  hold  the  voltage, re sp ectively. For the   voltages  ±Vd c /2 the cu rre n t, when bot h voltage an d cu rre nt are  positive goe s thro ugh the  four  top or botto m swit che s .  For the oth e r states p o siti ve current, while voltage i s  po sitive, goes  throug h the  D x  diode s a nd ne gative  curre n t thro u gh the  D` x  diode s an d al so th rou gh t he  swit che s  in b e twee n the cl amping di ode s and the lo a d       Table 1. Swit chin g state s  of one five-le v el phase leg  ‘1’ means tu rned on a nd ‘0 ’ means tu rne d   off  Output Voltage   S 1  S 2  S 3  S 4  S 1 ` S 2 ` S 3 ` S 4 `  Vdc/2  1 1 1  1  0  0  0  0  Vdc/4  0 1 1  1  1  0  0  0  0  0 0 1  1  1  1  0  0  -Vdc/4  0 0 0  1  1  1  1  0  -V dc /2   0 0 0  0  1  1  1  1      If there i s  a  DC-sou rce  cha r ging  the  DC-bus  t here a r e  also  current s flowing  thro u gh the  DC-bu s  to   ke ep the  DC-bu s voltag e  con s tant. Ta bl e  5.1 al so  sh o w s that  som e  switch es a r e  on  more f r equ en tly than others, mainly S 4 a nd S` 1 , a s  lon g  as  a si nu soi dal outp u t wa ve that req u ires  the use of all  voltage level s  is  cre a ted.  Whe n  the  inv e rter i s  tran sferri ng a c tive  power thi s  le ads  to unbala n ce d cap a cito rs voltages  sin c e the cap a cit o rs  are  cha r g ed and di sch a rge d  une qu ally,  partly due to different wo rkload s.    4.2. Vector Repres entatio n   The first step  in the algorithm is to tran sform the referen c e ve cto r   V ref ( a, b,  c ) = [ Va,  Vb, Vc ] into  2-D  α ,  β   coo r dinate.  As i s  well  kno w n ,  the voltage vector in th e  abc  frame is  transfe rred in to 2-D the  αβ   frame a s     V α V β Vo  2 3 1 1/2 1/2 0 √ 3 /2 √ 3 /2 1/2 1 /2 1/2  Va Vb Vc  (4) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  259 –  267   264 That is,   V α   =  Va  −  Vc , an d  V β   =  − Va  +  Vb .  obviou s ly, the  cal c u l ation i s  a  si mple inte gral  transfo rmatio n. Assumin g   that the volta ges  have  a f o rm  with the   polar ge omet ry as  V ref =  [ Vr   sin  ω t, Vr  sin( ω t  − 2 π / 3) , Vr  sin( ω t  + 2 π / 3)], the sub s ti tution of these expre ssi on s in yields,      √ 3   3  1   (5)   whe r e  V d c  is the voltage of the dc-lin k capa citor.  E quation (3) i s  a standa rd  elliptic eq uation.  That is to say, a circula r  tra j ectory of  V re f in the traditional  αβ   coordinate will be t r ansformed into  an elliptical trajectory in the  α _ β _  coo r di nate.   Assu ming th at floor ( ∗ ) prese n ts the  o peratio n that  roun ds  ea ch  element of th e input   sign al to th e  nea re st inte ger value  to ward mi nu s i n finity, the vertex of  V 1( α 1 ,  β 1) co ul d  be  cal c ulate d  as    α 1 = floor( V α   )  β 1 = floor( V β   ) ( 6 )   Thus, the a d jace nt vertice s   V 2( α 2 ,  β 2),  V 3( α 3 ,  β 3), a nd  V 4( α 4 ,  β 4) could b e  fast  ascertain ed  as  ( α 2 ,  β 2) = ( α 1 +  1 ,  β 1) ( α 3 ,  β 3) = ( α 1 ,  β 1 + 1)  ( α 4 ,  β 4) = ( α 1 +  1 ,  β 1 + 1)  The  ve rtice s   of V1, V 2 , a n d  V3, t he  min i mum  d o wn ward tria ngl e,  wh ere V ref  is  lo ca ted  in   ∆ 1 2  3 .  