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Development of a comprehensive model and a multiloop controller for $Z$-source inverter DG systems / Gajanayake, Chandana Jayampathi in IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 54 N°4 (Août 2007) 

Public ISBD [article]  in IEEE transactions on industrial electronics > Vol. 54 N°4 (Août 2007) . - 2352-2359 p. Titre : Development of a comprehensive model and a multiloop controller for $Z$-source inverter DG systems Titre original : Développement d'un modèle complet et d'un contrôleur multiboucle pour des systèmes de dg d'inverseur de $Z$-Source Type de document : texte imprimé Auteurs : Gajanayake, Chandana Jayampathi, Auteur ; Vilathgamuwa, D. Mahinda, Auteur ; Poh Chiang Loh, Auteur Article en page(s) : 2352-2359 p. Note générale : Electronique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Buck-boost  Distributed  generation  (DG)  Inverters  Small-signal  analysis  Z-source  inverters  Poussée  de  mâle  Génération  distribuée  Inverseurs  Analyse  small-signal  Inverseurs  de  Z-source Index. décimale : 621 Ingénierie mécanique en général. Technologie nucléaire. Ingénierie électrique. Machinerie Résumé : This paper presents the modeling and design of a closed-loop controller for a $Z$-source inverter. The $Z$-source inverter is a recently proposed single-stage power converter, and it is capable of operating in both buck and boost modes. Hence, this inverter gives an economical solution for power conversion in distributed generation (DG) applications, particularly by eliminating the need for a two-stage conversion. Moreover, applications such as DG demand quality output waveforms, and additionally, when the system is subjected to input- and load-side disturbances, their effects need to be minimized. This can be achieved with closed-loop controlling. Toward this end, the system is modeled first with large- and small-signal modeling techniques, and relevant transfer functions are derived. The dc-side of the $Z$-source inverter shows a non-minimum-phase characteristic, and the output voltage of a $Z$-source impedance network shows a significant overshoot and undershoot, following a step change in the input due to energy resettling. These effects could be transferred to the ac-side, giving rise to the undershoot and overshoot in the ac output as well. Hence, the proposed controllers should be able to minimize such effects. The ac- and dc-sides are considered separately when designing the controllers. An indirect controller is employed in the dc-side, whereas the ac-side controller is designed in the synchronous reference frame. The modulation index, shoot-through time, and saturation levels are appropriately selected so that the dc-side effects are prevented from propagating into the ac-side. The simulation results are obtained using a state-space-averaged inverter model, and an experimental prototype is built in a laboratory to prove the efficacy of the proposed- algorithm. Simulation and experimental results show good reference-tracking and disturbance-rejection properties, validating the desired functionality of the proposed controller. Cet article présente modeler et la conception d'un contrôleur en circuit fermé pour un inverseur de $Z$-source. L'inverseur de $Z$-source est un convertisseur de puissance en une seule étape récemment proposé, et il est capable du fonctionnement dans le mâle et les modes de poussée. Par conséquent, cet inverseur donne une solution économique pour la conversion de puissance dans des applications réparties de la génération (dg), en particulier en éliminant le besoin de conversion à deux étages. D'ailleurs, les applications telles que le rendement de qualité de demande de dg ondulent des formes, et en plus, quand le système est soumis aux perturbations latérales d'entrée et de charge, leurs effets doivent être réduits au minimum. Ceci peut être réalisé avec le contrôle de boucle bloquée. Vers cette extrémité, le système est modelé d'abord avec le grand et petit signal modelant des techniques, et des fonctions appropriées de transfert sont dérivées. Le côté de C.C de l'inverseur de $Z$-source montre une caractéristique non minimum de phase, et la tension de rendement d'un réseau d'impédance de $Z$-source montre qu'un significatif dépasse et sous-évalue, après un changement d'étape de l'entrée due au reclassement d'énergie. Ces effets ont pu être transférés au côté à C.A., provoquant l'attérrissage trop court et dépasser dans le C.A. produit aussi bien. Par conséquent, les contrôleurs proposés devraient pouvoir réduire au minimum de tels effets. Les côtés à C.A. et de C.C sont considérés séparément en concevant les contrôleurs. Un contrôleur indirect