A novel dual-leg DC-DC converter for wide range DC-AC conversion

This paper proposes DC–AC Dual-leg dual-stage Conversion (DDC) and DC–AC Direct single-stage conversions (DSC). Conventional energy conversion system has only two-stage conversion, so it has some drawbacks such as huge power loss, less conversion range and lower power rating. So direct conversion, dual-leg step-up and step-up conversions are the solutions to get wide voltage conversion efficiently. The proposed converter can perform the power conversion from battery DC supply into AC with 1:1 ratio, step-up AC, and step-down AC in both directions. Also, it can perform rectifier operation from grid AC supply into DC with 1:1 ratio, step-down DC, and step-up DC. Step-up, step-down and ideal operations are possible within a single circuit; its operation is similar to solid-state DC–AC/AC–DC transformer. The ideal operation, Step-down to Step-up conversion and Step-up to Step-down conversion are possible on both sides, so this converter can handle a wide range of voltage. Power distribution is achieved with voltage regulation between battery/DC-load and AC-load/grid using the proposed control strategy with proper modulation. A prototype model of a 2-kW power rating validates the advantages and feasibility of the proposed methodology

Performance investigations of five-level reduced switches count Η-bridge multilevel inverter

Introduction. This research paper describes a simple five-level single-phase pulse-width modulated inverter topology for photovoltaic grid applications. Multilevel inverters, as opposed to conventional two-level inverters, include more than two levels of voltage while using multiple power switches and lower-level DC voltage levels as input to produce high power, easier, and less modified oscillating voltage. The H-bridge multilevel inverter seems to have a relatively simple circuit design, needs minimal power switching elements, and provides higher efficiency among various types of topologies for multi-level inverters that are presently accessible. Nevertheless, using more than one DC source for more than three voltage levels and switching and conduction losses, which primarily arise in major power switches, continue to be a barrier. The novelty of the proposed work consists of compact modular inverter configuration to connect a photovoltaic system to the grid with fewer switches. Purpose. The proposed system aims to decrease the number of switches, overall harmonic distortions, and power loss. By producing distortion-free sinusoidal output voltage as the level count rises while lowering power losses, the constituted optimizes power quality without the need for passive filters. Methods. The proposed topology is implemented in MATLAB/Simulink with gating pulses and various pulse width modulation technique. Results. With conventional topology, total harmonic distortion, power switches, output voltage, current, power losses, and the number of DC sources are investigated. Practical value. The proposed topology has proven to be extremely useful for deploying photovoltaic-based stand-alone multilevel inverters in grid applications.Вступ. У цій дослідницькій статті описується проста топологія п’ятирівневого однофазного інвертора із широтно-імпульсною модуляцією для фотоелектричних мереж. Багаторівневі інвертори, на відміну від звичайних дворівневих інверторів, включають більше двох рівнів напруги при використанні кількох перемикачів потужності та рівнів постійної напруги нижчого рівня на вході для створення більш потужної, простішої і менш модифікованої коливальної напруги. Багаторівневий інвертор з H-мостом, мабуть, має відносно просту схему, вимагає мінімальної кількості елементів, що перемикають, і забезпечує більш високу ефективність серед різних типів топологій багаторівневих інверторів, які доступні в даний час. Тим не менш, використання більше одного джерела постійного струму для більш ніж трьох рівнів напруги, а також втрати на перемикання та провідність, які в першу чергу виникають в основних силових перемикачах, як і раніше, залишаються перешкодою. Новизна запропонованої роботи полягає у компактній модульній конфігурації інвертора для підключення фотоелектричної системи до мережі з меншою кількістю перемикачів. Мета. Пропонована система спрямована на зменшення кількості перемикачів, загальних гармонічних спотворень та втрат потужності. Створюючи синусоїдальну вихідну напругу без спотворень у міру збільшення рівня та одночасно знижуючи втрати потужності, перетворювач оптимізує якість електроенергії без необхідності використання пасивних фільтрів. Методи. Запропонована топологія реалізована в MATLAB/Simulink з використанням стробуючих імпульсів та різних методів широтно-імпульсної модуляції. Результати. За традиційної топології досліджуються загальні гармонічні спотворення, силові ключі, вихідна напруга, струм, втрати потужності та кількість джерел постійного струму. Практична цінність. Запропонована топологія виявилася надзвичайно корисною для розгортання автономних багаторівневих інверторів на фотоелектричній основі у мережних додатках

Investigation of efficient multilevel inverter for photovoltaic energy system and electric vehicle applications