Ce rtai nly, V ref  locatin g  in th e up wa rd tri a ngl e  ∆ 3 4 5  wil l  be p r e s ente d  by the ot he r three ve rti c es  V 2  , V 3  ,  an d V 4 . Wheth e r  V ref  i s  lo cating  i n  th e  do wn ward  or up ward t r ia ngl e  co uld   b e   dete r mi ne d b y  the follo wi n g  crite r i on:     α   +  β   ≤   α 1 +  β 1  +1 ,   V re f  (7)   α   +  β   > α 1 +  β 1  +1 ,   V re f  (8)   Obviou sly, it is also a simpl e  algorith m  for digital imple m entation.     4.3. D w elling Time Calculation  A ssu ming t h a t   V ref doe s  n o t ch ange  its  amplitude  in  one m odul e p e riod   Ts , its a v erage   effect in one  module pe ri od might be  equivalent  to the three  most adja c e n t vectors with  respe c tive dwelling times a s     V ref  Ts  = V 1 T 1 +  V 2 T 2 +  V 3 T 3 ,  if  V ref in  ∆ 123 or  (9)   V 2 T 2 +  V 3 T 3 +   V 4 T 4 ,  if  V ref in  ∆  234   (10 )   Be c a us e  T 1 +  T 2 +   T 3 =  Ts , the  dwelling time  whe n   V ref is locating in  _ 12 3 could b e  o b tai ned   as,     T 2 = ( α−   α 1)  Ts  T 3 = ( β   −   β 1)   Ts  T 1 =  Ts  −  T 2  −  T 3  (11 )   If  V ref loc a tes in  ∆ 234, the cal c ulatio ns b e com e     T 2 = ( β 1 +  1  −   β )  Ts  T 3 = ( α 1 +  1  −   α )  Ts  T 4 =  Ts  −  T 2  −  T 3  (12 )   Therefore, th e basi c  pro c e ssi ng of dwell i ng ti me and locatio n  crite r i on are all sim p lified.  Once the T s  a r e no rmali z e d  by the syste m  clo ck  peri o d,  all of these  equation s   co uld be  reali z e d   by fast calcul ations, such as  ad dition, subtra ction, co mpari s o n , an d truncation, whi c h are time  and area efficient in digital fixed-poi nt ap plicatio n.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Cap a cito r Vol t age Balan c in g of Five Le vel Diod e Cla m ped Con v e r ter based …   (D. Sindhuja,  V)  265 4.4. Minimu m Energ y  Pr operty     Assu ming th at all dc-lin k  cap a cito rs  of  the  n -l evel DCM C  h a ve the  sa me ca pacita n ce   and voltage, the mathem atical conditio n s are     C 1 =  C 2 =  · · ·  =  Cn  =  C  VC 1 =  · ·  ·  =  VCn − 1 =  V dc/( n − 1)  (13 )   The total  en e r gy  store d  in   the capa cito rs  woul d  rea c h the  minimu m value  whe n  thei r voltag es  are bal an ced     (14 )   Define a p o sit i ve-definite cost functio n   J  to indicate th e energy drift from the mini mum       (15 )   Whe r e,       (16 )   whi c h is th e  voltage devia tion of cap a citor  Ci . If a d e finite negati v e  ∆ J  coul d be  gua ra ntee d   throug h the  p r ope r P W M  o u tputs, the  vo ltages woul d f l uctuate  towa rd the  bal an ced value s . T h a t   is    (17 )   whe r e  iC i   i s  t he  curre n t ch arge  into  ca p a citor  Ci .  