Indonesi an  Journa l  of El ec t ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   23 ,  No.   1 ,   Ju ly   2021 , p p.  90 ~ 97   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v 23 .i 1 . pp 90 - 97          90       Journ al h om e page :  http: // ij eecs.i aesc or e.c om   Dynami c r esponse  enhanc ement of  BDFIG  usin g vector c ont ro l   schem e based in ter n al m odel c ontrol       Ah s an ull ah  M emon 1 ,  M ohd  Waz ir  M us taf a 2 ,   S hadi  Kh an Bal och 3 ,   A ttaullah  Khidr ani 4 ,    Touqeer  Ahm ed 5   1 , 4, 5 Depa rtment   of  Elec tr ical Eng ine er ing, Mehran Unive rsit y   of Engineering and   Technol og y   S Z AB Ca m pus Khai rpur  Mirs ,   Pakista n   1, 2 School  of El ectrical   Engi n ee rin g,   Univer si ti T ek nologi   M a lay sia   (UTM),  Johor B ahr u,   M al a y si a   3 Depa rtment of  Mec hat ron ic s  En gine er ing, Mehr an  Univer si t y   of   Engi ne eri ng  and   Technol og y   J a m sh oro ,   Pakistan   4 Facul t y   of Elect ric a l  Eng ineeri n g,   Ba loc hist an  U nive rsit y   of Engi nee ri ng   and   Tec hnolog y ,   Khuzd ar ,   Pak ista n       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r 20 , 202 1   Re vised  Jun  8 ,   2021   Accepte d  J un  1 5 , 202 1       Double  fed   induc ti on  gene rat or   (DF IG)   has  sh own  tre m endous  succ ess  in  wind  turbi nes  due  to  it s  fle xibilit y   and  ability   to  reg ulate  the   ac t ive   an d   rea c ti ve   power.  How eve r,   th e  pr ese nce  of  brush es  and  slip   ring s  aff ects  it s   rel i abi l ity ,   stabil ity ,   and  power   qual ity .   Furth er m ore ,   it  does  n ot  provide  prom ising  outc o m es  in  ca se  of  f aul ts  ev en  in  pr e senc e  of  the   cro wbar  ci r cui t .   In  cont rast ,   the   brushless  doubl y   fed   induc t ion  gene ra tor   (BDF IG)  is  a  m ore   rel i abl e  op ti on  f or  wind  turbi ne s  tha n  it s  m ent i oned  count e rpa r t  due  to  the  abse nce   o f  the   b rushes  and  slip  r ings.  Thi s  rese ar ch  work  as  such  at t empts  to  improve  the   d y n amic  per form an ce   of  the   vector  cont rol  (VC)  ori ent ed  power  wi nding  (PW )  stat or   flux - ba sed  BDF IG  by   op ti m al l y   s e le c ti ng  the  proporti ona l - inte gra l  (PI)  gai ns   through  int e r nal   m odel   con trol   (IMC)  appr oac h .   The   proposed  cont ro l  sche m e  is  util iz ed   to  r egul a te  the   sp ee d ,   torque ,   and  r eact ive   power   of  th e  conside red   BDF IG  inde pend ent l y .   Contr a r y   to  th e  pre v ious  li t erature  wher e  th e  “ trial  and   err or  m e thod”   is  gene r a l l y   uti lized ,   th e  cur ren t  rese ar ch  work  uses  the   I MC  for  sele ctin g  the   m ost   suita ble   PI  par a m et ers,   thus  red uce s  the   comple xity ,   t ime  consu m pti on,   and  unce rt ai nt y   in  o pti m al   select ion .   The   conside r ed   BDF IG   base d  wind  turbi ne  with  the  proposed  cont ro l  sch e m e  provide s  a  b et t er  BDF IG  cont rol  desig n   with  an  enh ance d  d y n amic  resp onse  as  compar ed  to  th at   of  th e  sam e  with  DF IG unde r  identical  op erati ng  condi ti ons   and  s y stem  conf igur ations .   Ke yw or d s :   BDFIG   Dynam ic  r esponse  enh a ncem ent   IMC   Vecto r  c on tr ol  schem e   W i nd e nergy c onve rs io n  syst e m   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  B Y - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Ah sa null ah  Me m on   Dep a r tm ent o f El ect rical  En gi neer i ng   Un i ver sit i Te k no l og i M al ay sia  (UTM),  M al ay sia   Em a il :  m e m on .ah sa null ah@g raduate. utm . my       1.   INTROD U CTION   The  nee d  f or   el ect rical   ener gy  is  increasing   du e  to  the   rap idly   incre asi ng   popula ti on   a nd   us er s ’   powe r  dem and  for  a  go od   qual it y  of   li fe   [ 1].  This  c onti nuous  inc rease   in  powe r  de m and   create s  sever al   chall enges  for   the  el ect ric  powe r  com pan ie s  su c h  as  ov erl oa ding  of   the  existi ng  ge ner at in g  un it s ,   transm issi on   lin es,  tra ns f or m ers,   an d  fee ders  [2 ] .  Furthe r m or e,  the  env i ronm ental   and   econom ic  i mp act   of   su c h  powe r  syst e m s  m ade  them   ou tdate d  f or  el ect rici t y  gen erati on   [ 3].  It  is  fo r  the  m entione d  reas ons  that  the   tren d  of  rely in g  on  f os sil   fuel - base d  centr al iz ed  power   s yst e m s  is   decli nin g  w or ld wi de  an d  dece nt rali zed   gr ee n  ene rg y  so urces  s uch   a s  w ind,  so la r   and   sea  ti des  are  co ns ide red  as  po te ntial   cand i dates  for  powe r  gen e rati on [ 4] ,  [ 5].  