Introduction. This research presents a simple single-phase pulse-width modulated 7-level inverter topology for renewable system which allows home-grid applications with electric vehicle charging. Although multilevel inverters have appealing qualities, their vast range of application is limited by the use of more switches in the traditional arrangement. As a result, a novel symmetrical 7-level inverter is proposed, which has the fewest number of unidirectional switches with gate circuits, providing the lowest switching losses, conduction losses, total harmonic distortion and higher efficiency than conventional topology. The novelty of the proposed work consists of a novel modular inverter structure for photovoltaic energy system and electric vehicle applications with fewer numbers of switches and compact in size. Purpose. The proposed system aims to reduce switch count, overall harmonic distortions, and power loss. There are no passive filters required, and the constituted optimizes power quality by producing distortion-free sinusoidal output voltage as the level count increases while reducing power losses. Methods. The proposed topology is implemented with MATLAB/Simulink, using gating pulses and various pulse-width modulation methodologies. Moreover, the proposed model also has been validated and compared to the hardware system. Results. Total harmonic distortion, number of power switches, output voltage, current, power losses and number of DC sources are investigated with conventional topology. Practical value. The proposed topology has proven to be extremely beneficial for implementing photovoltaic-based stand-alone multilevel inverter and electric vehicle charging applications.Вступ. У цьому дослідженні представлена топологія простого семирівневого однофазного інвертора з широтно-імпульсною модуляцією для системи з відновлюваними джерелами енергії, яка дозволяє використовувати домашню мережу з зарядкою електромобілів. Хоча багаторівневі інвертори мають привабливі характеристики, широкий спектр їх застосування обмежений використанням більшої кількості перемикачів у традиційній схемі. В результаті запропонований новий симетричний 7-рівневий інвертор, який має найменшу кількість односпрямованих ключів із затворними ланцюгами, забезпечує найменші комутаційні втрати, втрати на провідність, сумарні гармонічні спотворення та вищий ККД, ніж традиційна топологія. Новизна запропонованої роботи полягає у новій модульній структурі інвертора для фотоелектричних енергетичних систем та використання для електромобілів з меншою кількістю перемикачів та компактними розмірами. Мета. Пропонована система спрямована на зменшення кількості перемикань, загальних гармонічних спотворень та втрат потужності. Пасивні фільтри не потрібні, а складова частина оптимізує якість електроенергії, створюючи синусоїдальну вихідну напругу без спотворень зі збільшенням кількості рівнів при одночасному зниженні втрат потужності. Методи. Запропонована топологія реалізована за допомогою MATLAB/Simulink з використанням стробуючих імпульсів та різних методологій широтно-імпульсної модуляції. Крім того, запропонована модель також була перевірена та порівняна з апаратною системою. Результати. Загальні гармонічні спотворення, кількість силових ключів, вихідна напруга, струм, втрати потужності та кількість джерел постійного струму досліджуються за допомогою традиційної топології. Практична цінність. Запропонована топологія виявилася надзвичайно корисною для реалізації автономних багаторівневих інверторів на основі фотоелектричних систем та застосування для заряджання електромобілів

Encapsulated 3Ø converter for power loss minimization in a grid-connected system

A newly designed DC–AC three phase bidirectional converter (DATBC) with an encapsulated DC–DC converter (EDC) for the energy storage system (ESD) is analysed and investigated in this research paper. By using encapsulated or embedded or hidden DC–DC converter a stable and constant DC bus is developed between the encapsulated DC–DC converter and DC–AC three phase bidirectional converter. The proposed converter is entirely different from the traditional dual-stage DC–AC converter, because it takes less than 20% of power used for the DC–AC conversion process. So, this reduced power consumption increases efficiency to a considerable value. A new control technique for zero sequence has been adopted components are inserted in the modulating signal based on carrier pulse width modulation (CPWM). Working principle, implementation and characteristics of the DC–AC three phase bidirectional converter are analysed. Effectiveness and feasibility of the developed converter are examined with a proto-type model

Reactive power optimization in distribution systems considering load levels for economic benefit maximization

