TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 3, March 2 015,  pp. 410 ~ 41 7  DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i3.709 7          410     Re cei v ed  No vem ber 2 8 , 2014; Re vi sed  Jan uar y 3, 20 15; Accepted  Jan uary 20, 2 014   Modeling and Controlling of Standalone PMSG WECS  for Grid Compatibility at Varying Wind Speeds      Shilpa Mishra* 1 , S Chatterji 2 ,   Shi m i S . L. 3 ,   Sandeep  Shukla 4  1 Instrumentation and  Control, NITTTR  Chandigar h India  2,3 Dept. of Electrical Eng i ne eri ng, NIT T T R Chand igar h Indi a   4 Dept. of Electrical En gin eeri n g, RG IPT ,  Rae bare li Indi a   *Corrres p onding author, e-ma il: er.shilpa2k8@gmail.com       A b st r a ct  W i nd e nergy  i s  one  of the  most av ail a b l e  and  expl oita bl e forms  of ren e w able  en ergy . Variab le   spee d PMSG  base d  W i nd E nergy C onvers i on Syste m  (W ECS) offers many adv anta g e s  comp are d  to the  fixed sp ee d sq uirrel  cag e  i n d u ction  ge nerat ors such   as i m prove d  stator  output   oper atio n at b e tter po w e r   factor, no mai n tena nce cost  for gear box  (as it is di rect- d rive n) reducti on in w e i ght a nd loss es, hig h e r   efficiency a nd  abil i ty to run at  low  speeds. T he el i m in atio n of the gear  bo x and  br ushes  can en ha nce t h e   efficiency of  w i nd  turb ine by 10%.  In  this p aper a  Per m a n ent Mag net Sy nchro nous G e nerator (PMSG )  is  mo de led w h os e stator is  co n nected to t he  constant si ng le  phas e  lo ad ( i n pl ace of  grid ) throug h AC/ DC  thyristors base d  rectifier foll o w ed by capacit or (dc- link) a n d  DC/DC conv erter control. O v erall  arran g e m en t   provi des c onst ant o u tput to   conn ected  lo a d  if  ap pli ed w i th pr oper  co n t rollin g tec h n i q ues. H enc e th is  prop osed w i nd  gener ation sy stem des ig n can be exte nde d  for grid con nectio n  also vi a DC/AC inver t e r   control. Res u lt s are simul a ted  and ve rifi ed i n  MAT L AB/Simul i nk pl atform.     Ke y w ords :  W E CS, variab le  spee d PMSG ,  AC/DC rectifier ,  converter con t rol     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h ts reser ve d .       1. Introduc tion  It is importan t  to find an alternative form of energy  before the  world’ s fossil fuels a r e   deplete d  as it is predi cted  that oil and gas re se rves  will be deplet ed by 2032 [1]. Wind ene r gy  has be en the  subje c t of much recent re sea r ch  and d e velopme n t. The only neg ative point tha t   degrade s the  perform an ce  of Wind Ene r gy Conve r si on System (WECS )  in terms of maximum  utilization  of available power is  high vari ation in  wind-velocity (r anging from  3 m/ s to 15  m/s and  above). Now a day’s win d  system o p e ration i s  wi dely being  worked out  so  as to extra c t  maximum a c tive powe r  at  all po ssi ble  wind  sp eed s with lea s t d e trimental  effects  on  overall  perfo rman ce.  In a fixed sp eed  wind tu rb ine sy stem,  the ge nerator  rotates at an  almost  con s t ant   spe ed for whi c h it is de sign ed reg a rdle ss of variation in wind  spe e d .       