Am ong  t he   sta te d  gr ee n  energy op ti ons ,  wi nd  e nergy has  s how n  quit e  prom isi ng   re su lt s  i n  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Dyna mic res pons e e nhance me nt o f  BDF I G u sing vec tor c on trol sch e me …  ( Ahsanull ah Me mon)   91   te rm s  of   reli ab il ity  and   e ff ic i ency  [ 6].  H ow ever,  it   has  bee n  obse rved  t h a t  the  increasi ng  po wer   i n  the   fiel d  of   wind  e nergy  w it hin   the   existi ng  po wer  syst e m   has  int rod uc ed  few  ne w  t asks  i n  te rm s  of  gri d  c odes  f or  the   adv a nce d  ge ne rati ng   unit s,  powe r  el ect roni c  interfacin g  de vic es,  a nd   c ontr ol  strat egies   [7 ] .   T he  BD F IG   has  exce ll ent  low  vo lt age  ride  th rou gh   ( L VRT )   handling  c harac te risti cs,  i m pro ved   dy nam i c  respon se ,  an d  m os t   i m po rtantl y,  it   do e s  not  con ta in  any  car bon  brus hes  an d  sli p  rin gs   [ 8].  It  is  worth wh il e  to  m ention  her e   that,   si m il ar  to  the  oth er  wi nd   far m   m achines,  the  sp ee d  an d  to rque  of  the  BD FIG  nee ds   to  be  regulat ed  acc ordi ng  to the desi re d o per at in g  c ondit ion  t hro ugh  a  c on t ro ll er  with   a p a rtic ular  c ontr ol sch em e.   Seve ral  co ntrol  strat egies  ha ve  bee n  dev el op e d  f or  co ntr olli ng   B DF I G   beh a vior.  T he   researc hers   hav e  at te m pted  to  c on t ro l  th e  BDFIG  th r ough  m od el   pre dicti ve  virt ual  powe r  co ntr ol  in  [ 9],  direct  powe r   con t ro ll er  ( DPC )  in  [10],  predict ive  tor que  con tr oller  by   m a trix  conv erter  in  [ 11 ] ,  and   in direct  s ta tor   qu a ntit ie s  con t ro l  in  [ 12 ] ,  howev e r,   t he  m e ntion e d  c ontro l  schem es  la gs   the  opti m a l  reg ulati on  of   s pe ed  a nd   reacti ve power  w it h  s uitable   dy nam ic  r esp onse. T o ov e rcom e the stat ed  issue,  the a utho rs hav e  u ti li zed  one  of   the  m os t  pr om i nen t  c on t ro l  sc hem es  cal le d  vector   c on t ro l  ( VC)  [ 13] ,  [ 14] .  It  is  i m po rtant   to  m e ntion   tha t  the   VC  is  generall y  util iz ed  to  co ntr ol  the  m achi ne  side  c onve rter  (MSC)  a nd  gr i d  side  c onve rter  ( GS C)  t hroug h  fu zzy   lo gic  ( F L)  co ntr oller  [ 15 ] ,  c ontrolle d  ham ilton ia n  s yst e m   [1 6],  ne ur al   wav el et   netw ork  [ 17] ,   and  Feed back   li nea rizat ion   [ 18] .  Ho we ver,  the  diff ic ult  com pu ta ti on s  restric t  the  us age  of   these  co ntr ollers  int o  industry.  O ne  of   t he  e ff ect iv e  so luti on s   of  t he  m ention  prob le m   is  to  use   co nv e ntio nal   PI   re gu la to r  i n  VC  as   done  i n refe rence s [19 ] ,  [ 20 ] .     Ow i ng   to  ti m e   con strai nts  an d  com ple xity   i n  co nv e ntio nal  PI   tun in g  ap proac hes  suc h  a s  “t rial   and   error ”  a nd   Zie glar - Nich ols,  t his  resea rch   util iz es  the  intern al   m od el   con t r ol  ap proac h  to  op ti m al l y  tun e  the  PI  regulat ors;  thus  achieves  the  op ti m al   dyna m ic   respon se  of   the  pro po s ed  B DF I G.   T he  I M C  is  an  analy tical   PI  par am et er  sel ect ion   m et ho d  t hat  co ns ide rs  t he  syst em   par am et ers  fo r  c om pen sat ing   it s  op e n  lo op  pol es  with  the  zer os   of  t he  P I  co ntr oller,  th us   delive rs  the  desire d  cl os ed - lo op   ba ndwidt h  an d  tim e  con sta nt.   Most  i m po rtantl y,  it   si m plif ie s  the  con t ro l  desig n  proce dure  a nd   el i m inate s  the  need  f or   ti m e - consum ing   tria l - an d - error  ste p.  T o  pro ve  t he  e ffec ti ven ess   of  t he  pro po s ed   m et ho d,  it s  dynam ic   resp ons e  is  ex am ined  unde r   diff e re nt  ope r at ing   m echan i sm   as  su ch  var ia ble  wi nd  sp ee d  a nd  r eact i ve  po wer  cha ng e .  T he   m ajo r   con t rib ution s  of this  stu dy are  h ig hlig hted   is  bein g  as:   a)   IMC  appr oach   for  obta inin g  optim al   PI   gains   in  VC  schem e  based   B DFIG  is  com pr ehensi vely   m od el ed   and ex plore d  i n order  to o btain the  opti m al  d ynam ic  r esp onse of the  m achine.   b)   A  detai le d  ve r sion   of  the  des ign e d  c on t ro l  s chem e  is  m ade   de pends  on  se ver al   perf or m a nce  in dicat or s   su c h  as s pee d r egu la ti on a nd re act ive powe r c on t ro l  unde r d iffer e nt c onditi on s .   The  re st  of   t he   pap e r  is  str uctur e d  as  fo ll ow s;  Sect ion   2  de scribes  t he  ope rati on   a nd  m od el ing   of  th e   m achine.  