TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5946 ~ 5953   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.563 8          5946     Re cei v ed  Jan uary 16, 201 4 ;  Revi sed Ma rch 2 8 , 2014;  Acce pted April 12, 2014   Enhancement Fault Ride-Through Capability of DFIG by  using Resistive and Inductive SFCLs         Ali Azizpour 1 , Mehdi Hos seini 2 , Mahmoud Samiei Moghadd am 1 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Dam g han Br a n ch, Isl a mic Azad U n i v ersit y , Dam g h an, Iran   2 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Ba bol  Univers i t y   of  T e chn o lo g y , Ba bol, Iran   Corresp on idi n g  author, e-mai l : AliAzizp our@ y mail.com, Meh d ie.h ossei n i@ gmail.c o m,  Samiei 35 2@ ya hoo.com       A b st r a ct   T he nu mber of  w i nd turbi nes  conn ected to  the gri d   is ste adily  incre a si n g  in rec ent ye ars. This  situatio n force d  the revis i on  of the  electric utilities grid  c o des  req u ir e m e n ts, to rema in  conn ected d u ri ng   grid faults, i.e., to ride th r o u g h  the fau l ts, e s peci a lly for th ose w i th pow e r  electro n ic co nverters, such  as   DF IGs. In fault conditi on, the volt ag e at the Point of Co mmon Co upl i ng (P CC) drops   i mmedi ately an T he  grid v o ltag e d i ps i m p o sed  at  the con necti on  poi nt of the  D F IG to the grid  ind u ce l a rg e v o ltag es i n  the r o tor  w i ndin g s, resul t ing in  hig h  rot o r current, w h i c h can d a m a g e  the rotor-si d e conv erter an d disco nn ect from  grid.  In th is pa per, resistiv e a nd i n d u ctive su perco nduc ti ng  fault curre nt li miter (SF C L) is  used t o  i m pr o v e   the fault ri de- t h rou gh (F RT ) of w i nd turbi n e  gen erat io n sy stem (W T G S). T he W T GS is consi dere d  as  a   variable-s peed system , equip ped with  a DFIG. The analytic a l and s i m u la tion studies  of t he res i stive SF CL  for impr ovi ng FRT capab ility a r e prese n ted  a nd co mp are d  w i th the inducti ve SFCL.    Ke y w ords SF CL, F R T ,  variable sp ee d w i nd  turbine (VSW T ) , DF IG    Copy right  ©  2014 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  Due  to g r o w i ng e n viron m ental  con c e r ns  and  de m and fo ele c tricity, the  ca pacity of  electri c ity ge neratio n from  rene wa ble e nergy  g ene ra tion system  (REGS) h a s i n crea sed. Th wind farm s (WF s ) are one  of the  representative rene wabl e energy s ource s, whi c h are integra t ed   in power sy stem all aro und  the world [1 -3].  The larg e pe netration of wind po we r to ex isting po wer  system s,  have create d  new  chall enge su ch a s  follows:   a)  Incre a si ng sh ort circuit current and,   b)  Fault ride through (FRT ) capability of wi nd farm s duri ng fault  Different  co u n tries have  e s tabli s he d n e w  g r id  co de for integ r atio n  of wi nd fa rm s to  grid,  whi c WF s requires to re main in  op eration du rin g  f ault. Such  re quire ment s a r kno w n  a s   FRT   capability [2-3]. There  are three m o st  comm onl y used wi nd turbi nes  (WTs) in existing  wind   power indus t ry as  follows  [2-4]:   a)  Fixed spe ed  wind turbine  (FSWT),   b)  Variabl e wind  turbine (VS W T) b a sed  o n  doubl e fed indu ction ge n e rato r (DFIG)  c)  VSWT ba sed  on perm ane nt magnet sy nch r on ou s ge nerato r  (PMS G)  Since, exi s ting  WTs hav e differe nt struct u r and  techn o logy;  they have  different   respon se to g r id fault and requireme nts to improve F R T capa bility.  DFIG b a sed  WT s wi dely  use d  be ca use of   notabl e advantag es such as:  in de pend ent  control on a c tive and rea c tive powe r , operatio n over a wide  ran g e of rotor  sp eed an d hig h   efficien cy.  