Figure1. Co ntribution of Dif f erent Co untri es to Total In stalled  Wind  Powe r Glob al ly    China 26% USA 34% Re st   of   world 16% Po r t ugal 4% Germ an y 7% F r ance 4% Ital y 1% Sp ain 1% Indi a 7% Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modelin g and  Controlli ng o f  Standalone  PMSG WECS for Grid Co m patibility… (Shilpa Mishra )  411 As a re sult, the turbi ne wil l  be the mo st e fficient in e x tracting the  maximum po wer from   the win d  for o n ly one pa rticular  wind  sp e ed an d wa ste d  sig n ificant a m ount of en e r gy [2]. Also  as  turbine  is forced  to o pera t e at con s tan t  spe ed,  it n e ce ssary fo r  the turbi ne t o  be  extrem ely  robu st to with stand a  signifi cant amo unt  of mech a n ica l  stre ss d ue to the wind  sp eed fluctu atio ns   On the other  hand  with variable speed  wind turbin e sy stem s the rot o r of the gen erato r  is allo wed  to rotate freel y. Thus, it is possibl e to contro l the rotor speed  by the m ean s of  power ele c tro n ics   to maintain t he optimum  tip spee d ratio at all times un der va rying win d  con d itions. Seve ral   different  confi guratio ns are  re sea r ched   and d e ve lop e d  like  fixed speed  syste m  with a S quirrel  Cag e  Indu ction Gen e rator (SCIG), vari able s pee d system with P e rma nent Ma gnet Synch r o nou s  Gene rato r (P MSG) an d Doubly Fed Ind u ction G ene rator (DFIG) t o  improve the  efficiency  While  recent  re sea r ch  h a s con s ide r ed  la rge r   scale  de si gns, th e  eco nomics of la rge  volume s of  perm ane nt m agnet  materi al ha s limited  their p r a c ti cal  ap plication .   But  no w a day’s as co st  of  magnet ha s fallen do wn in  global market signifi ca ntly, PMSG WT has be come  most prefe r red  system for  wind ge ne rat i on. The pri m ary  advant age of Permanent Mag net Synchro nou s   Gene rato rs  (PMSG) is th at they do not requi re  a n y  external excitation curre n t. A major cost  benefit in  usi ng the PMS G  is th e fact  that a  thyri s tor  brid ge  rectifier m a y  be u s ed  at the  gene rato r terminals  sin c e  no external e x citation cu rrent is nee ded . Further, the  elimination of  the   gear b o x an d bru s he s  ca n increa se th e efficien cy of wind turbi ne by 10% [2-4]. He nce wind  turbine s  ge n e rato rs b a se d on Perma nent Magn et Synchro nou s Gen e rato rs (PMSG) wit hout  gear b o x is m o re u s eful ov er ele c tri c ally excited ma chi nes [3-4].  Main o b je ctive of thi s  research i s  to   model  and  control th e  standal one PM SG win d   turbine  conn ected  to RL l oad at  different win d  vel o citie s  in  su ch a  way to g i ve con s tant  and   smooth  outp u t at desired  voltage to lo ad. The si mu lation re sult s sho w  that giv en PMSG wi nd   turbine  de sig n  can  be extende d for g r i d  con n e c ti on.  Output po wer an d voltag e of WECS g e ts   effectively sm oothed u s in g prop osed met hod.   Pitch angle control is al so  provide d  in pr opo sed mo de l of WECS for adjusting the  powe r   output of the wind turbine  whe n  win d  sp eed is a bove  rated spee d       2. Modelling of PMSG Wi nd Turbine in MATL AB/S I MULINK  This se ction  will  p r e s ent mathemati c al   model  of PM SG ba sed  on  WECS. It  co nsi s ts  of  wind e nergy conve r si on, wind turb in e, drive train, PMSG and converter a s  sho w  in Figure 2.                                                                                       