TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 1, Janua ry 201 5, pp. 57 ~ 6 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i1.701 7          57      Re cei v ed Au gust 2, 201 4; Re vised Sept em ber  18, 20 14; Accepted  Octob e r 16, 2 014   Modelling and Simulation of Tidal Current Turbine with  Permanent Magnet Synchronous Generator       Mar w a M.Elzalabani 1 *, Fa ten H.F a hmy 1 , Abd El-Shaf y  A. Nafeh 1 , Gaber Allam 2   1 Electronics R e search Institute  (ERI), Giza, Eg ypt   2 F a cult y  of Ele c tronic Eng i ne erin g, Meno ufiaUniv ersit y , Eg ypt   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : mar w a e lz al a ban i@er i.sci.e     A b st r a ct  This p aper  ex plai n th e cre a t i on  of a  Matla b -Si m ul ink  mo del f o r a  tida current tur b in e  syste m   throug h the   mode lin g of th source, th e rot o r, driv e  train   and t he  gen er ator. T he a i of the si mulati on   mo de l is to  ill ustrate h o w  the tida l curr ent  ener gy  syste m  w o rks a nd  how  to make  use of it  in  po w e r   gen eratio n. Ha rnessi ng tida l c u rrents pow er  don e throu gh  various types of water cu rrent turbi nes. Ow ing to  its adva n tag e s  in pr oduc in g p o w e r from ti dal  currents, Op e n Hydr o tida l cu rrent turbi ne w i ll b e  use d  i n  th is   w o rk. W i th its  Perman ent  ma gnet sync h ron ous g ener ator  (PMSG) that is suita b le for  low  tidal c u rre nt   spee ds  and  n o  ne ed  for g ear box. T h e  rotati ona moti on  of  the turb in e rot o r is  transferre d to th el ectric a l   gen erator by means of  a mec han ical  tra n s m i ssion  syst e m  c a lle d dr ive trai n. MATLAB/SIMULINK i n terfac e   has be en ex a m i n e d  and th e max i mu m el ectrical p o w e r extraction w i thin the a llow a ble ra nge of ti da l   currents ca n b e  ach i eve d   if the co ntroll er c an pr oper ly foll ow  t he opti m u m  curv e w i th any w a ter curr en t   spee d cha nge.     Ke y w ords :  Re new abl e en erg y , T i dal current s, T i dal ener gy  conversi on, Open Hydro turb i ne, PMSG.       Copy right  ©  2015 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   Ren e wable  e nergi es, th at are  natu r all y  r eple n ish e d , are th at g enerated fro m  natural  resou r ces  su ch as  wi nd, sunlight,  tide, hydro, bi oma s s , ge othe rmal   and  o c e an. Ene r gy  crisis,  climate cha n ges su ch as atmosp he re  t e mpe r ature  ri se d ue to the  increa se of g r eenh ou se ga se emission, hi g h  oil pri c e s , limitation and  depletio of fossil fuels  re serve s  in crea sed d e ma nd  in   these g r e en  energie s  [1]. Away from conventio n a l h y dro and tid a l  barrage  systems drawba cks   (intermittent source of  en ergy,  hi gh i n itial co sts, li mited  location s a n d  ba d effe ct o n  ma rine  lives)  tidal cu rrent  turbine s   can ge nerate  power fr om free flowing water  with almos t   zero   environ menta l  effects.  The ene rgy is stored in o c ea ns in several form s as chemi c al an d biologi cal p r odu cts,   thermal  ene rgy and  kineti c  en ergy  (wa v es an d cu rrents). T he m a in adva n tag e  of tidal en e r g y   over othe r re newable e nergy technol ogi es  is its  pre d i c tability away  from e e c ts  due to ch angi ng  in weath e r pa tterns [2].Tida l  current s are  the flow of wa ter as a tide e bbs a nd flood s, De spite the   fact that o c e a n  current s m o ve sl owly  rel a tive to typical wi nd  sp ee ds,  wate r i s  8 00 time den ser  than air. Th erefore, for the  same  su rfa c e   area, water moving  12 kn ots exert the  same  amou nt of   force a s  a co nstant 11 0 kn ots win d . Because of th is p h ysical pro p e r ty, tidal currents contain  an   enormou s  am ount of energ y  that can be captu r ed a nd  conve r ted to a usa b le form  [3].  