T he  conve rter  al ong  with  t he  pro po s ed   IMC  P I  gain  sel ect ion   appr oach  is  discuss e d  i n  Sec ti on  3.   Sect ion  4  de sc ribes   the  pro pose d  VC  sc he m e.  The   res ults  are   prese nted  i n  Sect io n  5.  Fin al ly ,  Sect ion  6   pr ese nts t he  c oncl us i on of the  p a per .       2.   BDFIG  OPE RA TI ON A N D MO DELL ING   Ther e   are  t hr e e  m od es  of  op erati on   f or   t he   BDFI M   m achine  i.e.,   casca de d  Mo de,  in duct ion   Mo de ,   and  sync hro nous   m od e.  M ost ly ,  the  synch r onous  op e rati on  of   B DF IM  i s  co ns ide red  f or   t he  wind  tu rb i ne   wh ic h  is  obta ined  by  co upli ng  the  sta to r  wi nd i ngs  w hile  P W  is  co nnect ed  with  t he  gri d,  an d  C W   is  li nk e d  t o  the  m achine  w it h  the  hel p  of   a  powe r  el ect r on ic   c onve rter.   The  act ive  a nd  reacti ve   po w er  of  the   m achine  is  con t ro ll ed   by   regula ti ng  C W  volt age  a nd  f reque ncy.  Si nc e  the  m achine   has  tw o  sta to r  windin gs   na m ely   powe r  windin g  and   c on tr ol  w ind in g,   t he  nu m ber   of   pole s  for  both  winding s  m us t  be  di ff e ren t  to  a vo i d  direct   m agn et ic   coup li ng   [21].  The   cro ss - co upli ng  for  P W   a nd  CW   al lows   t he  co ntro l  of  P W   cu rr e nt  w it h  CW  su pply .  T he  re la ti on   betwe en   the  num ber   of  r oto r s  tur ns   ( ),   the  num ber   of   po le s  for  powe r  wi nd i ng  ( )   and co ntr ol  wind i ng  ( )   is  giv e n  in  (1) an d  i nduce d r oto r  fre qu e ncies is  give n  in  (2) :       = + ;              ≠   ( 1)     = 1 + 2 +     (2 )     W he r e   ω r   r e pr e s e nt s   t he   r ot or   na t ur a l   f r e qu e n c y ,   ω 1   a nd   ω 2   a r e   th e   na t ur a l   po w e   w i nd i ng   f r e q ue nc i e s   a n d   c on t r ol   w i nd i n g,   r e s pe c t i ve l y .  T o  de s i gn   a n  a pp r op r i a t e   c ont r ol l e r   f or   t he   c on s i de r e d  g r i d - ti e d  B D F I G   a nd   t o  e va l ua t e   a nd   e nh a nc e   t he   m ac hi ne ’ s   dy na m i c   pe r f or m a nc e ,   i t s   m a t he m a ti c a l   m od e l   i s   e s s e nt i a ll y   r e qui r e d.   S i nc e   t he   pr o p os e d  c o nt r ol l e r   i s   a l i gn e d  t o  t he   P W f l u x  f r a m e   [22] ,   he nc e ;   i n  ( 3)   c a n  be   w r i t te n  a s :      = | |   a nd    = 0   (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4 752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   2021 :  9 0   -   9 7   92   wh e re     a nd     de no te   the   d  an d  q  c om po ne nts  of  po wer  wi nding  flu x  res pec ti vely .  The   vol ta ge  a nd  fl ux   equ at io ns f or the  powe r win di ng  a re  represe nted  a s   [ 23] .      =  − ω 1  +       (4)      =  +     (5)     Wh e re      re pr es ents  t he  d   a nd  q   c om po ne nt   of  powe r   wi nd i ng  vo lt a ge  and     denote  t he  d   a nd  q   com po ne nt  of  powe r  windi ng   cu rr e nts.   ,    ,   ,     re pr e sents   the   is  powe r  wind ing  resist a nce,   powe r  windin g  in du ct ance,  m utu al   inducta nce  bet ween   t he  r otor   and   powe r  wi nd i ng,  d   c om po ne nt  of  r otor  current,   and  d   com pone nt  of  r ot or   c urr ent  res pecti vel y.   Sim il arly ,  the  m a the m at ic al  represe ntati on  for  th e  C W  vo lt age   and fl ux can  b e  r e pr ese nted  as ;      = − ( ω 1 − )  +       ( 6 )      =  +     ( 7 )     wh e re     re pr e sents  t he  d  a nd  q  c om po ne nt   of  c on tr ol  w ind in g  volt age ,     sym bo li ze  the  d  a nd  q   com po ne nt  of  con t ro l  windin g  c urren ts ,    is  con t ro l  windin g  resist ance,      sh ows  d   an d  q   com po ne nt   of   con t ro l  windin g  fl ux  res pect ively ,    is  the   co ntr ol  wi nd i ng  in du ct a nce,      is  the  m utua l  inducta nce   betwee n  r otor  and   c on t ro l  wi nd i ng.  Finall y,   the  RW   vo lt a ge  an d  flu x  ca n  be  prese nted   m at he m atical l y  as   pro vid e d  in  (1 0 ) - ( 1 3 )      =  − ( ω 1 − )  +       ( 8 )      =   +   +    ( 9 )      =   +   +    ( 10 )     wh e re      re pr es ents  the   d   a nd  q   c om po ne nt  of  ro t or  wi nd i ng   volt age,     is  r otor  windin g  r esi sta nce,     represe nts  the  d   a nd  q   com po ne nt  of  r otor   windin g  flu x  resp ect ively   w hile    de note s  t he  ro t or   windi ng  inducta nce .  Si m il arly ,  the  ge ner at e d  m achine  t orqu e     is  gi ven  as  fo ll owi ng    re pr ese nts  the  m agn et iz ing  inducta nce :     =   − 3 2 [ ∗ ] − 3 2 [ ∗ ]   ( 11 )       3.   