Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 3,  Jun e  201 6, pp. 501 ~ 50 9   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i3.pp50 1-5 0 9        501     Re cei v ed Fe brua ry 18, 20 16; Re vised  May 7, 201 6; Acce pted Ma y 19, 201 6   Dynamic Stability Analysis of Generator with Power  System Stabilizers Using Matlab Simulink      Mariz a n Sulaiman 1 , Ha y f a a  Mohamme d Huss ein* 2 , Rosli Omar 3 , Zulhis y a m   Salleh 4    F a cult y   of Elec trical Eng i ne eri ng, Univ ersiti T e knik al Mal a ysi a  Melak a    Han g  T uah Ja ya, 7610 0 Dur i a n  T unggal, Mel a ka, Mala ys ia   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : marizan@ ute m .edu.m y 1 , ha yfa a19 70@ ya h oo.com 2       A b st r a ct   The dy nam i cs   in s i ngle  m a chine  been connected to  an infinite power syst em  bus  is analy z ed  in  this pap er. This analysis re q u ires certai n a m o unt of  system mod e li ng le vel. The ma in compo nents of  the   system   m o dels are excitation system , synchronous  m a c h in e and the  Power System Stabili z e r. T he  Simuli nk /Matlab are us ed  as the progr a m mi ng to o l  for analy z i n g thi s  system perf o rmanc e. Desi g n   opti m i z at ion  ar obust PSS  b a s ed  on  ge netic  al gorith m   (GA) ap proac ha s be en  i m pr ov ement. A  pro p er   design  is required for this  power system  stabil i z er ( PSS) perfor m ance using the particle sw ar opti m i z at ion  (P SO) to archi e v e  this. T h e n  t he i m pl eme n t ed  o f  th e mo del  a n d  re sp on se  o f  th e d y nam i c   system is be en  analy z e d . The  desig ned w i th out PSS show ed an u nacc e p t able syste m  respo n se sinc e a s   shown in the  simulation res u lts, system r e spon se with  PSS prov en t o  have improv ements  and P SS  succeeding in   stabili z i ng  an  unstable system . Therefor e th is leads to st ability of the performanc e of the  gen erator.     Ke y w ords : dy nam i c stability,  pow er system   stabili z e r, genetic algor ithm  (GA), particle sw arm  opti m i z a t i on        Copy right  ©  2016 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  Powe r syste m  stabilizers  has b een co mmonly  used  to provide ad ditional su ppl ementa r control sig nal s into the AVR dampi ng o u t the o scillat i ons of ele c tromec hani cal  of generators i n   the power  systems. The CPSS (conventional  PSS) is general ly des igned based  on “linear  model  of syst em” fo spe c i f ic ope ratin g   point.  Tho u g h , most  powe r  sy stem s a r e funda ment ally  nonlin ear an d chan ge s a t  operating  point much  durin g a “da ily cycle”. Hence, the CPSS  perfo rman ce  may be  significa ntly degra ded  un der va riation s   cau s ed  b y  vibrant ti me   cha r a c teri stics an d n onlin e a r of th e po wer  syst em  ele m ents. T o  ob tain a hi gh-p e rformi ng PS for wide   ra ng es of con d itions  of ope rat i ng,  so me   co ntrol strate gi es are  b een  introdu ce d.  T h e   appli c ation o f  adaptive control techni que and robu st contro l methods a nd have be en  mentioned for PSS des ign. Due to  the requirement of informat ion  on s y s t em  s t ates  or the  func tion t r ans f er form in the PSS des i gning, it  is  rather  diffic u lt  finding  a dy namic lineariz e model  for the  syste m . Fu rt herm o re,  in  real  system of ele c tri c  p o wer  who s e  time p a ra mete rs  vary, the onli ne a pplicatio n of id entifier for t he te chniqu es of a daption  in  which  the  syst em  para m eters  a r e b een  esti mated, might  be difficult  a nd the fixed  controlle r bei ng mo re fe asible  and  pro per for the  p r a c tical implem ent ations.  Lo w f r equ en cy an d sm all ma g n itude  oscilla tions  often remained for an ex tensiv e time in power  systems. T h es types of oscillations were  controlled  by  co ntrollin g t he ex citation  sig nal  of a u t omatic volta ge  reg u lator  of the  gene rator.  