Introduction. The need for electrical energy has been increased sharply due to hasty growth in industrials, social and economic improvements. From the previous studies, it has been agreed that almost 13 % of the total power generated is wasted as heat loss at distribution level. It has been extensively recognized that the node voltage profile along the distribution system can be enhanced under steady state power transfer controlled by proper reactive power compensation. Capacitors have been acknowledged as reactive power compensating device in distribution systems to achieve technical and economical benefits. Novelty of this work is the application of Archimedes optimization algorithm for reactive power optimization in distribution systems so as to obtain an improved solution and also a real 94-bus Portuguese network and modified 12-bus network has been taken and validated for three different load levels which are totally new. Purpose of the proposed work is to maximize the economic benefit by reducing the power loss and capacitor purchase cost at three different load conditions subject to satisfaction of equality and inequality constraints. Methods. The economic benefit has been validated using Archimedes optimization algorithm for three load levels considering three distribution systems. Results. The computational outcomes indicated the competence of the proposed methodology in comparison with the previously published works in power loss minimization, bus voltage enhancement and more economical benefit and proved that the proposed methodology performs well compared to other methods in the literature.Вступ. Потреба в електроенергії різко зросла через стрімке зростання промисловості, соціальних та економічних поліпшень. З попередніх досліджень було встановлено, що майже 13 % усієї електроенергії, що виробляється, витрачається марно у вигляді втрат тепла на рівні розподілу. Загальновизнано, що профіль напруги вузла вздовж розподільчої системи може бути поліпшений при передачі потужності в режимі, що встановився, керованої відповідною компенсацією реактивної потужності. Конденсатори були визнані як пристрої компенсації реактивної потужності в розподільчих системах для досягнення технічних та економічних переваг. Новизна цієї роботи полягає у застосуванні алгоритму оптимізації Архімеда для оптимізації реактивної потужності в розподільчих системах з метою отримання покращеного рішення, а також було взято та перевірено реальну португальську мережу з 94 шинами та модифіковану мережу з 12 шинами для трьох різних рівнів навантаження. які абсолютно нові. Мета запропонованої роботи полягає в тому, щоб максимізувати економічний ефект за рахунок зниження втрат потужності та вартості купівлі конденсатора за трьох різних режимів навантаження за умови дотримання обмежень рівності та нерівності. Методи. Економічний ефект було підтверджено з використанням алгоритму оптимізації Архімеда для трьох рівнів навантаження з урахуванням трьох систем розподілу. Результати розрахунків показали компетентність запропонованої методології порівняно з раніше опублікованими роботами в галузі мінімізації втрат потужності, підвищення напруги на шині та більшої економічної вигоди, а також довели, що запропонована методологія добре працює порівняно з іншими методами в літературі

Fault diagnosis in a five-level multilevel inverter using an artificial neural network approach

Introduction. Cascaded H-bridge multilevel inverters (CHB-MLI) are becoming increasingly used in applications such as distribution systems, electrical traction systems, high voltage direct conversion systems, and many others. Despite the fact that multilevel inverters contain a large number of control switches, detecting a malfunction takes a significant amount of time. In the fault switch configurations diode included for freewheeling operation during open-fault condition. During short circuit fault conditions are carried out by the fuse, which can reveal the freewheeling current direction. The fault category can be identified independently and also failure of power switches harmed by the functioning and reliability of CHB-MLI. This paper investigates the effects and performance of open and short switching faults of multilevel inverters. Output voltage characteristics of 5 level MLI are frequently determined from distinctive switch faults with modulation index value of 0.85 is used during simulation analysis. In the simulation experiment for the modulation index value of 0.85, one second open and short circuit faults are created for the place of faulty switch. Fault is identified automatically by means of artificial neural network (ANN) technique using sinusoidal pulse width modulation based on distorted total harmonic distortion (THD) and managed by its own. The novelty of the proposed work consists of a fast Fourier transform (FFT) and ANN to identify faulty switch. Purpose. The proposed architecture is to identify faulty switch during open and short failures, which has to be reduced THD and make the system in reliable operation. Methods. The proposed topology is to be design and evaluate using MATLAB/Simulink platform. Results. Using the FFT and ANN approaches, the normal and faulty conditions of the MLI are explored, and the faulty switch is detected based on voltage changing patterns in the output. Practical value. The proposed topology has been very supportive for implementing non-conventional energy sources based multilevel inverter, which is connected to large demand in grid.Вступ. Каскадні багаторівневі інвертори H-bridge все частіше використовуються в таких пристроях, як розподільні системи, електричні тягові системи, системи прямого перетворення високої напруги та багато інших. Незважаючи на те, що багаторівневі інвертори містять велику кількість перемикачів, що управляють, виявлення несправності займає значний час. У конфігурації аварійного вимикача увімкнено діод для роботи в режимі вільного ходу в умовах обриву несправності. При короткому замиканні аварійні стани виконуються запобіжником, який може визначити напрямок струму вільного ходу. Категорія несправності може бути визначена самостійно, а також відмова силових вимикачів, що порушує функціонування та надійність каскадних багаторівневих інверторів H-bridge. У цій статті досліджуються наслідки та характеристики обривів та коротких замикань багаторівневих інверторів. Характеристики вихідної напруги 5-рівневого інвертору часто визначаються характерними несправностями перемикача, при цьому при аналізі моделювання використовується значення індексу модуляції 0,85. В імітаційному експерименті значення індексу модуляції 0,85 в місці несправного перемикача створюються односекундні обриви і коротке замикання. Несправність ідентифікується автоматично за допомогою методу штучної нейронної мережі з використанням синусоїдальної широтно-імпульсної модуляції на основі спотвореного повного гармонійного спотворення та керується самостійно. Новизна запропонованої роботи полягає у застосуванні швидкого перетворення Фур’є та штучної нейронної мережі для ідентифікації несправного перемикача. Мета. Пропонована архітектура призначена для виявлення несправного комутатора при розмиканні та короткочасних відмовах, що має знизити повне гармонійне спотворення та забезпечити надійну роботу системи. методи. Запропонована топологія має бути спроектована та оцінена з використанням платформи MATLAB/Simulink. Результати. Використовуючи підходи швидкого перетворення Фур’є та штучної нейронної мережі, досліджуються нормальні та несправні стани багаторівневих інверторів, і несправний перемикач виявляється на основі моделей зміни напруги на виході. Практична цінність. Запропонована топологія дуже сприятлива для реалізації нетрадиційних джерел енергії на основі багаторівневого інвертора, пов'язаного з великим попитом у мережі

