Design of Super-Twisting Algorithm Based Sliding Mode Control for 9-Level Packed E-Cell Inverters

Abstract

In this paper, a super twisting algorithm based sliding mode control method is presented for 9-Level Packed E-Cell inverters. Regulating the load voltage is the main objective in the control of off-grid inverters. To achieve this objective firstly, a sliding mode controller is designed. The output of the sliding mode method contains chattering which causes variable switching frequency. A super twisting algorithm is designed and integrated with the sliding mode control method to reduce the effect of chattering. A modulation signal is generated by the combined algorithms and it is applied to a modulator for generating the switching signals. Thus, the voltage control of Packed E-Cell inverter is achieved. The performance of the proposed algorithm is investigated by simulation studies. The steady-state and dynamic response results show that the proposed control strategy successfully regulates the load voltage with low total harmonic distortions in both cases.

Project Number

65/2020-02

9-Seviyeli Paket E-Hücreli Eviriciler için Üstün Burulma Algoritması Tabanlı Kayan Kipli Kontrol Tasarımı

Abstract

Bu makalede, 9 seviyeli Paket E-Hücreli eviriciler için üstün burulma algoritması tabanlı bir kayan kipli kontrol yöntemi sunulmuştur. Şebekeden bağımsız eviricilerin kontrolünde temel amaç, yük gerilimini regüle etmektedir. Bu amaca ulaşmak için öncelikle bir kayan kipli kontrolör tasarlanmıştır. Kayan kipli kontrol yönteminin çıkışı değişken anahtarlama frekansına neden olan çatırtı sorunları içermektedir. Çatırtı etkisini azaltmak için bir üstün burulma algoritması tasarlanmış ve kayan kipli kontrol yöntemine entegre edilmiştir. Tümleşik algoritmayla bir modülasyon sinyali üretilmiş ve anahtarlama sinyallerini oluşturmak için bir modülatöre uygulanmıştır. Böylece, Paket E-Hücreli eviricinin gerilim kontrolü sağlanmıştır. Önerilen algoritmanın performansı benzetim çalışmalarıyla incelenmiştir. Kararlı durum ve dinamik yanıt sonuçları, önerilen kontrol stratejisinin her iki durumda da düşük toplam harmonik bozulmalarla yük voltajını başarılı bir şekilde düzenlediğini göstermektedir.

Keywords

• Kayan kipli kontrol
• Üstün burulma algoritması
• Çok seviyeli evirici

Supporting Institution

Gazi Üniversitesi

Project Number

65/2020-02

Thanks

Bu çalışma Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi (Proje No: 65/2020-02) tarafından desteklenmiştir. Katkılarından dolayı Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi’ne teşekkürlerimi sunarım.

References

1. [1] M. R. Tür, F. Yaprdakdal, Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Dayalı Bir Sistemde Güç Kalitesi Analizi, Kontrolü ve İzlemesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilim. Derg. Part C Tasarım ve Teknol., 8: 3 (2020) 572–587.
2. [2] N. Güler, E. Irmak, Nötr Kenetlemeli Eviriciler için Çok Giriş – Çok Çıkışlı DA-DA Çevirici Tasarımı ve Kontrolü. Gazi Üniversitesi Fen Bilim. Derg. Part C Tasarım ve Teknol., 7:1 (2019) 49–62.
3. [3] E. Kabalcı, R. Canbaz, Design and analysis of a grid-tied single phase nine level asymmetrical inverter. Pamukkale Univ. J. Eng. Sci., 23:5 (2017) 512–518.
4. [4] N. Ozturk, R. Canbaz, E. Celik, Constant voltage constant frequency control for single phase three level inverter. 2012 Int. Conf. Renew. Energy Res. Appl., 2012.
5. [5] H. Hatas, N. Genc, A. Mamizadeh, FPGA Implementation of SPWM for Cascaded Multilevel Inverter by Using XSG. 4th Int. Conf. Power Electron. their Appl. ICPEA 2019, 25–27, 2019.
6. [6] Y. Ounejjar, K. Al-Haddad, L. A. Grégoire, Packed U cells multilevel converter topology: Theoretical study and experimental validation. IEEE Trans. Ind. Electron., 58:4, (2011) 1294–1306.
7. [7] H. Vahedi, P. Labbé, K. Al-Haddad, Sensor-Less Five-Level Packed U-Cell (PUC5) Inverter Operating in Stand-Alone and Grid-Connected Modes. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 12:1 (2016) 361-370.
8. [8] M. Babaie, M. Sharifzadeh, M. Mehrasa, K. Al-Haddad, Optimized based algorithm first order sliding mode control for grid-connected packed e-cell (PEC) inverter. IEEE Energy Convers. Congr. Expo. ECCE, (2019) 2269–2273.