The tuning and location  of PSS  were found to be important pa ram e ters to suppress low  frequency  oscillations [1],[2]. Auto matic voltage  regul a tors have  been  utilized i n  power  syst ems  sin c e 1 960’ s. Oscillation  at low freque nci e s of  0.2 to  2. 5 Hz may o ccur in th e sy stem du e to la rge  disturban ce like p h a s e-to -groun d fault s  in a tr an smissi on lin e. Powe r sy ste m  stabili ze rs are  use d  in the addition of da mp to the system th roug h modulatio n of excitation sy stem by addi ng a  comp one nt to the electri c al  torque that p hases  with the spe ed devi a tion [3].  The PSS being a device that provides ad ded  supplementary l oops control  to the   automatic vol t age regul ato r syste m  an d/or that  of the  system  of turbin e g o ve rning  ge nerating  unit. This is  con s id ere d  the most co mmon metho d s of enha n c ing for b o th  the small si gnal  stability (“steady-state”)  and the large-signal  stability (“tr ansi ent”). PSS are  oftenly used as  economi c  and effective damping means of such  oscil l ations [4]. The PSS is connected directly  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  501  – 509   502 to the AVR f o synchronous g enerators in  addition; the fund erm ental  aim of the  PSS-AVR  control ex cita tion configu r a t ion is  providi ng vo ltage  re gulation  and   dampin g . So me techniq ues   are been  proposed in order  tune  and  desi gn  sche mes of PSS–AVR properly [5]. Basically  the  function  of p o we system  stabili ze r i s   extending  th e sta b ility lim its  of gene rat o r excitation  by  modulatin g to  provid e d a m p ing fo r o s cill ations of  the machi ne roto rs syn c h r on o u i n   relation   to   anothe r. Furt herm o re th e  advanceme n t in the  bio-in spi r ed a nd evolution  techniq u e s  like  Particle -Swarm Optimi zati on (PS O an d Ge netic  Alg o rithm s  (GA)  have le ad to   a ne app ro ach   in solvingco m plex optimi z ation  proble m s. Th e a d v antage  of u s i ng GA te ch ni que s i s  that i t  is  indep ende nt of the compl e xity of   the performan ce in d e x con s ide r e d . Typically these oscillati ons  con c e r n ari s e approximately in the frequen cy ran g e of 0.2 to  2.5 Hz, also these o scill ations  might limit the tran smition  ability for th e po wer ina d equate  dampi ng [6]. The a dded  sig nal are   gene rally  d e r ived  from deviation excitation sy st em, speed   of deviation  or the  po wer  acceleration.  Thi s  i s  archeived by i n serting th e “st abilizing signal  into  the excitation  syst em  voltage reference  summi n g  poi nt jun c tion. The  devi c arran gem ent is to p r ov ide the  sig n a l  is  calle d po we system  stabili zer”. Fu rthe rmore, tuni ng  of scaling fa ct ors is ve ry im portant  becau se   a ch ang e of  scaling fa ct ors  ca n affe ct the st a b ility, oscillatio n  and d a mpin g of the sy ste m     [7,[8].The parameter tuning of the PSS has   been  know to be  a complex exerc i s e  becoming  the  subj ect of  m any re se arch es [5]. In  co nvent ional P SS tuning fo r large  po we r sy stem s th e   methodol ogie s  a r e in ade quate,  since  they produ ce occa sion ally  adverse   effects on othe oscillatory  m odes for the dampi ng, especially  the  once associated wi th exciters and t he  oscillation shaft torsional.  Using  re du ced o r de r m o d e ls of  the po wer  sy stem could sig n ifica n tly  spe ed-up the  pro c e ss of P SS tuning [9].      2. Rese arch  Metho d   In this work, the re sea r ch methodol ogy will be discu s sed in de pth in the followi ng su b- se ct ion s .     2.1. Stabiliz ing Signal     Signal  wa sho u t be comin g   a filter hig h -p as s p r eventin g the  steady  cha nge i n   sp eed from  being m odifie d  by the volta ge field. Th wa sho u t time value of the  “co n sta n T w ” sho u ld al wa y s   be high e n ough all o win g  asso ciated  “sign a ls  wi th oscill ation s  sp eed ” in  rotor pa ssi n g   unchan ged. The  T w  value may not critical a nd  ca n be a n ywh e re  within th e ran ge 1 to  20   se con d s fro m  the "wash o u t  function," viewp o int.  