est employé dans le côté de C.C, tandis que le contrôleur latéral à C.A. est conçu dans l'armature synchrone de référence. L'index de modulation, la pousse par le temps, et les niveaux de saturation sont convenablement choisis de sorte que les effets secondaires de C.C soient empêchés de la propagation dans le côté à C.A. Les résultats de simulation sont obtenus en utilisant un modèle d'inverseur ramené à une moyenne parespace d'état, et un prototype expérimental est établi dans un laboratoire pour prouver l'efficacité de l'algorithme proposé. La simulation et les résultats expérimentaux montrent la bonne référence dépistant et les propriétés de rejet de perturbation, validant la fonctionnalité désirée du contrôleur proposé. DEWEY : 621 ISSN : 0278-0046 RAMEAU : Circuits électroniques En ligne : chan0178@ntu.edu.sg, emahinda@ntu.edu.sg, pcloh@ieee.org [article] Development of a comprehensive model and a multiloop controller for $Z$-source inverter DG systems = Développement d'un modèle complet et d'un contrôleur multiboucle pour des systèmes de dg d'inverseur de $Z$-Source [texte imprimé] / Gajanayake, Chandana Jayampathi, Auteur ; Vilathgamuwa, D. Mahinda, Auteur ; Poh Chiang Loh, Auteur . - 2352-2359 p. Electronique Langues : Anglais (eng) in IEEE transactions on industrial electronics > Vol. 54 N°4 (Août 2007) . - 2352-2359 p. Mots-clés : Buck-boost  Distributed  generation  (DG)  Inverters  Small-signal  analysis  Z-source  inverters  Poussée  de  mâle  Génération  distribuée  Inverseurs  Analyse  small-signal  Inverseurs  de  Z-source Index. décimale : 621 Ingénierie mécanique en général. Technologie nucléaire. Ingénierie électrique. Machinerie Résumé : This paper presents the modeling and design of a closed-loop controller for a $Z$-source inverter. The $Z$-source inverter is a recently proposed single-stage power converter, and it is capable of operating in both buck and boost modes. Hence, this inverter gives an economical solution for power conversion in distributed generation (DG) applications, particularly by eliminating the need for a two-stage conversion. Moreover, applications such as DG demand quality output waveforms, and additionally, when the system is subjected to input- and load-side disturbances, their effects need to be minimized. This can be achieved with closed-loop controlling. Toward this end, the system is modeled first with large- and small-signal modeling techniques, and relevant transfer functions are derived. The dc-side of the $Z$-source inverter shows a non-minimum-phase characteristic, and the output voltage of a $Z$-source impedance network shows a significant overshoot and undershoot, following a step change in the input due to energy resettling. These effects could be transferred to the ac-side, giving rise to the undershoot and overshoot in the ac output as well. Hence, the proposed controllers should be able to minimize such effects. The ac- and dc-sides are considered separately when designing the controllers. An indirect controller is employed in the dc-side, whereas the ac-side controller is designed in the synchronous reference frame. The modulation index, shoot-through time, and saturation levels are appropriately selected so that the dc-side effects are prevented from propagating into the ac-side. The simulation results are obtained using a state-space-averaged inverter model, and an experimental prototype is built in a laboratory to prove the efficacy of the proposed- algorithm. Simulation and experimental results show good reference-tracking and disturbance-rejection properties, validating the desired functionality of the proposed controller. Cet article présente modeler et la conception d'un contrôleur en circuit fermé pour un inverseur de $Z$-source. L'inverseur de $Z$-source est un convertisseur de puissance en une seule étape récemment proposé, et il est capable du fonctionnement dans le mâle et les modes de poussée. Par conséquent, cet inverseur donne une solution économique pour la conversion de puissance dans des applications réparties de la génération (dg), en particulier en éliminant le besoin de conversion à deux étages. D'ailleurs, les applications telles que le rendement de qualité de demande de dg ondulent des formes, et en plus, quand le système est soumis aux perturbations latérales d'entrée et de charge, leurs effets doivent être réduits au minimum. Ceci peut être réalisé avec le contrôle de boucle bloquée. Vers cette extrémité, le système est modelé d'abord avec le grand et petit signal modelant des techniques, et des fonctions appropriées de transfert sont dérivées. Le côté de C.C de l'inverseur de $Z$-source montre une caractéristique non minimum de phase, et la tension de rendement