This pa pe r prese n ts the m a thematical mode llin g an d simulatio n  for tidal cu rren t energy  system i.e. tidal curre n t spe ed profile, tid a curre n t turbine, drive tra i n and the ge nerato r Applying these model s in Matlab/Simuli nk an d output  result s are a nalyze d     2. Location  of cas e stu d The Sue z  g u l f, Egypt, is cho s e n  to be  the site  und er  con s ide r at ion, the lo cat i on ha 28°4 5  N o r t h 3 3 ° 00  Eas t .  Tidal current s peed ranges   between  0.5 m/s  and  1.2 m/s  [4].this   locatio n   wa s ch osen  as i t  have the  hi ghe st tidal   cu r r e n t   s p ee d in  eg yp t w i th  su ita b l e wa te r   depth.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  57 – 6 4   58   3. Tidal Curr ents Po w e Sy stem  Tidal cu rrent device s  seek to  extract energy from the  kinetic move ment of wate r much   as  wind tu rbi nes  extra c t e nergy from m o vement  of a i r; these tidal  cu rre nts  are  often enla r g e d   whe r e water i s  forced to flo w  throu gh na rrow  cha nnel s or aro und b e a ch es.   The followi ng  figure sh ows the general sc hem e of tidal current s po wer  system.           Figure 1. Tidal curre n t ene rgy system       The mai n  co mpone nts of  this sy stem a r e the tid a l currents, tidal  curre n ts tu rbi ne (i.e.   Open Hydro),  the me chani cal drive train  and the  ge n e r ator. T u rbi n e  conve r ts th e  kineti c  en ergy  of the tidal curre n ts into  mech ani cal  energy  rep r esented i n   form of me chani cal torqu e   that cont rol s  the d r ive t r ain  with the  gene rato r a ngula r  spee d    pro d u c ing  electri c al   torque   that drive the generator and roto r angular spe ed    controlling the tip  speed ratio o f   the turbine.        4. Mathema t i cal Modelling   4.1. Tidal Current Spe e Profile   As tidal curre n ts are a pe ri odic ho ri zont al flow of water accom pan ying the rise  and fall of  the tide they can b e  model ed as a  strea m  of  harmoni cs a c co rding  the followin g  equatio n.     .s i n 2 t          ( 1 )     Whe r e,   is the amplitude,    is the perio d and     is the pha se for i-th harmo ni con s tituent s.  Each  con s tituent is d e fined  by its  an gula r  fre q ue ncy  in sola r h ours. The  pha se   of  each compo n ent ha s to be  spe c ified [5]. A simulin m odel for five h a rmo n ic  co nstituents bel o w in  figure 2 give s the tidal turbine sp eed p r of ile as in figure 3.                                    Figure 2. Wat e r sp eed p r ofi l e impleme n tation in Simul i nk    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modellin g an d Sim u lation of Tidal Cu rre nt Turbin e wit h  Perm anent … (Ma r wa M. Elzalab ani)  59                               Figure 3. Tidal curre n t spe ed profile fo r 30 days.       It is clear fro m  figure 3 th at durin g one  lunar m onth  there a r e two  spri ng tide s (at times  of new and full moon) a n d  two neap tides (at times of  first and last qua rter of  the moon). This  spe ed profile repe ats for all  year month s   4.2. Tidal Current Tu rbin e   Gene rating  el ectri c ity from flowing  wate r can b e  don e  either by bui lding a tidal b a rrage  across a bay  in high tide areas (tid al pot ential ene rgy), or by extracting ene rgy from free flowi ng  water (tidal ki netic  e nergy).    The amo u n t of power t hat a tidal  cu rre nt  turbin e can extract  from  flowing  wate r depe nd s on   the turbi ne d e sig n . Fa ctors such a s   rot o r di amete r  a n d tidal  cu rre nt  spe ed affect this amo unt of powe r . Powe r ava ilable in  tidal curre n ts  is given by [3]:       0 .5                                                                        (1)    Whe r e,   is th e se awater d ensity =102 5,     is the  rotor blade  are a  a n d   is  the water  curre n t spe e d .  Actual powe r  can b e  ha rn essed a s  follo ws by           0 . 5 ,             ( 2 )            Whe r e,  is the  power  coeffi cient that i s   a  function i n  tip sp eed  ratio  TSR (   and tu rbine  blad pitch an gle (  ) and it is th e perce ntage  of powe r  th at  the turbine  can extra c t from the  wate flowing throu gh the turbin e .  