The  main con c e r n is that, it should b e  ma de   long eno ugh  in order to pass the “sta bilizing  si gn a l s at frequen cie s  of relatively unchan g e d   intere st”, b u again  not  so  l ong th at coul d result  to u n desi r abl e volt age  gen erato r  ex cursio ns  due   to  stabili ze r a c tion d u rin g   the co nditio n s of sy stem -islan ding.  Id e a lly,  the stabi lizer shoul d no respon d to t he  system -wi de freque ncy  variation s F o r “the  l o cal mode oscillat i ons” within  t h e   rang es 0.8 t o  2.0 Hz, th e wa sho u t of 1.5 seco nd s is con s ide r ed satisfa c t o ry. From lo w- freque ncy vie w poi nt of osci llations inte r area, a “c o n st ant wa sho u t time of 10 se cond s or hig h e r”  is con s ide r ed  desi r a b le, si nce th con s tants lo we r-ti m e re sult i n   the sig n ifica n t  phase le ad  at  lower frequencies.  Unless thi s  i s   compensated f o elsewher e, it will  reduce the torque  comp one nt synchroni zing  at the freque ncie s of in ter area. Th e e ffect of desy n ch roni zin g  is  harmful  to transient stability of in ter  area as it causes the  area swingi ng further apart foll owing  the disturban ce[10],[11].     2.2. Infinite Bus to Single Machine  Connec t ion   The synchro n ous gen erato r   expe rien ce and  the  pe rio d  of oscillato ry could  be  cl assified  into the  pe rio d  of tran sient  and  dyn a mic pe riod  o r   ste ady state.  From the  a s su mption thi s   st ator  voltage linea r “equatio n of    ” that is prop ortional to the main linka g e  flux windin g  could b e   found   [4, 7].    ∆  1  ∆  1  ∆   (1)   ∆   ∆ ∆   (2)      (3) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Dynam ic Stability Analysi s  of Generator with PSS Usi ng …   (Ha y faa  Moham m ed  Hu ssein)  503   Whe r e the   is gap stato r   air RMS voltage , synch r ono u s  gen erato r  “li neari z e d  term inal voltage”  ∆  is given by:    ∆    ∆ ∆   (4)   Note that the c o ns tants   K 1 K 2 K 3 K 4 ,  K 5   and  K 6   are been d epe ndent on the  system  operation con d itions a nd p a ram e ter.  G e nerally,  K 1 K 2 ,  K 3   and  K 6   are be en po si tive, wherea s  K 4   is al ways  positive except  R is high.  Nonethel ess,  K 5   is a po sitive for  the  lo w an d the m edium   loadin g  and t he extern al i m peda nce. Neverthele s s, if   loading a nd  external im pe dan ce b e com e high  K 5   will becom e   Ne gat ive.    ∆  1 ∆  1  ∆   (5)   ∆  1 2 ∆ ∆    (6)   ∆   ∆      (7)   whe r e the    is Lapla c e Op erato r . The system of exci tation repre s entation is sh own in Figure1  [4, 7, 10]         Figure 1.   Simple excitation  system mo de l       The linea ri ze d equatio n of the excitation  syst em is giv en by the followin g  equati on [4]:    ∆    ∆  ∆    (8)   2.2.1. Sy nchronous Ma c h ine Model      The Synch r o nou s ma chin e model s, wh ich a r e con s i s ting of de ca y loop flux, and torq ue  angle lo op are being impl e m ented in Ma tlab/ Simulink as sh own in Figure 2 [4, 7].      The ope ratin g  con d ition is  listed bel ow [ 4 ], where K5  < 0 ope rating  conditio n K1= 0.983 1, K2= 1.092, K 3 = 0.38 64 K4 = 1.474 6, K5= - 0.11 03 K6 = 0.447 7, H=6 se c,  DT = 5  se c, TE = 0.25, KE  = 0.075   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  501  – 509   504   Figure 2.   Matlab/Simulin k model for Synch r on ou s m a chi n e                2.2.2. Excita tion Sy stem                   Excitation  syste m   is  de scrib ed  b y  Equation (4 ) and Equ a tio n  (8). Th ese impleme n tent ed  Equation s  are done in Mat l ab / Simulink as sh own in Figure 3.          Figure 3.  Excitation sy ste m  of simulin k layout [4]      2.3. Implementation of  Pow e r S y stem  Stabiliz er  The PSS model present ed in Equation (9) is  implemented in Matlab / Si mulink as  s h own in Figure  4, been t he in put s i gnal of deviation to PSS speed and the V PSS output s i gnal  being the auxiliary signal fo r the excitation system.           . 10 10 1 . 1. 1 2. 1 . 3 . 1 4 . 1   (9)         Figure 4.  Implementation of PSS in s i mulink  [4]       Table 1  shows PSS  param eters  been designed by the GA (Geneti c Algorithm ). A PSO   is being used in this paper  in order to tune parameters of  PSS as described in previous  sections, presenting the PSS param eters been designed by a PSO.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Dynam ic Stability Analysi s  of Generator with PSS Usi ng …   (Ha y faa  Moham m ed  Hu ssein)  505 Table 1. PSS parameters  des ign [4]  paramete r s  T T 2 T 3  T 4  K PS S  T GA  1.4557   0.6143   1.0083   0.1005   2.1783   0.02   PSO 0.3730   0.1096   0.7910   0.0819   7.1144   0.02       2.3.1. Simula tion Model for Sy nchronous Machin e     The si mulati on of dynam ic sta b ility analysi s  is  ba sed  on reference [4]. Figure 5 ( a )   sho w s Synch r ono us M a chi ne Mod e l wit h  Excitati on  System Automatic Voltage  Regul ator  (A VR)  without  connected PSS to show An gular Speed, Angular Position Torque V a riat ion and V o ltage   Variation  whe n  con n e c ted to Single Ma chine Infinite Bus (SMIB).                  Figure 5(a). Simulin model for  syn c hrono us m a chin e with ex citation sy ste m  automatic  voltage regul a tor (AVR) wi thout PSS      Figure 5(b)  shows Synchr onous Machine M odel  conn ected  wi th PSS desi gned  by  Geneti c  Algorithm (GA) for  simulatio n  test of  Angular Speed, Angul a r  Position, To rque Va riatio n   and Voltage  Variation  whe n  con n e c ted to Single Ma chine Infinite Bus (SMIB).           Figure 5 (b). Simulink model  for synchronous ma chine model connected  with PSS and GA      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  501  – 509   506 Figure 5(c)  shows Synchron ous Machine M odel   with  connect ed PSS desi gned by  Particle S w a r m Optimization (PSO ) to  sho w  Ang u la r Speed, Ang u lar Po sition,  Torq ue Va ri ation   and Voltage  Variation  whe n  con n e c ted to Single Ma chine Infinite Bus (SMIB).         Figure 5(c). S i mulink m odel  for synchro n ous  ma chi ne  model conn e c ted with PS S and PSO      3. Results a nd Analy s is  Figure 6 sho w s va riation  of the angul a r  po si tion an d the ang ular spee d in cre a sin g  the   torque  for ne gative of K5.  This sy stem  has be co m e  unsta ble;  h o wever,   the  tra n sie n ts have also   become  more with  the  n egative K5  whe r ea s t h e  po sition  of the hi ghe r a n gular is attai ned  without the PSS “Power S y stem Stabilizer”.           Figure 6.   Simulation re sult  of angula r  sp eed, ang ular  posit io n and t o rqu e  for the  system  witho u t       PSS for 10% change in  step input       Figure 7 Shows the  com p arison  of angular  sp eed  i n  three cases without  PSS, with  PSS  desi gned by GA and with  PSS desi gned by PSO with WB=3.14.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Dynam ic Stability Analysi s  of Generator with PSS Usi ng …   (Ha y faa  Moham m ed  Hu ssein)  507         Figure 7. Simulation re sult  angul ar  spee d for 10% ch ange in  step i nput       Figure 8. Shows  the c o mparis on of angular pos i tion in three c a ses  without PSS, wit h   PSS designed by GA and with PSS designed by PSO with WB =3. 14.          Figure 8.   Simulation re sult  angul ar po siti on for 10% chang e in step  input           Figure 9 Shows the  com p arison of torque vari ation in three  cases without PSS, with   PSS designed by GA and with PSS designed by PSO with WB =3. 14.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  501  – 509   508     Figure 9.   Simulation re sult  torque va riati on for 10% chang e in step  input      Figure 10. Shows the com pari s on of voltage va riation in three cases without PSS, with   PSS designed by GA and with PSS designed by PSO with WB =3. 14.          