d'un réseau d'impédance de $Z$-source montre qu'un significatif dépasse et sous-évalue, après un changement d'étape de l'entrée due au reclassement d'énergie. Ces effets ont pu être transférés au côté à C.A., provoquant l'attérrissage trop court et dépasser dans le C.A. produit aussi bien. Par conséquent, les contrôleurs proposés devraient pouvoir réduire au minimum de tels effets. Les côtés à C.A. et de C.C sont considérés séparément en concevant les contrôleurs. Un contrôleur indirect est employé dans le côté de C.C, tandis que le contrôleur latéral à C.A. est conçu dans l'armature synchrone de référence. L'index de modulation, la pousse par le temps, et les niveaux de saturation sont convenablement choisis de sorte que les effets secondaires de C.C soient empêchés de la propagation dans le côté à C.A. Les résultats de simulation sont obtenus en utilisant un modèle d'inverseur ramené à une moyenne parespace d'état, et un prototype expérimental est établi dans un laboratoire pour prouver l'efficacité de l'algorithme proposé. La simulation et les résultats expérimentaux montrent la bonne référence dépistant et les propriétés de rejet de perturbation, validant la fonctionnalité désirée du contrôleur proposé. DEWEY : 621 ISSN : 0278-0046 RAMEAU : Circuits électroniques En ligne : chan0178@ntu.edu.sg, emahinda@ntu.edu.sg, pcloh@ieee.org

Transient Modeling and Analysis of Pulse-Width Modulated Z-Source Inverter / Poh Chiang Loh in IEEE transactions on power electronics, Vol. 22 N°2 (Mars 2007) 

Public ISBD [article]  in IEEE transactions on power electronics > Vol. 22 N°2 (Mars 2007) . - 498-507 p. Titre : Transient Modeling and Analysis of Pulse-Width Modulated Z-Source Inverter Titre original : Modèle de coupure et analyse d'inverseur de Z-Source modulé par largeur d'impulsion Type de document : texte imprimé Auteurs : Poh Chiang Loh, Auteur ; Vilathgamuwa, D. Mahinda, Auteur ; Gajanayake, Chandana Jayampathi, Auteur Article en page(s) : 498-507 p. Note générale : Electronique Mots-clés : Buck-boost  Inverters  Signal-flow-graph  Small-signal  analysis  Transient  response  Poussée  de  mâle  Inverseurs  Graphique  d'écoulement  de  signal  Analyse  de  petit  signal  Réponse  passagère Index. décimale : 621.31 Production,approvisionnement et contrôle de l'électricité.Machines et appareils électriques.Mesure électrique.Magnétisme et électrostatique appliquées Résumé : The newly proposed Z-Source inverter has been proven in the literature to exhibit both steady-state voltage buck and boost capabilities using a unique LC impedance network coupled between the power source and converter circuit. This paper now presents transient modeling and analysis of a voltage-type Z-source inverter. These aspects are found to be challenging and they need to be carefully investigated before attempting to design advanced control algorithms for controlling the Z-source inverter. Through detailed analysis, the paper identifies several phenomena on the dc and ac-sides of the inverter, which would result in the inverter having a non-minimum-phase transient response. The dc-side phenomenon is associated with the Z-source impedance network, which is shown through small-signal and signal-flow-graph analyses to be having a right-half-plane zero in its control-to-output transfer function. Also, the ac-side phenomenon is shown through space vector analysis to depend on the time intervals of inverter states used for reconstructing the desired inverter output voltage. Based on the ac vectorial analysis, a method for improving the inverter transient response is also presented. Last, simulation results obtained using a switching-functional model and experimental results obtained using a laboratory prototype are presented for validating the described theoretical concepts. On s'est avéré que l'inverseur nouvellement proposé de Z-Source dans la littérature montre le mâle équilibré de tension et amplifie des possibilités en utilisant un réseau unique d'impédance de LC couplé entre la source d'énergie et le circuit de convertisseur. Cet article présente maintenant modeler de coupure et analyse d'un type inverseur de tension de Z-source. Ces aspects s'avèrent provocants et ils doivent être soigneusement étudiés avant d'essayer de concevoir des algorithmes avançés de commande pour commander l'inverseur de Z-source. Par l'analyse détaillée, le papier identifie plusieurs phénomènes sur le C.C et les C.A.