Se veral sol u tion h a ve been  prop osed   to  i m prove   F R T cap ability  of DFIG ba sed  WT durin g fault. Applicatio n o f  cro w ba r sy stem is  widel y used to protect the rot o r sid e  co nverter  (RS C ) a nd i m prove F R [4-5]. The cro w ba r sy stem  con s i s ts of a  set of re si sto r con n e c ted  to   rotor si de in   orde r to  bypa ss RS C d u rin g  faul t. Altho ugh th cro w bar  syste m  i m prove  the F R T   cap ability of DFIG ba se d WT s, but it abso r b s  t he la rge am ount o f  reactive po wer from gri d  d,  whi c h might l ead to de cre a se g r id volta ge duri ng fau l t. Many authors h a ve bee n prop osed the   appli c ation  of STATCOM  to improve F R cap abilit y of DFIG  by rea c tive po wer  comp en sa tion   [6-7]. Appli c a t ion of STAT ACOM i s  a b l e  only to im prove voltage  recove ry after fault cle a rin g .  In   this pape r, the SFCL is propo sed to improve FR T capability of DFIG base d  o n  WTs, limit the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Enhan cem e n t  Fault Ride-T h rou gh Capa bility of DF IG  by u s ing  Re si stive a nd… (Ali Azizpo ur)  5947 rotor  and  stat or fault  cu rre nt, and d e cre a se th volta ge sag  duri n g fault. Vario u s type s of S F CL   have bee n d e velope d, wh ich g ene rally  are  cla ssifie d  as  re sistiv e and in du ctive SFCL. Th analytical  an d sim u lation  studi es of  the re si stive and  ind u cti v e SFCL  for improving  FRT   capability are presented and  co mpared together. The  simula tions are  carried out  by  PSCAD/EMTDC s o ftware.        2. Supercon ducting F a ult  Curr ent Li m i ter (SFC L)   Superco ndu cting Fault  Cu rre nt Limite (SFCL )   offers a  solution   to re duce th e short   circuit level with many significa nt advantage s su ch as, lo ssl ess ope ratio n  durin g normal   operation an d limiting first peak of fault current wi thi n  sub cy cle. Additionally, they can imp r ove   reliability and transient st ability of power  syst em s by reducing the fault current. There  are  variou s types of SFCLs, which g ene rall y are cla ssifie d  as re si stive and ind u ctive  SFCL [8-1 1].     2.1. Resis t iv SF CL   A resistive SFCL has advantages such  as si mpler structure, smaller size, and  lower  capital cost than other types of SFCL. Du ring normal operation mode, the superconducting  element is in its superconducting state, the  impedance  and power losses are very low. In  the  case of a short  circuit, the SFCL will  produce a certain value  of impedance within a  few  milliseconds  due to the loss  of superconductivity, and in sert  it into the line  for limiting currents in  determined value. Many SFCL  models have been  proposed in order  to model the  transient  behavior  of the  resistive SFCL during  fault. In  this paper, a  resistive model  SFCL is developed  in electromagnetic transient  program (PSCAD/EMTDC) based on [9-10]. Equation (1) and  (2)  describe the behavior of  resistive SFCL duri ng  and after fault. The  Eq. 2 describes  the  resistance generation curve of the SFCL duri ng fault and the Equation (2) expresses the  recovery curve of the  SFCL after fault.  The re covery curve  of the SFCL  has been modeled  with  two slopes as reported in [9-10].    1 e xp                              (1)                                                                                                ( 2 )     Whe r R n T F  and  t 0  repre s ent the conv erge nce re si stance,  time consta nt and  quen ch  starti ng   time, res p ec tively.  a 1 a 2 b 1  ,  b 2   and  t 1 t 2  in the  Equa tion (2),  rep r e s ent th re co very sl ope, th e   recovery  starting re si stan ce an d the  re covery  sta r ting time, respec tively.  The chara c te risti c  of  the resi stive SFCL u s ed fo r analysi s  is  shown in Figu re 1.          Figure 1.  The Cha r a c teri stic of the Resi stive SFCL   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  594 6 –  5953   5948 2.2. Inductiv e   SF CL   The tran sformer-type  SF CL i s   sh own i n  Figu re   2. T h is type  of F C ba sically  con s i s ts  of  a tran sfo r me r in  se rie s   with the line  a nd a  re si stive supe rcond ucting  curren t limiting dev ice   con n e c ted to the se con dary winding of the se rie s  tran sform e r (T) [1 1-12].    