Tip speed  ra tio can be giv e n by the followin g  equati on:        ω                           ( 3 )     Whe r e,  R  are the roto r blad e radi us a nd  ω  is the roto r a ngula r  speed.  The po we r coefficient    can b e  determined from th e followin g  eq uation     ,  1   3 4 /  6                       (5)     . .            ( 6 )     Whe r e,    is the next value of   can’t e x cess 0.59 3 that mean s that the powe extracted  fro m  the water i s  al ways less than 5 9 .3%  (Betz ' s  limit) [6] that is re flect to vario u aero d ynami c  losse s  dep e nd on the  rot o r con s tru c ti on (n umbe and  shap e of  blade s, wei g ht,  st if f nes s,  et c. ).    In this wo rk,  Open Hydro turbin e, havin g spe c ificatio ns in tabl e 1  and po we curve i n   figure 4,   is u s ed as  it possesse s  many gain s  ma ke it preferable th an other tidal  curre n t turbin es.  Such simple construction with  only  one  moving  secti on, scalability  (10  m diam eter generate 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  57 – 6 4   60 MW  rated  po wer)  and  It is  a self-contain ed roto r with   a solid-state  perm ane nt m agnet  gen era t or  encap sulate d  within the ou ter rim me ani ng ther e are no se als  and  no gea rb ox neede d. No  se als  mean s there i s  no mi nimu m or maximu m depth. Thi s   con c ept p e rmits in fact th e minimizatio n  of  maintena nce requi rem ents.  The main ad vantage di stingui sh Op en Hydro tu rbin e  is its ability to  operate in bid i rectio nal tidal  flow and saving mari ne life  [7].        Table 1. Ope n Hydro sp ecif ication s .     Whe n  the  tidal cu rre nt speed e xceed s the 2.57 m/s spe ed ra ng e  the extracted power will  be  limited to 1.5 MW by po wer control  strate gy.                                           Figure 4.Ope n Hydro po we r cu rves  with tidal curre n t speed.         The ge nerato r  is rated el e c tri c ally to 1.520 M W  a s  a  maximum va lue and  at an y other   highe r wate spe e d s ; the output is limited to this value as sho w n in  the bottom curve.   For c1 =0.5 17 6, c2=11 6 , c3=0.4, c4 =5, c5 =21, c6 =0. 0068 in equa t ion (5), chan ging    sho w s t hat     has its maximum value at one particul a r value of   for spe c ific b l ade pitch.  Hen c e,  by   being  able  to   maintain   th e    at   this optimum value,   the   maximum value  of    can  be mai n tained  de pen dably ,  and  there b y extrac t the  maximum powe r  fro m   the  turbine.  Figure 5  sh o w s th at the m a ximum valu e of   ( max 0. 48) i s  a c hi eved for  β  =0  de g r ee  and for  =6.5. This parti cul a r value of     defined a s  the nominal val ue (  nom). For max i mum   power point  tracking of  water curre n ts  p o we r with  cu rrents variatio n, it is ne ce ssary to adj ust t h e   rotor  spe ed with the optimum value of    (  nom).  Equation (1 )-(5)  d e scri bi ng tidal cu rrent  turbine im ple m ented in Ma tlab/ Simulink as given in F i gure 6.     4.3. Driv e Tr ain   Drive train i s  the co nne ct or  that delive r s the tu rbi n e roto r me ch anical motion  to the   generator. It generally  c onsi s ts of  low-speed  shaft, connected to th e turbi ne hub, speed   multiplier  and high-speed  shaft, motivating the el ectr ical generator. Direct  driv e transmi ssi on  (i.e. the ge n e rato r an d th e roto r a r couple d  on th e sa me  shaft  without g e a r box and  sp e e d   multiplier) is  use d  in ca se  of multi pole synchro nou gene rato r.        1.5 MW at v=2.57 m/s    RATED P O WER   15m  ROT O R DIAMET ER  11 kV AC,50- 60  HZ-3 φ   OUTP UT P O WE 0.7m/s  CUT IN SPEED  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modellin g an d Sim u lation of Tidal Cu rre nt Turbin e wit h  Perm anent … (Ma r wa M. Elzalab ani)  61                                 Figure 5. Power  coeffici en t relation with  tip speed ratio with  β  =0.                               