-côtés de l'inverseur, qui aurait comme conséquence l'inverseur ayant une réponse passagère de non-minimum-phase. Le phénomène latéral de C.C est associé au réseau d'impédance de Z-source, qui est montré par de petites analyses de graphique de signal et d'écoulement de signal pour avoir un avion zéro de moitié droite dans sa commande pour produire la fonction de transfert. En outre, le phénomène latéral à C.A. est montré par l'analyse de vecteur de l'espace pour dépendre des intervalles de temps des états d'inverseur utilisés pour reconstruire la tension désirée de rendement d'inverseur. Basé sur l'analyse vectorial à C.A., une méthode pour améliorer la réponse passagère d'inverseur est également présentée. Durer, la simulation résulte obtenu en utilisant un modèle commutation-fonctionnel et des résultats expérimentaux obtenus en utilisant un prototype de laboratoire sont présentés pour valider le concept théorique décrit. DEWEY : 621 ISSN : 0885-8993 RAMEAU : Traitement du signal En ligne : pcloh@ieee.org, emahinda@ntu.edu.sg, chan0178@ntu.edu.sg, yihrong19@pmail.ntu.ed [...] [article] Transient Modeling and Analysis of Pulse-Width Modulated Z-Source Inverter = Modèle de coupure et analyse d'inverseur de Z-Source modulé par largeur d'impulsion [texte imprimé] / Poh Chiang Loh, Auteur ; Vilathgamuwa, D. Mahinda, Auteur ; Gajanayake, Chandana Jayampathi, Auteur . - 498-507 p. Electronique in IEEE transactions on power electronics > Vol. 22 N°2 (Mars 2007) . - 498-507 p. Mots-clés : Buck-boost  Inverters  Signal-flow-graph  Small-signal  analysis  Transient  response  Poussée  de  mâle  Inverseurs  Graphique  d'écoulement  de  signal  Analyse  de  petit  signal  Réponse  passagère Index. décimale : 621.31 Production,approvisionnement et contrôle de l'électricité.Machines et appareils électriques.Mesure électrique.Magnétisme et électrostatique appliquées Résumé : The newly proposed Z-Source inverter has been proven in the literature to exhibit both steady-state voltage buck and boost capabilities using a unique LC impedance network coupled between the power source and converter circuit. This paper now presents transient modeling and analysis of a voltage-type Z-source inverter. These aspects are found to be challenging and they need to be carefully investigated before attempting to design advanced control algorithms for controlling the Z-source inverter. Through detailed analysis, the paper identifies several phenomena on the dc and ac-sides of the inverter, which would result in the inverter having a non-minimum-phase transient response. The dc-side phenomenon is associated with the Z-source impedance network, which is shown through small-signal and signal-flow-graph analyses to be having a right-half-plane zero in its control-to-output transfer function. Also, the ac-side phenomenon is shown through space vector analysis to depend on the time intervals of inverter states used for reconstructing the desired inverter output voltage. Based on the ac vectorial analysis, a method for improving the inverter transient response is also presented. Last, simulation results obtained using a switching-functional model and experimental results obtained using a laboratory prototype are presented for validating the described theoretical concepts. On s'est avéré que l'inverseur nouvellement proposé de Z-Source dans la littérature montre le mâle équilibré de tension et amplifie des possibilités en utilisant un réseau unique d'impédance de LC couplé entre la source d'énergie et le circuit de convertisseur. Cet article présente maintenant modeler de coupure et analyse d'un type inverseur de tension de Z-source. Ces aspects s'avèrent provocants et ils doivent être soigneusement étudiés avant d'essayer de concevoir des algorithmes avançés de commande pour commander l'inverseur de Z-source. Par l'analyse détaillée, le papier identifie plusieurs phénomènes sur le C.C et les C.A.-côtés de l'inverseur, qui aurait comme conséquence l'inverseur ayant une réponse passagère de non-minimum-phase. Le phénomène latéral de C.C est associé au réseau d'impédance de Z-source, qui est montré par de petites analyses de graphique de signal et d'écoulement de signal pour avoir un avion zéro de moitié droite dans sa commande pour produire la fonction de transfert. En outre, le phénomène latéral à C.A. est montré par l'analyse de vecteur de l'espace pour dépendre des intervalles de temps des états d'inverseur utilisés pour reconstruire la tension désirée de rendement d'inverseur. Basé sur l'analyse vectorial à C.A., une méthode pour améliorer la réponse passagère d'inverseur est également présentée. Durer, la simulation résulte obtenu en utilisant un modèle commutation-fonctionnel et des résultats expérimentaux obtenus en utilisant un prototype de laboratoire sont présentés pour valider le concept théorique décrit. DEWEY : 621 ISSN : 0885-8993 RAMEAU : Traitement du signal En ligne : pcloh@ieee.org, emahinda@ntu.edu.sg, chan0178@ntu.edu.sg, yihrong19@pmail.ntu.ed [...]

