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 h  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 m  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 y  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 r  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 S  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 s  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 d  model  for the  syste m . Fu rt herm o re,  in  real  system s  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 e  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 s  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 s  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 r  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 r  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 s  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 w  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 s  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 s  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 e  arran gem ent is to p r ov ide the  sig n a l  is  calle d po we r  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 r  oscillatory  m odes for the dampi ng, especially  the  once associated wi th exciters and t he  oscillation s  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 e  wa sho u t time value of the  “co n sta n t  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 t  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 s  d u rin g   the co nditio n s of sy stem -islan ding.  Id e a lly,  the stabi lizer shoul d no t  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 e  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 r  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 s  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 e  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 s  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 1  T 2 T 3  T 4  K PS S  T R  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 k  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 r  syste m s a r e  bee n  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 n  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 y  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 r  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 r  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 c  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.