PROP OSE D  I MC BASE D VC S CHEME   A  vecto r  c on t r oller  al li gn e d  on  the   P W  ref e r ence  fr am e  is  pro posed   to  c ha ng e   the  sp ee d  an d  reacti ve   powe r  in dep e ndently   [ 24 ] .  T he  reacti ve  po wer   a nd  sp e ed   are  cal culat ed   analy ti cal ly   u sing   t he  m at he m at ic al   m od el   of   BDF IM  wh il e  the  PI   co ntr oller  ga ins  are  de rive d  thr ough  the  IMC  m et ho d.   In   the  vecto r  c on t rol   schem e,  the  dq   com po ne nts  of  P W  a nd   C W   curre nts  are  r egu la te d  to  obta in  the  desire d  reacti ve  powe r  an d  sp ee d  of   th e  m achine.  T he  co ntr olled  sig nal  ob ta ine d  afte r  conve rsion  fro m   DQ   to  ABC   is  fed   to  the  P WM   blo c k  w hich  a ccordin gly  switc hes  the  inv e r te r  to  inj ect   th e  con tr olled  a m ou nt  of   po w er   into  the  gri d.   It  is   i m po rtant  t o  note   that  the  c urre nt  stu dy  uti li zes  on ly   MS C  to  cha nge  t he  s peed  an d  r eact ive  powe r  of   t he  m achine .     3.1.    A na l yt ic al  IMC m od el   f or MSI   In   this  s ub se ct ion ,  IMC  m et ho d  for  sel ect ing   the  PI   regula tor  gai ns   in  th e  propose d  ve ct or   co ntr ol   schem e  is  discuss e d  in  detai l.   The  blo c k  dia gr am   of   pro posed  IMC  base d  BDFIG  c ontr ol   schem e  is  dep ic te d  in  Fig ur e  1.   A s  from   Figu re   1  that  the  MSI  is  directl y  connecte d  t o  the  C W   a nd   is   us ed  t o  re gu l at e  the   reacti ve  po we r  us i ng   d  c om po nen t  w hile  act ive  powe r/spee d  with  q  com ponen t  of   t he  cu rr e nt   [25].     The fre quency  of  t he  P W su pply  is set as  50  Hz  th rou ghout  the sim ulati on  tim e. Th e m ajo r  com pone nts  of  t he   pro po se d  c ontr ol sc hem e are d escri bed  is  be ing  a s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Dyna mic res pons e e nhance me nt o f  BDF I G u sing vec tor c on trol sch e me …  ( Ahsanull ah Me mon)   93   Q * p M P P T PI Pp K p _ p dq - a b c P W M I G B T B D F I G PW Ip Ic CW T r a ns f or m a t i on  P ha s e Ip Ic I p , d q I c , d q I p d I p q I c d I c q V c d V c q I p d * I p q * I c d * I c q * G R I D K c _ p K p _ p K c _ p I M C Vw P * p   Figu re  1.   MSI   with  IMC m eth od       3.1.1.  PW c ur rent c ontrolle rs   The  P W  cu rr e nt  is  regulat ed  with  th e  help  of  C W  c urren t  by  pr ov i ding  c ro ss - c ouplin g  betwee n  t w o  windin gs .  Th e   nonlinea r dyna m ic   m od el  o f  the  pro po se d g r id - ti ed  B DFIG   syst e m  is rep re sent ed  b y  (12 ).      = 1    + 2   − 3 − 4     − ω 1 4  +   ω 1   2   − ω 1      ( 12 )     Fr om  the a bove  equati ons the  d irect   relat ion  betwee n  P W  a nd C W  is ext ra ct ed  a s  fo ll ows ;       = 1 + 2    (1 3 )       = 1 2 + 1           ,             = 1 2 + 1   (14 )     To  i niti at e  the  IMC  ba sed   pa r a m et er  extracti on  process,   the   rise  ti m e       an d  band width    of  the   syst e m   is  cal cu la te d  as  95e - 3   a nd   0.1 841.   A  ve ct or   c on t ro l  s chem e  is  us ed  to  obta in  high  con t ro l  perfor m ance   of   MS I   whose  PI   re gu la to rs  a re  tun e d  with  the  IMC  m et ho d.   F ur the rm or e,  the  extern al   di sturb a nce  is  avo i de d  by  us in g  fee d - forw a r d  c om pen sat io n.  The   pro portion al   a nd  inte gr al   gai ns   (    an d   )  f or  ou te r  l oop  P I   regulat o r  ca n b e cal culat ed by  u si ng (15 ).        =   2 ∗  ∗  ∗ 2     ,      =   2 ∗  ∗  ∗ 1   (15 )     3.1.2.  CW  cur rent c ontrolle r   C W   volt age  is  r eg ulate d  with  the  help  o f  CW  cu rr e nt  as  e xpresse d  in  (16 ) .  The  m entioned   e quat ions   sh ow t he direct  r el at ion s hi p b et ween  C W  c urre nt and  volt age in t he p rop ose d vecto r  c on t ro l sc hem e.      = 1    + 2   + ( − 3 + 4 ) + 5     + ( 6 + 7 )  − 8    ( 16 )     Si m il arly  u sing t he rel at ion s hi p betwee n  C W  volt age   a nd C W  c urren t i s  express ed  as:       = 1 + 2            ,         = 1 2 + 1   (17 )     The   e xpressio ns  for  cal culat in g      and      values  for  the  C W  cu rr e nt  co ntr ol  th rou gh   t he  IMC   m et ho d  a re   pro vid e d  in   ( 18 ) :        =   2 ∗  ∗  ∗ 2           ,            =   2 ∗  ∗  ∗ 1   ( 18 )     3.1.3.  Speed  c on t rol  design   Since the  P W vo lt age  is take n  as  r e fer e nce, t her ef ore the  d  com po ne nt of  P W   flu x rem ain s c onsta nt.  