Figure 2. WE CS Schem atic Dia g ra m Based o n  PMSG      The case win d  turbin e use d  for this p r oj ect is a di re ct  driven vari ab le-spee d win d  turbin e  with PMSG.     2.1. Wind Tu rbine Aer o d y namic Char acte r istic    Power in air flow,                           3 2 1 Av P air                                                                                       (1)    The ae rodyn a mic efficie n c y of a wind  turbi ne is d e scrib ed by the po wer  co efficient  function, Cp ( β ,  λ ) given by ,                                  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  410 – 4 1 7   412 P P C w m p                                                                                                                             (2)    Wind  turbi n e  is  applie d  to co nvert t he  wind  En ergy to  me chani cal to rqu e . The  mech ani cal t o rqu e  of  turbi ne  can  be  cal c ulate d  from  mech ani cal  p o we r at  the t u rbin e extract ed  from  wind  p o we r. Thi s  f a ct of th e  wi nd  spe ed  after the  turbin e isn’t zero.  Then, the  po wer  coeffici ent of  the turbin e (Cp) i s  u s ed. Th e  po wer  co efficient i s  fun c tion of pitch an gle ( β ) an d tip   spe ed ( λ ), pitch a ngle i s  a ngle of turbin e blad e wh ereas tip  sp eed  is the ratio of  rotational  sp eed   and  win d   sp eed. T he  po wer  coefficie n t maximum   of (Cp) is  kn own  a s  the  li mit of Betz.  The  power coeffici ent is given b y  [11],    1 035 . 0 08 . 0 1 1 3 i                                                                                                   (3)                                             The Cp - λ  ch ara c teri stics, for  different values of  the   pitch angl e  β , are ill ust r ated in  Figure 3. The  powe r  co efficient is give n by,                               P P C w m p                                                         (4)                                                                                                                               V C P wind p m S 3 2 . ,                                                                                                   (5)                                                     Figure 3. Win d  Turbi ne MA TLAB Model       The me cha n i c al torq ue is  given by,    P T m m                                                                                                                            (6)                                                                                               Whe r e, Cp  = Performa nce coeffici ent of the turbine ,   ρ  = Air density, S = Turbine swept a r e,  Vwind =  Win d  spe ed,  λ  =  Tip Speed  Ra tio,  β  = Blade Pitch Angle.    2.2. Modelling of PMSG   The voltage e quation s  of PMSG as sho w n in Figu re  5 are given b y  [12]:    i L L i L v L i q r d q d d d d d p R dt d 1                                                                                                 (7)                                               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modelin g and  Controlli ng o f  Standalone  PMSG WECS for Grid Co m patibility… (Shilpa Mishra )  413 L i L L i L v L i q r d r q d q q q q q p R dt d  1                                                                       (8)           The ele c trom agneti c  torqu e  equatio n is  given by:      i i L L T q d q d iq e 75 . 0                                                                                          (9)                                                                                                                                            Whe r e, Lq =  q axis indu ct ance, L d  = d Axis-ind ucta n c e, R =  Re sist ance of the stator windi n g s , i q   =  q a x is cu rr en t i d  = d  axis  curre n t, v q  =  q axis voltage , v d  = d axis v o ltage  ω  = Angular velocit y  of  the roto r,  λ   = Amplitude of  flux indu ced,  p =  Nu mbe r   of pole  pairs.  