Thi s   con d ition i s  call ed th e m i nimum  ene rg y  prop erty for a  balan ced  n -l evel DCMC. It could b e  used as th e ba sic p r in ciple f o r d c -cap acit or  voltage bala n c ing a nd cont rol.      5. Simulation and Re sults    To verify the  above d e sig n  and a nalysi s , a simulatio n  model  wa s  desi gne d usi ng Mat  lab\Simulin k. A load of 15  kW i s  set. Th e load  will  be  activated at  0.02s. Th e value s  of cu rrent,  voltage ca n be varied with  the con n e c tio n  of the  STATCOM. Th e simulation re sults are  sho w n in  Figure 4. The  Simulink m o del was d e si g ned  with t he  config uratio n  mentione d. T he ge neration  o f   gate pulse is  done with the  help of SVPWM metho d . The refe ren c e signal i s  formed and the n  it  unde rgo e s transfo rm s to cal c ulate the  sampl e  time. The re sp ectiv e  Simulink o u tput wavefo rms  for the  given  model  are  shown in fig u res  4 to 8. T h e analy s is of  total ha rmon ic di stortio n   wa s   done for the  sou r ce cu rre n t. The IEEE standa rd  for the THD i s  belo w  5%. The obtain ed  THD  level is  2.61 %. This i s  sh own i n  the fi gure  8.  Initial l y the load i s  not conn ect ed to the  system.  With the con nectio n  of the load with the circui t after 0.1 s the chan ge in curre n t and the voltage   values a r e no ted.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  259 –  267   266     Figure 4. Voltage waveform across the  cap a cit o r       Figure 5. Co mpen sation  current from th e  STATCOM        Figure 6. Wa veform of the sou r ce cu rren t      Figure 7. Output voltage waveform of the  STATCOM          Figure 8. THD analy s is of  sou r ce cu rren t      6. Conclusio n   DCM C  can b e  use d  in re a c tive power  compen satio n  without voltag e unbal an ce  probl em  and have a common DC-b u s and a r e p o ssible in ba ck -to-ba ck co nfiguratio ns .  With aspe ct to  industrial popularity, design  sim p licit y, suitability for back- to-back and reactive power  comp en satio n  the  DCMC  have b een  ch ose n  for  simu lation for the  Elec tric   Gr id Sys t em  case i n   this work.  Wi th the proposed SVPWM control me thod in and the capaci tor voltage unbalance  c an be c ont rolled whic h mak e s  the DCMC an attr ac tive c hoic e . This  paper presents  an SVPWM   algorith m  in t he  αβ  fra m e  with d c -lin k  cap a cito r volt age  balan cin g  control  for  diode  cla m pe d  multilevel STATCOM. The  five-level converter ge ne rates almo st sinusoidal voltage and  current  waveforms  e v en at funda mental  swit ching freque n c y.  The d c  li nk  cap a cito rs voltages  are  well  balan ce d with  very small ri pple. The  system has  lo w  harm oni cs in  the input cu rrent. Each swi t ch  in the conve r ter can swit ch only on ce per  cycle  whe n  perfo rming funda m ental frequ e n cy  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Cap a cito r Vol t age Balan c in g of Five Le vel Diod e Cla m ped Con v e r ter based …   (D. Sindhuja,  V)  267 swit ching whi c h will  result s in  high effi ciency. Simulation result s conclude that  the proposed   SVM strategy  is able to ca rry out the vo ltage-b a lan c i ng task, with  no req u ireme n t for additio nal  power ci rcuitry, within the specifie d ran g e  of operatio n .       