9. [9] M. Sharifzadeh, K. Al-Haddad, Packed E-Cell (PEC) converter topology operation and experimental validation. IEEE Access, 7 (2019) 93049–93061.
10. [10] S. Bayhan, H. Komurcugil, Sliding-Mode Control Strategy for Three-Phase Three-Level T-Type Rectifiers With DC Capacitor Voltage Balancing. IEEE Access, 8 (2020) 64555–64564.
11. [11] H. Komurcugil, N. Guler, S. Bayhan, Weighting Factor Free Lyapunov-Function-Based Model Predictive Control Strategy for Single-Phase T-Type Rectifiers. IECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Singapore, (2020) 4200-4205.
12. [12] M. Ahmadijokani, M. Sharifzadeh, M. Mehrasa, F. Sebaaly, K. Al-Haddad, Modified Level-Shifted PWM Technique with Active DC Capacitors Voltages Balancing for Nine-level Packed E-Cell (PEC9) Inverter. Proc. IEEE Int. Conf. Ind. Technol., (2020) 843–848.
13. [13] N. Altin, S. Ozdemir, H. Komurcugil, I. Sefa, Sliding-Mode Control in Natural Frame with Reduced Number of Sensors for Three-Phase Grid-Tied LCL-Interfaced Inverters. IEEE Trans. Ind. Electron., 66:4 (2019) 2903–2913.
14. [14] I. Sefa, S. Ozdemir, H. Komurcugil, N. Altin, Comparative study on Lyapunov-functionbased control schemes for single-phase gridconnected voltage-source inverter with LCL filter. IET Renew. Power Gener., 11:11 (2017) 1473–1482.
15. [15] N. Güler, Proportional Resonant and Proportional Integral Based Control Strategy for Single Phase Split Source Inverters. 9th Int. Conf. Renew. Energy Res. Appl., (2020) 510–514.
16. [16] F. Bagheri, H. Komurcugil, O. Kukrer, N. Guler, S. Bayhan, Multi-Input Multi-Output Based Sliding-Mode Controller for Single-Phase Quasi-Z-Source Inverters. IEEE Trans. Ind. Electron., 46 (2019).
17. [17] S. Bayhan, M. Trabelsi, H. Abu-Rub, M. Malinowski, Finite-Control-Set Model-Predictive Control for a Quasi-Z-Source Four-Leg Inverter Under Unbalanced Load Condition. IEEE Trans. Ind. Electron., 64:4 (2017) 2560–2569.
18. [18] S. Bayhan, H. Komurcugil, A Sliding-Mode Controlled Single-Phase Grid-Connected Quasi-Z-Source NPC Inverter With Double-Line Frequency Ripple Suppression. IEEE Access, 7 (2019) 160004-160016.
19. [19] H. Komurcugil, S. Biricik, Time-Varying and Constant Switching Frequency-Based Sliding-Mode Control Methods for Transformerless DVR Employing Half-Bridge VSI. IEEE Trans. Ind. Electron., 64:4 (2017) 2570–2579.
20. [20] N. Guler, S. Biricik, S. Bayhan, H. Komurcugil, Model Predictive Control of DC-DC SEPIC Converters with Auto-tuning Weighting Factor. IEEE Trans. Ind. Electron., 46 (2020).
21. [21] H. Komurcugil, S. Bayhan, Super-Twisting Sliding Mode Control for Grid-Tied T-Type qZSI with Reduced Capacitor Voltage. IEEE Int. Symp. Ind. Electron., (2020) 790–795.
22. [22] S. Adak, H. Cangi, A. S. Yılmaz, Doğrusal Olmayan Yüklerde Güç Faktörünün Düzeltilmesi ve Harmonik Bileşenlerin Süzülmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilim. Derg. Part C Tasarım ve Teknol., 7:1 (2019) 153–164.