The dyn a mi c eq uation s a r e  given by:     T T m e r r F J dt d 1                                                                                                   (10)                                                                                                                              r dt d                                                                                                                                        (11)                                                                                                        Where,   J  =  Inertia of rotor; F =  Fric tion  of rotor;  θ  =   Rotor angle.         (a)     (b)     Figure 4. Modeling of PM SG using M a thematical  Eq uation s  for (a ) Electromag netic To rqu e , (b)  Rotor Sp eed  and Rotor An gle       2.4. Mathem atical Inv e rs e Park and Clarke Tran s forms  A practi cal g enerator p r o duces 3 p h a s e AC  po we r. For this re a s on, the inve rse Pa rk  and  Cla r ke transfo rm s a r e  intro d u c ed  to imple m ent   the 3  pha se   AC o u tput fro m  the  gen era t or  model. As Fi gure  6  sho w s, the tran sform fr om the  stator axis  referen c e  fra m e ( α ,  β ) to the  rotating  refe rence fra m e  (d-q ) i s   calle d the P a rk t r an sform  (Te x as In strum e nts 1 9 97 ). T h e   Clarke tran sform is the t r an sform a tion  of  the 3-phase refe ren c e fram e to the 2- pha se   orthog onal  stator axis ( αβ ) [12].        Figure 5. Inverse Pa rk Tra n s form   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  410 – 4 1 7   414 As of Figure  6 illustration, assumes the  αβ  frame h a s an angle  θ Fi eld with the d q  frame,  the inverse Park tran sform  (dq -  αβ ) whi c h can be ex pre s sed a s  follows:    q d field field field field sin sin sin cos                                                                                                (12)    The mathem atical inverse  Clarke  tran sform is give n as follo ws:     2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 V V V c b a                                                                                                      (13)            3. Contr o lling of PMSG Wind Turbin e   PMSG  win d  turbine   is provided with Powe r  Ele c tronic Co ntrol wheth e r con necte d  to  grid, or o pera t ed for battery chargi ng through lo ad.   The win d  re source is inte rmittent, which  re sult s in the unstable PM SG output. Howeve r,  in orde r for t he syste m  to reliably conn ect to t he po wer  grid o r  to  the load for  battery ch arg i ng  purp o se, the  dc bu s lin k is req u ire d  to be  stabl e at con s ta nt voltage. Based  on th ese   requi rem ents,  the ac/d c re ctifie r control  descri bed i n  this sectio n. The amplitu de  and fre que ncy  of the voltage  output from  a PMSG vary  for a  va ria b l e  speed  wi nd  turbin e  when  the wi nd  sp e ed  cha nge s fro m  time to ti me, whil e in  this  circum st ance the  gen erato r  po we r output  sho u l d  be   stabili zed. Th e ac/d c conv erter  circuits  can b e   cla ssi fied as un con t rolled re ctifie r and controll ed   rec t ifier c i rc uits  [9-10].            Figure 6. Thyristo r Re ctifie r Cont rol Syst em with Pulse Gene rato r      In Figure 6, controlle r provides the de si r ed voltage a c ro ss co nsta nt RL load u s ing a 6   pulse ge ne ra tor which u s es  RMS g e n e rated  voltag e acro ss  sta t or of PMSG  as  a  control  para m eter. S ee Figu re 8 al so.        Figure 7. Pitch Angle Co ntrol Model in M A TLAB with PI Control   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modelin g and  Controlli ng o f  Standalone  PMSG WECS for Grid Co m patibility… (Shilpa Mishra )  415 From Fi gure  7, when th e wind tu rbin e rotor  spe ed  wr1 i s  lo we r than the rate d roto r  spe ed  of wi n d  turbi ne, the  error si gnal  i s  n egativ e an d  pitch  a ngle is kept at  its optimum  val u e.  