Referen ces   [1]  Busqu e ts-Mon ge, S Ale puz,  J Bordo n a u   and J P e rac a ula. “ Vo ltag e  bal anci ng c ont rol of d i od e- cla m p ed  mu ltil evel c onverter s  w i th passive  front-ends ”.  I EEE Trans. Power Electron.  200 8; 23(4) :   175 1-17 58.   [2]  Chav es, E M a rgato, JF  Sil v a, SF  Pint o  and  J Santana. “Fast optimu m-predictive control  and  capac itor vo lta ge  bal anci n g  s t rateg y  for  bip o lar  ba ck-to- b a ck NPC c onv e r ters in  hi gh-v o ltag e d i rect   current transmi ssion s y stems” .  IET  Gen. Tra n smiss. Distrib.  2011; 5(3): 3 6 8–3 75.   [3]  Jing, H Yu nlo n g , H Xi an gni ng ,  T  Cheng, C Jun, an d  Z  Ron g xia ng. “Multil e v el circu i t topol ogi es bas e d   on the s w itch ed-ca pacitor c onverte r a nd  dio de-cl ampe d  converter”.  IEEE Trans. Power Electron.   201 1; 26(8): 21 27– 21 36.   [4]  Khaj eho dd in,  A Bakhsh ai a nd PK Jai n . “A simple vo lta ge ba la ncin g  scheme for m - level  dio de- clamp ed multi l e vel co nverter s  based  on a  gener aliz ed c u rrent flo w  m ode l”.  IEEE Tr ans. Power   Electron.  20 08;  23(5): 224 8– 2 259.   [5]  Marches oni a n d  P  T enca. “Diode-c l amp ed  multilev e l  co nv erters: A practicabl e  w a y  t o  b a la nce dc-l ink   voltag es”.  IEEE Trans. Ind. E l ectron.  20 02;  49(4): 75 2– 765 .  [6]  Mohd Ar if Kha n , Atif Iqbal  an d Sk Moi n  Ah mad.  “Spac e V e ctor Puls e W i dth Mod u l a tion  Scheme f o r   a   Seven-P has e Voltag e So urce Inverter”.  Internati ona l Jo urnal of P o w e r El ectronics  and  Drive Syste m .  201 1; 1(1): 7-2 0 .  [7]  Pou, R Pi nd ad o, and  D B o ro yev i ch. “Vo l tag e -ba l anc e l i mit s  in fo urlev e l  dio de-cl ampe d  converter s   w i t h  pass i ve front ends”.  IEEE Trans. Ind. E l ectron . 20 05;  52(1): 19 0– 196 .  [8]  Ren ge a nd H M  Sur y a w a n sh i. “F ive-leve l di ode cl amp ed i n verter to el imi nate commo n  mode vo ltag e   and re duce dv /dt in medium  voltage rati ng  inducti on mot o r drives”.  IEEE Trans. Power Electron .  200 8; 23(4): 15 98– 16 07.   [9]  Saee difar d , R Iravan i an d J Pou. “Anal ys is a nd  contro l of d ccapac itor- volt age- drift phe no meno n of a   passiv e  front-e nd five-l evel co nverter”.  IEEE Trans. Ind. Electron.  2007; 5 4 ( 6): 3255 –3 266 .  [10]  Sirisha  BN S u shee la  and  P  Satishkum a r. “T hree Phase T w o  L eg  Ne utra l Poi n t Cl ampe d Co nverte r   w i t h  out put D C  Volta ge R e gul ation  an d Input  Po w e r F a ctor Correcti o n”. Internatio n a l  Jour na l of   Pow e r Electron ics and Dr ive S ystem . 20 12; 2 ( 2): 138-1 50.   [11]  Z h igu o  an d P F ang Z hen g. “A sinuso i da l P W M  method  w i th voltag e ba l anci ng ca pab ili t y  for dio de- clamp ed five-l e v el conv erters” .   IEEE  Trans. Ind. Appl.  2 009;  45(3): 102 8– 1 034.   [12]  Z h igu o , P F a n g  Z hen g, KA C o rzin e, VR Ste f anov ic, JM L e u then, a nd S  Gataric. “Volta ge b a la ncin g  control  of  dio d e clam ped  mu ltileve l r e ctifier/inverter s y stem s”.  IEEE Trans. Ind. Appl.  2 005; 41( 6):   169 8– 170 6.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.