Figure 6. SIMULINK mo del  of tidal curre n t turbine       Modellin g is done u nde r the assum p tion that the mech ani c al  transmissio n ha s a  con s tant effi ciency fo r the  entire  spee d ra nge; the   effect of th e const r u c tio n  features (e .g.,  vibration s , ge ar type,  gea rea c tion, et c.) on it s p e rfo r mance i s   co n s ide r ed  very  small  and  will  be   negle c ted.    The d r ive trai n ca n be mo deled a s  follo ws  whit ch co nsid er the  sy stem a s  a n u m ber  of  disc rete mass es               ( 7 )       .  ,           ( 8 )     Whe r e,   is the summatio n   of rotor a nd  gene rato r ine r tia,   is the turbine me ch ani cal torque,   is the generat or elect r oma g netic torqu e  ,    is  the vis c o us fric tion c oeffic i ent or damping ratio,    is the gene ra tor angul ar speed an  is the roto r angu lar sp eed. Ma thematical m odel of the   drive train e  is represented i n  Matlab/ Simulink a s  indi cated in Figu re  7.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  57 – 6 4   62   Figure 7. SIMULINK d r ive train an d sh aft model       4.4. Permanent Mag n et  Sy nchronou s Gener a tor  (PMSG)  As the  outpu t is 3 - ϕ  A c   system, Cla r ke/Park tran sf ormatio n  is u s ed fo r t w reason s:  many of elect r ic ma chi n e s  prop ertie s  ca n applie d wit hout co mplex i ties in voltag e equatio ns a n d   to avoid any confli ct as rot o r acco rdi ng to stator a ngle  can't be  kno w n [8].   PMSG has several adva n t ages ove r  other types of  gene rato rs,  whi c h u s ed i n  water  and  win d  e n e r gy  system s t hese a d v anta ges such a s  i t s si mple  stru cture,  ability  of ope ration   at  slo w  speed,  self-ex c itation  cap ability leading to hi gh  power fa ctor and hig h  efficien cy op erat ion.   With low  sp e ed of PMSG operation, the r e is n o  ne ed  for a gea rbo x  that often suffers from fa ults  and requi re s regul ar mai n tenan ce m a king the  syst em  unreliabl e, so in this  work PMSG  wa prefe rre d ove r  other ty pe s of generators [9].  The math em atical mo del  of the PMSG  acco rding to  the syn c h r o nou s d-q referen c e   frame is give n by [10]:                 ( 9 )                  ( 1 0 )               ( 1 1 )               ( 1 2 )              ( 1 3 )     Whe r e,  ,   are the dire ct and quad ratu re st ator voltages,  respe c tively,  ,  are  the  dire ct and  q uadrature st ator  ind u cta n c e s , re spe c ti vely,   are th e dire ct an d  quad ratu re  st at or cu rr e n t s ,   re sp ect i v e ly ,  ,   are  the direct  and q u a d ratu re  stator fluxe s r e spec tively,    is the perman ent ma gnet flux,  ,   are the ele c tri c al(roto r ) and   gene rato r(sta t or) an gula r  velocity,  resp ectively and   is the numb er  of poles[1 0 ].  The ele c trom agneti c  torqu e  can b e  expressed in the  same frame a s  follows:                                                                                                              (14)    PMSG Equation (9 )-(14 )  executio n on  M a tlab/Simulin k sh own in Figure 8.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modellin g an d Sim u lation of Tidal Cu rre nt Turbin e wit h  Perm anent … (Ma r wa M. Elzalab ani)  63   Figure 8. Matlab/Simulin k model for PM SG.      5 . S imulation Resul t s   Output stator voltage,  cu rre n t, powe r   and  angul ar  rate d speed  in tra n sie n t state  a t  1 m/s  tidal curre n t speed a nd fixed zero pitch a ngle is  clea re d as sho w n in  Figure 9.                                                          Figure 9. Tra n sie n t state load voltage,  curre n t, pow e r  and rotor an gular  spe e d a t  tidal current  spe ed v=1 m/ s.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  57 – 6 4   64 It is cle a r th at the outp u t rea c h e s ste ady state  wit h in a ve ry short time  ap proximately 0 . 075   se con d   resu lting po wer =84.55  kW  wh ich i s   ap proximately equal  to that from  equatio n 1 a n d   according to t u rbin e pa ram e ter an d po wer curve  verif y ing the validity of the generated Sim u li nk  model. Voltag e and current  also ha s the  same frequ en cy, which is 5 0 Hz.  