The ge ner at e d t orqu e  for t he m achine ca n b e cal culat ed  as:     = − 3 2 ( P p + P c   ) | |    ( 1 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4 752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   2021 :  9 0   -   9 7   94   The  tra nsfer  fu nction m o del for  in - te rm s o f  t he  s pee d  is  give n by:       ∗ = 3 2 P p | |    ω r 2 + [ + 3 2 P p | |  ω r ] + 3 2 P p | |    ω r   (20 )     Th us , fr om  the abov e  equati ons,  t he value  fo r  the      and     is o bt ai ned as  pro vi ded  i n (2 1 ) :      ω r = ( 2  ∗   6   )     ,    ω r =     (  2 ∗     6   )   (2 1 )     T h e   r e a c t i v e   p o w e r   i s   r e g u l a t e d   w i t h   t h e   q   c o m p o n e n t   o f   c u r r e n t   i n   t h e   v e c t o r   c o n t r o l   m e t h o d   o f   B D F I G   i n  t h e  c u r r e n t  s t u d y   w h i l e  t h e   p o w e r   w i n d i n g  f l u x   λ p  i s   h e l d   c o n s t a n t  t h r o u g h o u t  t h e  s i m u l a t i o n   r u n .   I t  i s  i m p o r t a n t   t o   n o t e   t h a t   t h e   r e a c t i v e   p o w e r   r e g u l a t i o n   i s   n e c e s s a r y   f o r   i n j e c t i n g   t h e   c o n t r o l l e d   a m o u n t   o f   r e a c t i v e   p o w e r   t o   t h e   g r i d   d u r i n g   f a u l t   c o n d i t i o n s   t o   a v o i d   d i s c o n n e c t i o n   o f   t h e   m a c h i n e   f r o m   t h e   r e s t   o f   t h e   n e t w o r k   [ 2 6 ] .       4.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   To  regulat e  th e  sp ee d  a nd  r eact ive  po wer  of  the   pro pos ed  B DF I G  t hroug h  the   pr opos e d  c on tr ol   strat egy,  a   sim ulati on  m od el   is  de velo pe d  in   MATLAB/S I MULI NK  ve rs ion   2018 b  as   s how n  in   Fig ur e  2  an d  the  pa ra m et ers   of   m achine  ar e  li ste d  in  Tabl e  1.   Ba se d  on   t he  ob j ect ive  of  the  stu dy,  the  si m ulate d  ou tc om es   from  the p r opose d  c ontrol  stra te gy are divi de d  int o  tw o b ro a d  cat eg ori es as  discusse d bel ow.           Figure  2. Sim ulink  m od el  fo r B DF I G wit h  t he  contr ol sch e m e       Table  1.  T he   BDFIG  p a ram eter s   M a c h i n e   Pa ra m e t er s   P a ram et er s   V a l u e   P a ram et er s   V a l u e   P W   p o l e  p a i rs ( p p )   2   P o w er  W i n d i n g   Res i s t a n c e  (R s p )     2 . 3   o h m   C W   p o l e   p ai r s  p c   4   C o n t r o l  W i n d i n g   Re s i s t a n ce  ( R s c)     4    P W   (V o l t a g e )   240V   R o t o r  W i n d i n g   Re si s t a n c e  ( Rr)   1 . 2 9 6 7 e - 4   o h m   C W   (V o l t a g e)   240V   Self - I n d u c t a n c e  o f  P W   (L s p )      0 . 3 4 9 8   H   P W   ( C u r re n t )   8A   Self - I n d u c t a n c e  o f  C W   (L s c)     0 . 3 6 3 7 H   C W   ( C u r re n t )   8A   Self - I n d u c t a n c e  o f  R W   (L r)     4 . 4 5 2 1 e - 5   H   R a t e d  T o r q u e   1 0 0   Nm   M u t u a l  I n d u c ta n c e b e t w ee n   PW   a n d   RW  (L h p )     0 . 0 0 3 1   H   G r i d   fr e q u e n cy ( H z)   fp   50   M u t u a l  I n d u c ta n c e b e t w ee n   CW  a n d  R W ( L h c)    0 . 0 0 2 2   H   S y n c h r o n o u s   s p e e d   5 2   r a d i a n s/ s e c   R o t o r  M o m en t   o f  In e r t i a ( J )    0 . 4   k g . m 2     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Dyna mic res pons e e nhance me nt o f  BDF I G u sing vec tor c on trol sch e me …  ( Ahsanull ah Me mon)   95   4.1 .    C as e  1:  s peed re gu la tio n   C o n t r o l   o f   t h e   r o t o r   s p e e d   i s   v e r y   c r u c i a l   i n   t h e   a p p l i c a t i o n   o f   w i n d   t u r b i n e s   w h e r e   t h e   w i n d   s p e e d   i s   u n p r e d i c t a b l e .   T h e r e f o r e ,   i n   t h i s   c a s e ,   t h e   s p e e d   o f   t h e   m a c h i n e   i s   r e g u l a t e d   b e t w e e n   0   t o   7 0   r a d / s   a t   t h e   c o n s t a n t   t o r q u e   o f   0   N . m   a n d   t h e   r e a c t i v e   p o w e r   o f   5 0 0   V A R .   T h e   s i m u l a t i o n   i s   p e r f o m e d   t o   s e e   t h e   i m p a c t   o f   c h a n g i n g   s p e e d  o n  P W ,  C W ,   a n d  r e a c t i v e  p o w e r .  T h e  c o r r e s p o n d i n g  r e s p o n s e  o f   t h e   s y s t e m   i s   d e p i c t e d   i n  F i g u r e  3 ( a )  w h i l e   i t s   i m p a c t   o n   t h e   C W   c u r r e n t ,   P W   c u r r e n t ,   a n d   r e a c t i v e   p o w e r   i s   s h o w n   i n   F i g u r e s   3 (b) - (d )   r e s p e c t i v e l y .   A s   c a n   b e   s e e n   f r o m   t h e   m e n t i o n e d   f i g u r e s   t h a t   t h e   m a c h i n e   s h o w s   g o o d   d y n a m i c   r e s p o n s e   a n d   t r a c k s   t h e   s p e e d   c h a n g e s   e f f e c t i v e l y .   