Mitigation of harmonics for five level multilevel inverter with fuzzy logic controller

Introduction. The advantages of a high-power quality waveform and a high voltage capability of multilevel inverters have made them increasingly popular in recent years. These inverters reduce harmonic distortion and improve the voltage output. Realistically speaking, as the number of voltage levels increases, so does the quality of the multilevel output-voltage waveform. When it comes to industrial power converters, these inverters are by far the most critical. Novelty. Multilevel cascade inverters can be used to convert multiple direct current sources into one direct current. These inverters have been getting a lot of attention recently for high-power applications. A cascade H-bridge multilevel inverter controller is proposed in this paper. A change in the pulse width of selective pulse width modulation modulates the output of the multilevel cascade inverter. Purpose. The total harmonic distortion can be reduced by using filters on controllers like PI and fuzzy logic controllers. Methods. The proposed topology is implemented with MATLAB/Simulink, using gating pulses and pulse width modulation methodology and fuzzy logic controllers. Moreover, the proposed model also has been validated and compared to the hardware system. Results. Total harmonic distortion, number of power switches, output voltage and number of DC sources are analyzed with conventional topologies. Practical value. The proposed topology has been very supportive for implementing photovoltaic based multilevel inverter, which is connected to large demand in grid and industry

Fault diagnosis in a five-level multilevel inverter using an artificial neural network approach

Introduction. Cascaded H-bridge multilevel inverters (CHB-MLI) are becoming increasingly used in applications such as distribution systems, electrical traction systems, high voltage direct conversion systems, and many others. Despite the fact that multilevel inverters contain a large number of control switches, detecting a malfunction takes a significant amount of time. In the fault switch configurations diode included for freewheeling operation during open-fault condition. During short circuit fault conditions are carried out by the fuse, which can reveal the freewheeling current direction. The fault category can be identified independently and also failure of power switches harmed by the functioning and reliability of CHB-MLI. This paper investigates the effects and performance of open and short switching faults of multilevel inverters. Output voltage characteristics of 5 level MLI are frequently determined from distinctive switch faults with modulation index value of 0.85 is used during simulation analysis. In the simulation experiment for the modulation index value of 0.85, one second open and short circuit faults are created for the place of faulty switch. Fault is identified automatically by means of artificial neural network (ANN) technique using sinusoidal pulse width modulation based on distorted total harmonic distortion (THD) and managed by its own. The novelty of the proposed work consists of a fast Fourier transform (FFT) and ANN to identify faulty switch. Purpose. The proposed architecture is to identify faulty switch during open and short failures, which has to be reduced THD and make the system in reliable operation. Methods. The proposed topology is to be design and evaluate using MATLAB/Simulink platform. Results. Using the FFT and ANN approaches, the normal and faulty conditions of the MLI are explored, and the faulty switch is detected based on voltage changing patterns in the output. Practical value. The proposed topology has been very supportive for implementing non-conventional energy sources based multilevel inverter, which is connected to large demand in grid

Fault analysis in the 5-level multilevel NCA DC–AC converter

The existing neutral clamped active inverter has common mode voltage with the high frequency which can reduce the severity with less voltage gain. The traditional active neutral point clamped (APC) DC–AC converter maintains great common mode voltage with high-frequency (CMV-HF) reduction capability so, it has limited voltage gain. The paper presents a new 5-level active neutral point clamped DC–AC converter that can change voltage step-up in a single-stage inversion. In the suggested design, a common ground not only reduces the CMV-HF but also improves DC link voltage use. Compared with the traditional two-stage 5-level APC DC–AC converter, the proposed design has lower voltage stresses and greater uniformity. While improving the overall efficiency, the suggested clamped DC–AC converter saves three power switches and a capacitor. Modelling and actual tests have proven the suggested active neutral point clamped inverter’s overall operation, efficacy and achievability. The proposed circuit is finally tested with fault clearance capability