$Z$-Source Current-Type Inverters: Digital Modulation and Logic Implementation / Poh Chiang Loh in IEEE transactions on power electronics, Vol. 22 N°1 (Janvier 2007) 

Public ISBD [article]  in IEEE transactions on power electronics > Vol. 22 N°1 (Janvier 2007) . - 169-177 p. Titre : $Z$-Source Current-Type Inverters: Digital Modulation and Logic Implementation Titre original : type courant inverseurs de $Z$-Source : Modulation de Digital et exécution de logique Type de document : texte imprimé Auteurs : Poh Chiang Loh, Auteur ; Vilathgamuwa, D. Mahinda, Auteur ; Gajanayake, Chandana Jayampathi, Auteur Article en page(s) : 169-177 p. Note générale : Electronique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Buck-boost  Current  source  (CS)  inverters  Digital  logic  Pulsewidth  modulation  (PWM)  Poussée  de  mâle  Inverseurs  courants  de  source  Logique  digital  Modulation  de  largeur  d'impulsion Index. décimale : 621.31 Production,approvisionnement et contrôle de l'électricité.Machines et appareils électriques.Mesure électrique.Magnétisme et électrostatique appliquées Résumé : Traditionally, current source (CS) inverters have been adopted for use in medium and high power industry applications. These inverters, however, support only current-buck dc-ac power conversion and need a relatively complex modulator, as compared to conventional voltage source (VS) inverters. To address these limitations, this paper presents an integration of the buck-boost Z-source power conversion concept to the CS inverter topology to develop single- and three-phase Z-source CS inverters. For their efficient control, the paper starts by evaluating different carrier-based reference formulations to identify different inverter state placement possibilities. The paper then proceeds to design appropriate "reference-to-switch" assignments or logic equations for mapping out the correct CS gating signals, allowing a simple carrier-based modulator to control a Z-source CS inverter with complications such as commutation difficulties and "many-to-many" state assignments readily resolved. The developed system can be implemented using a digital signal processor with an embedded VS pulse-width modulator and an external programmable logic device, hence offering a competitive solution for medium power single and three-phase buck-boost power conversion. Theory, simulation, and experimental results are presented in the paper. Traditionnellement, des inverseurs courants de source (CS) ont été adoptés pour l'usage dans des applications moyennes et élevées d'industrie énergétique. Ces inverseurs, cependant, soutiennent seulement la conversion courante de courant alternatif de C.C de mâle et ont besoin d'un modulateur relativement complexe, par rapport aux inverseurs conventionnels de source de tension (CONTRE). Pour adresser ces limitations, cet article présente une intégration du concept de conversion de puissance de Z-source de poussée de mâle à la topologie d'inverseur de CS pour développer les inverseurs simple- et triphasés de CS de Z-source. Pour leur commande efficace, le papier commence par évaluer différentes formulations à fil porteur de référence pour identifier différentes possibilités de placement d'état d'inverseur. Le papier procède alors concevoir « référence des tâches à commutateur » ou des équations appropriées de logique pour tracer dehors les signaux de déclenchement de CS correct, permettant à un modulateur à fil porteur simple de commander un inverseur de CS de Z-source avec des complications telles que des difficultés de commutation et des tâches « multiples » d'état aisément résolues. Le système développé peut être mis en application en utilisant un processeur de signal numérique avec incorporé CONTRE le modulateur de largeur d'impulsion et un dispositif de logique programmable externe, par conséquent offrant une solution concurrentielle pour la conversion simple et triphasée moyenne de puissance de mâle de poussée de puissance. La théorie, la simulation, et les résultats expérimentaux sont présentés dans le