Performance Evaluation of PSO Variants for Selective Harmonic Elimination in Multi-Level Inverters

Abstract

In this study, the performance of different Particle Swarm Optimization (PSO) variants in solving the Selective Harmonic Elimination (SHE) equations of a Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter (CHB-MLI) was compared. The SHE method consists of nonlinear transcendental equations, which are particularly difficult to solve analytically in high-level systems. The aim of the study is to examine the overall improvements provided by the PSO variants and to specifically evaluate their effectiveness in solving such complex engineering problems. In addition to the standard PSO, several improved versions from the literature have been considered. For each variant, the optimal switching angles that solve the SHE equations were determined and applied to a CHB-MLI model in the MATLAB/Simulink environment. The convergence behaviors of the algorithms, the total harmonic distortions (THD) and the amplitudes of the fundamental components of the output voltages were analyzed statistically. As a result of these analyses, the strengths and weaknesses of the PSO variants in the optimization processes were revealed. Based on the findings, a hybrid model was also proposed, which integrates the strong features of the successful variants. It was observed that the proposed hybrid model stands out from the other variants by exhibiting a stable and competitive performance even in the worst-case scenarios. These findings indicate that effectively developed PSO variants can be a powerful alternative for solving real-world optimization problems

Bu çalışmada, farklı Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) varyantlarının Kaskat Bağlı H-Köprü Çok Seviyeli Eviricinin (CHB-MLI) Seçici Harmonik Eliminasyon (SHE) denklemlerini çözmedeki performansları karşılaştırılmıştır SHE yöntemi, özellikle yüksek seviyeli sistemlerde analitik olarak çözülmesi oldukça zor olan doğrusal olmayan transandantal denklemlerden oluşmaktadır. Çalışmanın amacı, PSO varyantlarının genel olarak sağladığı iyileştirmeleri incelemek ve özellikle bu tür karmaşık mühendislik problemlerindeki etkinliklerini değerlendirmektir. Standart PSO'nun yanı sıra, literatürdeki geliştirilmiş bazı PSO versiyonları ele alınmıştır. Her varyant için SHE denklemlerini çözen optimal anahtarlama açıları belirlenerek MATLAB/Simulink ortamında bir CHB-MLI modeline uygulanmıştır. Algoritmaların yakınsama davranışları, çıkış gerilimlerinin toplam harmonik distorsiyonları ve temel bileşen genlikleri istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Bu analizler sonucunda, PSO varyantlarının optimizasyon süreçlerindeki güçlü ve zayıf yönleri ortaya konmuştur. Ayrıca elde edilen bulgular doğrultusunda, başarılı varyantların seçilen güçlü özelliklerinin entegre edildiği hibrit bir model de önerilmiştir. Özellikle önerilen hibrit modelin, en kötü senaryolarda dahi istikrarlı ve rekabetçi bir performans sergileyerek diğer varyantlardan ayrıştığı gözlemlenmiştir. Bu bulgular, etkin şekilde geliştirilen PSO varyantlarının gerçek dünya optimizasyon problemlerinin çözümünde güçlü bir alternatif olabileceğini göstermektedir.