Figure 10. Simulation resu lt voltage variation for 10%  chan ge in st ep input       4. Conclusio n   Powe syste m s a r bee subj ecte d to  a variety of d i sturb a n c e s  e x isting  such  as  slight   load  cha nge s that coul d b e  of effect to  the e fficien cy mostly lead ing to un stab lilityof the entire  system.  Th e disturban ce s can co ul d a s  a re sult of l o w fre que nci e s of u nde sired o scill ation s   sin c e thi s  m o stly affects the qua ntity of t he po wer b een tran sferred th ro u gh the lin es of  transmission l eading to  external  te nsions to the m e chanical  shaft. In  order to  avoid thi s   situati on  the PSS is added to AVR  enhanci ng the stability of t he dynamic  ranges  and di sturbance of  the  first few  cycl es. Th e control of sig nal i nput  to the P SS is bee selecte d  be co ming the  sp e ed  deviation  of g enerator ( ∆ω ). The  re sult f o r th e a nalysi s   sho w s that   addin g  the  P SS has given  an  addition al da mping for the  oscill atory of  the  system  bringi ng ba ck the normal  stable ope rati on This PSS proposed design  enhances the res ponse ti me of system  while  providi ng a better result  in dampin g  for oscillation  when compa r in g to similar d e sig n s by the  Genetic Algo rithm (GA). T he  main c o ntribution to des ign an optimal PSS.  Part ic le Swarm optimiz a tion (PSO) is  used to   des ign the PSS parameters .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Dynam ic Stability Analysi s  of Generator with PSS Usi ng …   (Ha y faa  Moham m ed  Hu ssein)  509  Ackno w l e d g ment  The autho rs extend their appre c iatio n  to Universiti  Tekni k al M a laysia Mel a ka and   Ministry of  Highe r E ducation, M a laysia  fo r supp ortin g  this re se arch un der grant  FRGS/2/20 1 4 / TK03/FKE/01/F0023 8.      Referen ces   [1]    MR T a vakoli,  V Raso uli,  HR  Nasaj p o u r a n d  M Sh a a rbafch izad eh. “A n e w  si multa neo us coord i nate d   desi gn of STAT COM controller  and  po w e r s y stem sta b iliz er for po w e r s y st ems usin g cultur a l   algorithm”.  2014 IEEE Int. En ergy Conf.  201 4: 446– 45 0.  [2]    CR Makk ar. “Simulta neo us  Coor din a tio n   of Po w e r  S y s t em Stabil i zer  and  UPF C  f o r Improvi n g   D y namic Sta b il it y  of Multimac hin e  S y stem”.  IEEE . 2014.   [3]    A Kharraz i . “T uni ng of Po w e r  S y stem Sta b ili zer in  Si ng le M a chi ne Infin i te  Bus (SMIB) usi ng Gen e tic   Algorit hm and  Po w e r F a ctor Moda l Anal ys is ”.  IEEE . 2015.   [4]    M and SMA H  AS Al-Hi nai.  “D ynamic St a b ilit y E nha nce m ent usi ng P a rticle S w a r m  Optimizatio n   Po w e r S y stem  Stabil i zer”.  IEEE . 2009: 0– 4.  [5]    B Selvabala. “Co-Ordinated  T uning Of AVR -PSS Using  Dif ferential  Evolution Algor ithm”.  IEEE . 2010 :   439 –4 44.   [6]    AH Ahm ad, D   Ph, an d AA  Ab del qad er. “Po w er S y stem Sta b iliz er D e si gn  Using  R eal- C o ded  Gen e tic   Algorit hm”.  2nd Int. Conf. Contro l. Instrum .  Autom .  20 11.   [7]    M Kush w a ha. “D ynamic Sta b ilit y  E n h ancem ent  of Po w e S y stem usi ng  Fuzz y  Lo gic B a sed Po w e r   S y stem Stabilizer”.  Int. Conf.  Power, Energy Control . 20 13:  213– 21 9.  [8]    M Sula iman, Z  Sall eh  an d R  Omar. “Effects of Pa ram e ters  Variati on  in F u zz y bas ed I n ductio n  Moto r   Drives”.  T E LKOMNIKA Indon es. J. Electr. Eng.  201 5; 16(2) : 701–7 11.   [9]    S Ghosh, N Senro y  a nd S Mishra. “F ast Pow e S y stem St abil i zer T uning  in Large P o w e r S y stems”.   IEEE . 2015: 1– 5.  [10]   P Kundur. “Po w e r-S ystem-Stabil i t y - a n d -Co n t rol”. Mc Gra w - Hill, Inc.19 94.   [11]    M Rash ee d, R  Omar an d M  Sula iman. “ H ar moni Re ducti on i n  Mu ltil eve l  Inverter B a se d o n  Su pe r   Cap a citor  as a  Storag e”.  T E L K OMNIKA Ind ones ian  Jo urn a l of E l ectrica l  Engi ne erin g . 201 5;  16( 3):  520 –5 30.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.