papier. DEWEY : 621 ISSN : 0885-8993 RAMEAU : Modulation d'impulsions en durée En ligne : pcloh@ieee.org, emahinda@ntu.edu.sg, chan0178@ntu.edu.sg [article] $Z$-Source Current-Type Inverters: Digital Modulation and Logic Implementation = type courant inverseurs de $Z$-Source : Modulation de Digital et exécution de logique [texte imprimé] / Poh Chiang Loh, Auteur ; Vilathgamuwa, D. Mahinda, Auteur ; Gajanayake, Chandana Jayampathi, Auteur . - 169-177 p. Electronique Langues : Anglais (eng) in IEEE transactions on power electronics > Vol. 22 N°1 (Janvier 2007) . - 169-177 p. Mots-clés : Buck-boost  Current  source  (CS)  inverters  Digital  logic  Pulsewidth  modulation  (PWM)  Poussée  de  mâle  Inverseurs  courants  de  source  Logique  digital  Modulation  de  largeur  d'impulsion Index. décimale : 621.31 Production,approvisionnement et contrôle de l'électricité.Machines et appareils électriques.Mesure électrique.Magnétisme et électrostatique appliquées Résumé : Traditionally, current source (CS) inverters have been adopted for use in medium and high power industry applications. These inverters, however, support only current-buck dc-ac power conversion and need a relatively complex modulator, as compared to conventional voltage source (VS) inverters. To address these limitations, this paper presents an integration of the buck-boost Z-source power conversion concept to the CS inverter topology to develop single- and three-phase Z-source CS inverters. For their efficient control, the paper starts by evaluating different carrier-based reference formulations to identify different inverter state placement possibilities. The paper then proceeds to design appropriate "reference-to-switch" assignments or logic equations for mapping out the correct CS gating signals, allowing a simple carrier-based modulator to control a Z-source CS inverter with complications such as commutation difficulties and "many-to-many" state assignments readily resolved. The developed system can be implemented using a digital signal processor with an embedded VS pulse-width modulator and an external programmable logic device, hence offering a competitive solution for medium power single and three-phase buck-boost power conversion. Theory, simulation, and experimental results are presented in the paper. Traditionnellement, des inverseurs courants de source (CS) ont été adoptés pour l'usage dans des applications moyennes et élevées d'industrie énergétique. Ces inverseurs, cependant, soutiennent seulement la conversion courante de courant alternatif de C.C de mâle et ont besoin d'un modulateur relativement complexe, par rapport aux inverseurs conventionnels de source de tension (CONTRE). Pour adresser ces limitations, cet article présente une intégration du concept de conversion de puissance de Z-source de poussée de mâle à la topologie d'inverseur de CS pour développer les inverseurs simple- et triphasés de CS de Z-source. Pour leur commande efficace, le papier commence par évaluer différentes formulations à fil porteur de référence pour identifier différentes possibilités de placement d'état d'inverseur. Le papier procède alors concevoir « référence des tâches à commutateur » ou des équations appropriées de logique pour tracer dehors les signaux de déclenchement de CS correct, permettant à un modulateur à fil porteur simple de commander un inverseur de CS de Z-source avec des complications telles que des difficultés de commutation et des tâches « multiples » d'état aisément résolues. Le système développé peut être mis en application en utilisant un processeur de signal numérique avec incorporé CONTRE le modulateur de largeur d'impulsion et un dispositif de logique programmable externe, par conséquent offrant une solution concurrentielle pour la conversion simple et triphasée moyenne de puissance de mâle de poussée de puissance. La théorie, la simulation, et les résultats expérimentaux sont présentés dans le papier. DEWEY : 621 ISSN : 0885-8993 RAMEAU : Modulation d'impulsions en durée En ligne : pcloh@ieee.org, emahinda@ntu.edu.sg, chan0178@ntu.edu.sg