T h e   c o n t r o l l e r   i s   a b l e   t o   r e g u l a t e   t h e   s p e e d   i n   a   w i d e   r a n g e   o f   ± 3 0 %   o f   5 2   r a d i a n s / s e c ;   t h u s ,   m a i n t a i n s   t h e   s t a b l e   o p e r a t i o n   o f   t h e   s y s t e m .   T h e   P W ,   C W   c u r r e n t s   a n d   r e a c t i v e   p o w e r   f o l l o w s   t h e   c h a n g e s   e f f e c t i v e l y   w i t h o u t a n y   n o t i c e a b l e   o v e r s h o o t s .   I t   i s   i m p o r t a n t   t o   n o t e   t h a t ,   w h e n   t h e   s p e e d   o f   t h e   B D F I M   i s   c h a n g e d   f r o m   s u b - n a t u r a l   t o   s u p e r - n a t u r a l   s p e e d ,   t h e   C W   c u r r e n t s   v a r r y   t h e i r   s e q u e n c e   t o   u p h o l d   s y n c h r o n o u s   o p e r a t i o n   a s   e v i d e n t   f r o m   F i g u r e   3 ( b ) .   T h e   s y n c h r o n o u s   s p e e d   o f   t h e   m a c h i n e   i s   5 2   r a d / s e c   i n   t h i s   p a p e r .             (a)       ( b)           (c)     ( d)     Figure   3.  The s e figure s ar e;   (a )  s peed re gula ti on ,   ( b)  c ontr ol  w in ding c urre nt ,   (c)   powe r w ind in g  c urre nt ,   (d) reac ti ve power       4. 2 .    C as e  2:  r eact i ve  p ower  control   In   this  case,  th e  eff ect   of   c ha ng e s  in  reacti ve   power   on   sys tem   sta bil it y  is   exam ined.   Ste p  cha ng e s  in   the  reacti ve  po wer   of  the  m a chine  are  m ade  at   0,   2,   4,   6 ,   and   8  seco nds  of   the  sim ulatio n  r un  as  dep i ct ed  in  Figu re  4 ( a).   T he  c orres ponding  im pact  of   s uch  s harp  c ha nges  i n  reacti ve  powe r,   s pee d,  P W   c urre nt,  a nd  C W  current is  d e pi ct ed  in  Fig ur e s   4(b ) - (d) res pe ct ively .   It  can  be  obser ved  f ro m   Figure  4  t hat  the  c hanges  i n  reac ti ve  powe r  af f ect   the  sp ee d,   P W   c urre nt ,   and   C W   c urre nt,  howe ver ,   th e  pro posed   co nt ro l  sc hem e  eff ect ively   m anages  to  m ai ntain  the  sta ble  oper at ion  of   the  m achin e  with  a  su it ab le   dynam ic  resp onse .  The  Fi gure  4  s how  t hat  the  pro pos ed  IMC  base d  vector   con t ro l sc hem e  is able to trac k t he  cha ng e s in  the  reacti ve p ow e r,  t hu s m akin g  the B DF I G  sup ply t he  r equ i red  reacti ve powe r  to  the  grid  duri ng  t he norm al   and fa ult co ndit ion s.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4 752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   2021 :  9 0   -   9 7   96     (a)     (b)           (c)   (d)     Figure  4. The s e figure s ar e;   ( a)  r eact i ve power ,   ( b)  s peed  regulat or ,   ( c)  p ow e r win ding  c urren t ,     ( d) c on t ro l  windin g  c urren t       5.   CONCL US I O N   This  pa per   presented  a n  I MC   based   ve ct or   co ntr ol  s chem e  fo r  BDFI M .  The  propose d  co ntr ol   schem e  can  r egu la te   th e  s pe ed  a nd  reacti ve  powe r  of  t he  BD FIG  e ffec ti vely   with  a  su it able  dynam ic  respo ns e.   To   e nh a nce  t he  tr a ns ie nt  res ponse   of  the   syst em   du rin g  nor m al   op erati ng  conditi ons,  t he   gain s  of   the  PI   re gula to rs  are  sel ect ed   us in g  the  IM C  m et ho d.   T o  validat e  the  ef fecti ven es s  of  the  pro po se d  c on t ro l   schem e,  it s  pe rfor m ance  is  e valuated   under  sh a rp  va riat io ns   i n  diff e r ent   syst e m   con tr ol   par am et ers  s uch  as  sp ee d,   to rque,   and   reacti ve  powe r.   T he  pro posed  c ontr ol  schem e  tracks  the  c hang es  in  the  m entioned  var ia bles  accu r at el y  with  excell ent  dynam ic  respo ns e  an d  m ai ntains  the  sta ble  op e rati on   of   the  syst e m ;   thu s ,   pro ves  the   ef fe ct iveness o f  th e pro posed  con trol sc hem e .       REFERE NCE S   [1]   M.  Fati m a  Zohr a,   B .   Mokhta r,   a nd  M.  Ben y oun es,   “ Slidi ng  m o de  per form an ce   cont rol  applied  t o  a  DF IG  s y ste m  for  a  wind  ene rgy   produc t ion,”  Inte rnat ional   Jou rnal  of  El ec tri ca l  and  Computer  Engi ne ering  ( IJE CE) ,   vol.   10,   n o.   6,   pp .   6139 - 615 2,   2020 ,   doi :  10 . 11591/i jece . v10i 6. pp6139 - 6152 .   [2]   T.   Jum ani ,   M.  Mus ta fa,   M.  Rasid,   N.  Mirja t ,   M.  Bal och,   and  S.  Sali su,  “ Optimal  Pow er  Flow  Co ntrol ler  for  Grid - Conn ec t ed  Micr ogrids  using  Gr asshopper  Optimiza ti on  Algori t hm , ”   El e ct ronic s ,   vol.   8,   no.   1 ,   p.   111,   Jan.   201 9 ,  doi:   10 . 3390/ele ct roni cs8010111 .     [3]   T.   A.  