Figure 9 shows that the  active power  stabilit y at steady state va lue is del ayed compared  to the  spe ed  sign al, due  to  the MPPT  ch ara c teri stics.  The MPPT i s   desi gne d in  such  a  way th at  th e  a c tive  p o w e r   p r od uc tion  is  r e ma ined  c o ns t ant at  its rated val ue even in  small ran ge b e low  rated ge nerat or sp eed in  orde r to avoid unwanted  power fluctu a t ions with tid a l curre n t sp eed   cha nge.       6. Conclusio n   The ba si c the o ry of me cha n ical  po wer  e x tracti on from  tidal cu rrents is de scrib ed  briefly.  A detailed electri c al mod e l  for tidal current sp eed p r ofile, turbine ,  drive train and PMSG h a been  introdu ced.  The  mo del h a s be en  implem ented  in M a tlab/ Si mulink in  ord e r to  validate  it.  Curre n t spe e d  profile a n d  maximum p o we r curve s  are p r e s ent ed.po wer  co efficient and  tip   spe ed ratio curve indicate d that increa se in   value with the icrea s in   value until  rea c hin g  its   maximum value, further increa se in    over its no minal value decrea s e s . F r om power  cha r a c teri stics of tidal cu rre nt turbin e  it c an be  con c lu ded th at tidal current turbin es are  monotoni sy stem in  which  for  each  tidal  cu rrent  spe e d  there i s  o n e  optimal  roto r sp eed  that  will  yield maxim u m po we r.  Gene rato r m odel h a s be en mo delle d  in d - synchron ou s rota ting   referen c e fra m e due to it advantag es  cleare d . Finall y , voltage, cu rre nt, power  and rotor a n g u lar  spe ed in tran sient state al so pre s ente d  tidal  cu rrent sp eed =1 m/s a nd ze ro pitch angle.       Referen ces   [1]  Kai-W e rn  Ng,  W e i-Haur  L a m  an d K hai- C hi ng  Ng."  20 02– 201 2: 1 0  Ye ar s of R e se arch  Progr ess i n   Horizontal-A xis  Marine Current  T u rbines " En ergi es , 201 3. vol.6, p.p.14 97- 152 6.    [2]  S y e d  Sh ah K h alid, Z h ang  Li a ng a nd N a zi Shah."  Harn es sing T i dal E ner g y   Usin g Verti c al A x is T i dal   T u rbine".  Rese arch Jour nal  of Appli ed Sci e n c es, Engin eer i ng an d T e chn o l ogy .2 01 2, Vol. 5, p.p. 239- 252.   [3]  Abdu l Motin  H o w l a der, N a o m itsu Urasak i, Kous uk e Uch i da, Atsushi Y o na, T o monob u  Senj yu, C h u l - H w an K i m ,A. Y. Saber. “Par ameter Ide n tifi cation  of W i nd  T u rbine for Ma xim u m Po w e r- poi nt T r acking  Contro l .  El ectric Pow e r Co mp one nts and Sy stems .2 010, V o l. 38, No.5, p. p. 603-6 14.   [4]  T adros Ibrahi m Ria d Gh obri a l. Stud of c u rrent   and   w a t e r lev e l  vari ati ons  alo n g  the  red s ea. M.S c   thesis, F a culty of Engin eer ing,  Cairo u n ivers i ty  .June, 200 7.  [5]  Ben Elg hal i, S.E.; Benbouzi d , M.E.H.; Charpent ie r, J.F .  "Comparis on of PMSG and DF IG  for   Marin e   Current T u rbin e Applic atio ns ".   In Proceed ings of the XIX  Internation a l  Conferenc e o n   Electrical  Machi nes , Ro ma, Ital y , 6–8  Septemb e r 20 10; pp. 1– 6.  [6]  Bjarni  M Jó nss on. "H arness i n g  tida l e ner g y  i n  the W e stfjor ds".  M.sc thesis, Faculty of B u siness and  Scienc e,   Un ive r sity of Akureyri  .Ma y  2 010.   [7]  Http:// w w w . o p e n h y dr o.com/ho me.html (last a ccessed D e ce mber 20 14) .   [8]  Z h i w ei H e , Guang ya n Z h o u , Ming yu Ga o. “An Improved V a ria b le-F re que nc y  Dr ive bas e d  on Curre nt   T r acking".  TEL K OMNIKA , November 2 0 1 3 , Vol.11, No.1 1, pp. 663 1-6 636.   [9]  Z i bhi n Z H OU,  F r anck SCUI L L ER, Je an-F r e deric  Ch arpe nt ier, Mo hame d   Benb ouzi d , T i anha o T ang.”   Po w e Contro of a No npitc ha ble PMSG-Bas ed Mar i ne  Cur r ent T u rbine  at Overrated C u r r ent Spe e d   w i t h  F l u x -W ea keni ng Strateg y ”.  IEEE journal of oceanic engineering , 20 1 4 , pp.1-10.   [10]  Ben E l g hal i, S.E.; Benb ouzi d , M. E.H.; Charp entier, J.F .  Ge nerator   s y stem s for mar i ne current turbine  app licati ons: A compar ative stud y.  IEEE J. Ocean. Eng . 2 0 1 2 , vol. 37, p.p. 554 –5 63.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.