Whe n  the ro tor sp eed ex cee d s the  ra ted (he r e  for twice the rated roto r speed  controll er  actuate s ), the  erro r sig nal i s  po sitive and  the pitc h ang le cha nge s to  a new value,  at a finite rate,  thereby  re du cing  [the effe ctive  area of the  bla de re sulting  in   the  redu ced  po we r outp u t. The  PI  controlle r inp u ts are in p e r-unit.      4. Simulation Model  Figure 8  illu strates the  co mplete  simul a tion m odel  o f  the PMSG   wind  turbi n e   gene rato r   con n e c ted to con s tant RL load creat ed i n  MATLAB/ Simulink  with th yristor b a sed  rectifie r co ntrol  and pitch co n t rol unde r the  conditio n  of rated win d  sp eed an d rate d rotational  speed.           Figure 8. PMSG Based  WECS Simulation Model in  MATLAB      It consi s ts of  wind sp eed , wind turbin e, dr ive train ,  PMSG, Pitch an gle co ntrolle r,  rectifie r, dc l i nk  cap a cito r and  co nsta nt  RL l oad.  Figure 8 P M SG WT  Simulation M o del  Con n e c ted to RL Load Sh owin g Pitch Control and  Powe r Electronic Conve r ter Co ntrol. At the  gene rato r sid e , the re ctifier circuit con s ists of 6 pa ssiv e  thyristo rs. F o r this type of  conve r ter, th e  curre n t from the wind turbi ne gene rato r can only flow  towards the l oad, i.e. one way power flo w s   from the gen erato r  to the load/gri d  [10].      5. Simulation Resul t s an d Analy s is   Propo se d  si mulation  mo del h a s PM SG wi nd tu rbine  with  rat ed  cap a city  of 8.5KW.    Output of  win d  turbine  is conne cted  to  RL l oad  vi a th yristor rectifie r, IGBT b o o s t co nverte r  circuit   and  dc lin k capa citor  de si gned  such th at it wo uld  give co nsta nt  output voltag e a c ro ss lo a d  at  325 Volts. Propo sed mo de l is simulate d  for con s t ant  wind  spe ed i nput of 12m/ s  whi c h i s  rat e d   wind  spe ed for win d  turbi n e system u n d e r co nsi d e r ati on.  Here obj ectiv e  is to a c hiev e co nsta nt d c  lin k outp u t voltage at 31 5 volts (d esi r ed) a nd  better po we r  smoothi ng  with lea s t fluctu ations  acro ss  load in  su ch  a way that it woul d be flexi b le  to extend the  desi gn for  grid co nne cted  PMSG  wind gene ration sy stem  havin g con s tant  volt age  and freq uen cy.      Figure 9. Win d  Speed at 1 2 m/s (Rated )  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  410 – 4 1 7   416 CASE 1 - At wind  speed  = 12 m/s  (rated) as show n i n  Figure 10 below.  Here si mulation  results a r e sh own for o u tpu t  voltage acro ss lo ad with p r opo se d mod e l.          Figure 10. Voltage Output  across  RL Lo ad at Con s ta nt Wind Spee d      It is observe d from above  result s, that magni tud e  of voltage outp u t is con s tant  at 310  volts with alm o st no fluctu a t ions.   CASE  2 -  At varying wind speed (multi stepped  si gnal  wave) as  shown below f r om12m/ s   to 7m/s.  Due  to ch ang e i n  win d   spe e d  from  12m/ s  to 7 m /s  su ddenly  (ste p-cha nge ) volt age  output acro ss RL load  cha nge s from 31 5 volts to  aro und 30 0 volts su dde nly at 3 se cond  an d  then stabili ze s at aro und 3 00 volts.            Figure 11. Wi nd Speed  Ch angin g  at 3 Seco nd   Fi gure 12. Ou tput Voltage across RL Lo ad at  Varying Wi nd  Speed       6. Simulation Data  PMSG wind g enerator p o wer ratin g  is ta ken  a s   8.5K W at rated  wi nd sp eed of 1 2 m/s.       