Jum ani ,   e t  al . ,   “ Com putationa l   intelligen ce - base d   opti m i za t ion  m et hods  for  power  quali t y   and  d y n amic  resp onse  enh ancem ent   of   ac micr ogrids, ”  Ene rgi e s ,   vol. 13, no. 15 ,   p .   4063 ,   Aug.   2 020 ,   doi :  10 . 339 0/e n13164063 .   [4]   T.   A.  Jum ani ,   M .   W .   Mus ta fa,   M.  M.  Rasid,   N.  H .   Mirja t ,   Z.   H.  L egha ri ,   and  M.  S al m an  Saee d . ,   “ Optimal  volt ag e   and  fre quen c y   c ontrol   of  an  island ed  m ic rogrid  using  gra ss hopper   opti m izati on  al gorit hm , ”  En e rgies ,   vol.   11 ,   n o.   11,   2018 ,   doi :   10 . 3390/e n111131 91 .   [5]   T.   A.  Jum ani,  M.  W .   Mus ta fa ,   A .   S.  Alghamdi,   M.  M.  Rasid,  A.   Alamgir,   and   A.  B.   Aw an ,   “ Swa rm   Inte lligen ce - Based  Optimization  T ec hniqu es  fo r  D y n amic  R esponse  and  Po wer  Quali t y   En hanc ement   of  A C  Microgr ids:  A  Com pre hensive   Revi ew,”  I EE E   Ac c ess ,   vol .   8 ,   p p.   75986 - 76001 ,   2020 ,   doi:   10. 11 09/ACCESS . 2020. 2989133 .   [6]   M.  Hus sain,   M.  H.  Bal och ,   A.  H .   Mem on,   and  N .   K.  Path an,   “ Maximum   Pow er  Tra ck ing  S y st e m   Based  on  Pow er  El e ct roni c  Topo log y   for  W ind  Ene rg y   Convers ion  S y stem  Applicati ons, ”   Eng ine ering ,   Techn ology   &   Appl ie d   Sci en ce R ese arc h ,   vol .   8 ,   no .   5 ,   p p.   3392 - 3397 ,   O ct .   2018 ,   doi: 10.48084/etasr.225 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Dyna mic res pons e e nhance me nt o f  BDF I G u sing vec tor c on trol sch e me …  ( Ahsanull ah Me mon)   97   [7]   M.  H.  Bal o ch,  D.  Ishak,   S.  T.  Chauda r y ,   B.   Al i,   A.  A .   Mem on,   and  T.   A .   Jum ani ,   “ W ind  pow er  integra ti on:  A n   expe riment al   i nvesti gation  fo r  poweri ng  lo ca l  comm unit i es, ”  Ene rgies ,   vol.   12 ,   no .   4,   2019 ,   do i:   10. 3390/e n1204 0621 .   [8]   T.   D.  Strous,  H.  Polinde r,   an d  J.  A.  Ferre ir a,   “ Brushless  doubl y - f ed  in du c ti on  m ac hin es  for  wind  turbi ne s:   deve lopments  an d  rese arc h  cha l l enge s,”   I ET  El e ct ric  Pow er  App li cations ,   vol .   11,   no.   6,   pp .   991 - 1000,   2016 ,   doi :   10. 1049/iet - ep a.2016.0118 .   [9]   X.  W ei ,   M.   Che ng,   R.   Luo,   L.  Xu,  and  J.  Zhu,  “ Model  pre dict ive   vir tua l   powe r  cont rol   of  brus hle ss   doubl y - fed   induc ti on   gen erator  for  f ast  and   sm ooth  grid  s y n c hronisat ion , ”  I E T  Re new .   Pow er  Gene r . ,   vol .   13 ,   no.   16,   pp.   3080 - 3087,   De c. 2019 ,   doi :  10 . 1049 /ie t - rpg. 2019. 0566 .   [10]   A.  Raha b,   F.  Se nani ,   H.  Ben al l a ,   and  R.   Abderezza k ,   “ Dire ct   Po wer  Control   of  Brushless  Doubl y - f ed  Induc ti o n   Gene rat or  Us ed   in  W ind  Ene rg y   Conversion  S y stem, ”  Inte rnat ional   Journal  o f  Powe r  Elec tro nic s  and  Dr iv e   Syste ms   ( IJE PD S) ,   vo l.   8 ,   no .   1 ,   pp.   417 - 433 ,   20 17 ,   doi :  10 . 1159 1/i jpe ds . v8. i1 . pp 417 - 433 .   [11]   Ba y h an,   S. ,   Kak osim os,  P.,   and  Rive ra ,   M. ,   “ Pre dic ti v e  torqu e  co ntrol   of  brushles s  doubl y   f ed  ind uct ion  g ene r at or   fed   b y   a  m at rix   conve rt er,”   201 8  IEE E  12 th  Int ernati onal  Conf ere nce   on  Com pati bility,  Pow e r  El ectronics  an d  Powe r E ng ine eri ng  ( CPE - POWE RE NG 2018) ,   20 21,     pp.   1 - 6,   doi: 10. 1109/CPE . 2 018. 8372497 .   [12]   R.   Zha o,   A.  Zh ang,   Y.  Ma,   X.   W ang,   J.  Yan,   and  Z.   Ma,   “ The   D y namic  Co ntrol   of  Rea ctiv e  Pow er  for  the   Brushless  Doubly   Fed   In duc ti on  Mac hine  W it h  I ndire c t  Sta tor - Quanti t ie s  Cont rol   Scheme, ”   IE EE  Tr ansacti ons  on   Powe r E le c troni cs ,   vol .   30 ,   no .   9 ,   pp .   5046 - 5057 ,   2015 ,   doi: 10. 11 09/T PEL . 2014. 2 365675 .   [13]   P.  E.   Tronc oso,   R.   J.  Mant z,   and   P.  E.  Battai o tt o,   “ Acti ve  and   re a ct iv e  power   r egu la ti on   in  wind  tu rbine s  base d  on  BDF IG m ac hine s,”   2017   IEEE  U RUCON ,   vol. 20 17 ,   pp .   1 - 4 ,   201 7 ,   doi :  10 . 1109/ URU CON . 2017. 8171845 .   [14]   J.  Chen,   W .   Zh ang,   B.   Ch en,   a nd  Y.  Ma,   “ Im p rove d  vector  co ntrol   of  brushles s  doubl y   fed   in duct ion  gen erato r  under   unba l ance d  grid  condition s  for  offshore  wind  power  gene r a ti on, ”  IE EE   Tr ansacti ons  on  En ergy   Conve rs ion ,  vol.   31 ,   no .   1 ,   pp .   293 - 302 ,   Mar .   2016 ,   doi :  10 . 11 09/T EC . 2015. 24 79859 .   [15]   Bedda r,  A. ,   Bou ze kri ,   H. ,   B abe s,   B. ,   and   Afghou l,   H. ,   “ Exp eri m e nta l   enha n ce m en t  of  fu zzy   fra ct i onal   ord er  PI+   I   cont roller  of   gri d  connect ed   var i abl e   spee d  wind   ene rg y   conve rsi on  s y stem, ”  En e rgy  Conve rs ion  and  Manage men t ,   pp.   569 - 580 ,   20 16 ,   doi :  10 . 1016 /j . enc onm an. 201 6. 06. 070 .   [16]   Y.  Gui,   C .   Kim ,   and  C.   C.   Chung ,   “ Im prove d  low - volt ag e  rid e  thr ough  ca p abi l ity   f or  PM SG   wind  turbi ne  b ase d  o n   port - cont ro ll ed   h amilt onia n   s y st e m , ”  Inte rnat iona l  Journal  o f  Con trol,   Aut omation   and  Syst ems ,   vo l.   14 ,   no .   5 ,   pp.   1195 - 1204,   Oc t.  2016 ,   doi :   10 . 10 07/s12555 - 014 - 0480 - y .   [17]   Aliz ad eh,   M.,   a nd  Kojori,   S.  S . ,   “ Augm ent ing  eff ec t ive ness  of  cont rol  loops  of  a  PMSG   (pe rm ane nt  m agne t   s y nchr onous  ge ner at or)   base d  wind  ene rg y   co nver sion  s y st em  b y   a  vir tua l l y   ada pt ive   PI  (pro porti onal  integra l)   cont roller , ”  Ene r gy ,  vo l. 91, pp. 6 10 - 629 ,   2019 ,   d oi:   10 . 1016/j.e n e rg y . 2015. 08 . 047 .   [18]   Err ami,   Y. ,   Oua ss ai d,   M.,   and  Maa roufi,   M . ,   “ A  per form anc e  compari son  of  a   nonli ne ar  and  a   li ne ar  control  f or   grid  conne c te d  PM S G  wind  en erg y   co nver sion   sy st em,”   Inte r nati onal  Journa l  of  El ectric al  Powe r  &   Ene rg y  Syste ms ,  vol .   68 ,   pp.   180 - 194,   20 15 ,   doi :  10 . 1016 /j . i je p es. 2014. 12 . 027 .   [19]   M.  G.  Hus sien,   W .   Xu,  and  Y.  Li u,   “ Vec tor  C ontrol   Schemes  for  Dire ct   Volt a ge  Control   of  t he  Stand - Alon e   Brushless  Doubl y - Fed   Induc ti o n  Gene ra tor,”  2 018  21st  Int ernati onal  Con fe re nce   on   Elec trical  Mac h ine s  an d  Syste ms   ( ICEMS) ,   2018 ,   pp .   130 7 - 1312 ,   doi :   10 . 23919/ICE MS . 2018. 8549244 .   [20]   K.  Ji,  W .   Long,   and  J.  He,   “ Ind ire c t  Vec tor  Co ntrol   for  Stand - al one  Opera ti on   Brushless  Dou bl y   Fed  Induc t i on  Gene rat or  Emplo y ing  Pow er  W indi ng  Stat or   Flux  Orien tate d  Appr oac h, ”  I OP  Confe renc e   Serie s:  Mate ri als  Sci en ce and  Eng ine ering ,   Oc t. 20 19,   vol .   612 ,   no .   4,   p .   042085 ,   doi :10. 1088/1757 - 8 99X/612/4/ 0420 85 .   [21]   F.  Zha ng,   S.  Y u,   Y.  W ang,   S.  Jin,  and  M.  G.  Jovanovic ,   “ Design  and  Perfor m anc e  Com par i sons   of  Brushle s s   Doubl y   Fed  Gen era tors  with  Diff ere nt  Rotor  Stru ct ure s, ”  IEEE  Tr ansacti ons  on  Industrial  El e ct ro nic s ,   vol .   66,   no.   1,   pp .   631 - 640 ,   2018 ,   doi :  10 . 11 09/T IE . 2018. 28 11379 .   [22]   A.  Zha ng  et   al . ,   “ Crowbarl ess  S y m m et ric a l  Lo w - Volta ge  Rid e   through  Based   on  Flux  Li nka ge  Tr a cki ng  for   Brushless  Doubly   Fed  Induc ti on   Gene rat ors, ”  I EE E  Tr ansacti o ns  on  Industrial  El ectronics ,   vo l.   67,   no .   9,   pp.   7606 - 7616,   Sep .   2020 ,   doi: 10. 11 09/T IE . 2019. 29 44096 .   [23]   M.  N.  F.   Nashe d,   M.   N.  Eskan der ,   and  M.   A.   Sale h,   “ Miti ga tion  of  fau lt s  in  gri d - connect ed   wind - drive n  sin gle   m ac hine   brushle ss   double - fed   induc ti on  gen erato r, ”  Indone sian  J ournal  of  El ectric al  Eng ine ering   and  Computer   Sci en ce   ( IJE ECS ) ,   vol.   15 ,   no .   3 ,   pp.   1178 - 1188 ,   2019 ,   doi :  10 . 11 591/i jeec s.v15 . i 3. pp1178 - 1188 .   [24]   G.  Jos hi  and  P.   Pius ,   “ AN FI S  cont roll e r  for  v ector  cont ro l  of  thr ee   ph ase   indu ct i on  m otor, ”   Indo nesian  Journal  of   El e ct rica l  Enginee ring  and  Computer  Sci e nce   ( IJE ECS) ,   vol.   19,   no.   3,   pp.   1177 - 1185,   2020 ,   doi:  10. 11591/ijeecs. v19. i3. pp1177 - 1 185 .   [25]   S.  L.   S.   Loua r e m ,   D.   E.   C .   Be lk hia t ,   T .   Boukti r ,   and  S.  Be lkhi a t,   “ An  Eff ic ie n t  Acti v e  and  R eact i ve  Pow er  Contr ol   of  DF IG  for  a  W ind  Pow er  Ge ner at or , ”  Eng ineering,   Technol o gy  &   Appl ie d  Sci ence  Re search ,   vol.   9,   no .   5,   pp .   4775 - 4782,   Oc t.  2019 ,   doi :  10 . 48 084/e t asr. 3007 .   [26]   P .   D.  Chung,   “ Eva luation  of  R eact iv e  Pow er  Support  Capabilit y   of  W ind  Turbi n es, ”  Engi ne ering ,   Techno logy   &   Appl ie d   Sc ie n ce  Re search ,   vol .   1 0,   no .   1 ,   pp .   521 1 - 5216,   Feb .   20 20 ,   doi :  10 . 4808 4/e t asr. 3260 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.