Table 1. Sho w ing Simul a tion Data   Stator direct a x is Inductance  (Ld)  0.0082Mh   Stator quad ratu re axis  Inductance (Lq)  0.0082mH   Cout  1  microfarad   Load resistance, R  10 ohm   Load Inductance,  L  50mH   Maximum outpu t  po w e r  po w e r  0.8 pu of Rat e d       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modelin g and  Controlli ng o f  Standalone  PMSG WECS for Grid Co m patibility… (Shilpa Mishra )  417 7. Conclusio n   This  pap er p r ese n ts a  pe rforma nce of v a riabl e  spee d  PMSG ba se d win d  turbin e wh en  wind e nergy system is  conne ct ed to  RL loa d  via boo st conve r ter and dio d e  rectifie r. For   con s tant a s  well a s  ch an ging wi nd sp eed it maintai n s the setting  voltage to almost con s tan t  a t   310V, whi c h is very near t o  desi r ed voltage acro ss  RL load. Also output is sm o o th having le ast  amount of flu c tuation s  whi c h is  highly  need ed for  g r id compatibil ity. Hence thi s  arran gem e n t  provide s   win d  turbi ne g e n e rato r control  and th e DC   bus volta ge  stabilizatio n. It is thu s  p r ov ed   that the prop ose d  PMSG wind turbine  desi gn c an b e  extended fo r con s tant g r i d  con n e c tion.       Referen ces   [1]  SM Muy e en, Junji T a mura Toshiaki Mur a ta.  Stability A u g m e n tatio n  of  Grid-con necte d Wind Far m .  Book, Sprin ger -USA. 2009.    [2] Malcom  Barnes.  Practical  V a ria b le  Sp eed  Drives  a n d  P o w e r Electro n i c s . Book, N e w n ess  Press,   Elsevi er, Oxfor d , Burlin gton. 2 003.   [3] Boldea  I.  Variable Speed Generators.  Han d b ook, T a ylor an d F r ancis Grou p LLC. 20 06.    [4]  Ackerman n  T h omas. W i nd Po w e r in Po w e r S y stems, 2n d Editio n. Boo k , John W ile y and Sons,   Engl and. 2 012.    [5]  O Carlson, J H y l a n der, K T h o r borg.  Survey  of Variab le Sp eed Oper atio n of W i nd T u rbin es.  Europe a n   Unio n W i nd En erg y   Co nferen ce, Goetebor g, S w e d e n . 199 6 .   [6]  D Greni er, LA  Dessa int, Y  Bonn assie u x ,  B Lep iufl e. Experime n tal  No nlin ear T o rqu e  Contro l of a   Perman ent Ma gnet S y nc hro n ous Motor  Usi ng Sa lie nc y.  IEEE Transactions on Industrial Electronics .  199 7; 44(5): 68 0-68 7.  [7]  Mei, B Pal. M oda l Ana l ysis  of Grid -Con ne cted Do ubl y F ed In d u ctio n Gener ators.  IEEE Transaction  Energy C onver sion.  20 07; 22( 3): 728– 73 6.  [8]  R Pena, JC Cl are, GM Asher.  Doubly fed i nducti on g ener ator usin g bac k-to-back PW M converter s   and its a p p lic ation to v a ria b le-s pee d w i n d -en e rgy g e n e r ation . IEEE Proceeding Electrical Po w e r   Appl icatio ns. 1 996; 14 3(3).   [9]  SM Mu y e en, R i on T a kahash i ,  T o shiaki Mura ta, Junji T a mura. A Variabl e Spee d W i nd T u rbin e Contro l   Strateg y  to Me et W i nd F a rm  Grid Co de R e q u ireme n ts.  IEEE Transactions  on Power Sys t em s . 2 010 ;   25(1): 33 1 – 34 0.  [10]  Miller  E Mul j a d i, DS Zi nger.  A vari abl e s pee d  w i nd  tur b in e p o w e r  co ntrol.  IEEE Trans. Energy   Conv ersio n . 19 97; 12: 18 1–1 8 7 .   [11]  Ekana ya ke JB,  Holds w o r th  L,  W u  X, Jenk ins  N. D y namic m ode lli ng  of D o u b l y  F ed In ducti on g ener ato r   w i nd tur b in es.  IEEE Transaction on Power S ystem s . 20 03; 18(2): 80 3-8 0 9 .     [12]  H Pol i n der, F F  Avan  der  Pij l ,  P T a vner. Com paris on  of Dir e c t- Drive  an d  Geared  Gen e rator C once p ts   for W i nd T u rbines.  IEEE Transaction Energy  Convers i on . 2 006; 21( 3): 543 –55 0.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.