Therefore, th e cu rrent pa ssing th rou gh  the SC  devi c e is b e low th e criti c al  cu rrent and   the second ary of the tran sform e r is sh ort-circ uited.   As a  re sult, t he im peda nce seen  by th prima r y sid e   of the co upli ng tran sfo r m e r i s  very  lo w. The  re sist ance of SC  devise  ha s to be   desi gne d to have large r  im peda nce than  m agnetizi ng  rea c tan c e of tran sform e r.    Duri ng fa ult con d ition, the  SC devi c gene rate s re sista n ce qui ckly.  As a  re sult, the   resi stan ce  of  SFCL  is i n crea sed  an d f ault curr ent li mited by ma gnetizi ng  rea c tan c e,  whi c h is  purely in du ctive. In this ca se, the im pe dan ce  of the  tran sform e r- type SFCL i s  expresse as  follows                                                               (3)          Figure 2. Tra n sformer-typ e  SFCL     3.  Modeling of  WECS Base d DFIG   The b a si co nfiguratio n of  a  DFIG i s   shown in  Figu re 3. It in clu des a  wo und ed roto indu ction gen erato r  (WRIG ) , whic h the stator wi ndin g s of the WR IG are di re ctly conne cte d  to  the g r id. T he  rotor wi ndin g s  of  the  WRIG a r e fe d to  the  sam e  g r id   throug rot o sid e   conve r ter  (RS C ) an d a  grid si de con v erter (GSC) con n e c ted by  a commo n DC link  cap a cit o r. The rotor  of  the DFIG is  mech ani cally  coupl ed to the sh aft of  a DFIG thro ugh a me ch anical drive trai n   system  whi c h consist s  of a high-speed sha ft, a gearbox (GB), and  a low-speed  shaft. The wi nd  spe ed mod e l, the model of wind turbi ne,  the me cha n i c al mod e l of the drive-trai n and indu cti on  gene rato r is d e scrib ed in th e followin g  se ction s         Figur 3. Sche matic Dia g ra m of Typical DFIG     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Enhan cem e n t  Fault Ride-T h rou gh Capa bility of DF IG  by u s ing  Re si stive a nd… (Ali Azizpo ur)  5949 3.1. DFIG    MODE In the syn c h r onou s refere nce f r ame fix ed to t he  stat or flux, the st ator a nd rotor voltages  and fluxes  ca n be de scribe d as follo ws:                                                    (1)                                                 (2)           ,                              (3)    Whe r e, I s  a nd I r  are th sta t or an d rotor  curre n ts,  L s , L r  and  L m  a r e  the stato r , ro tor an magneti z ing  i ndu ctan ce s, resp ectively, R s  an d R r  are the  stator  and  rotor re si stan ce s, and   ω b   and  ω slip  are the stato r  a n d  slip a ngul ar f r equ en cie s , resp ectively. F r om the  math ematical  mod e of DFIG [13], the active po wer a nd rea c tive powe r  ge nerate d  are:                                                                              (4)                                                                         (5)       3.2. Wind  Speed  Model   As  sho w n i n   Figure 4,  win d  spee d i s  m odele d  a s  the  sum  of follo wing  compo n ent: Base   wind  spe ed, Gust wi nd sp eed, Ram p  wi nd sp eed a n d  Noise win d  speed [14].   The Steady wind sp eed to the turbin e [m/s] is 15m/ s         Figure 4. Win d  Speed Mo d e     3.3.  Shaft Mo del/Driv e  Train  Sy stem   In orde r to st udy the FRT  cap ability of DFIG two ma ss m odel  systems is u s e d  for the   shaft syste m  and me cha n i c al dynami cs as sh ow n in  Figure 5. T w o-ma ss mo del is define d  by  [14-15] as  follows                                                                                           (4)                                                                                      (5)                                                                                   (6)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  594 6 –  5953   5950 Whe r T t  i s  the me ch a n ical  torq ue  refe rre d to  the g ene rat o side,  T e  is  i s   the  electroma gne tic torque,  J t  i s  the equival ent turbine - bl ade ine r tia re ferre d to the gene rato r sid e J g  is the gen erato r  inertia,   ω t  is the turbine’ s rotatio nal spe ed,   ω g  is the gene rator’ s rotatio nal  spe ed,  Ks  i s  the shaft stif fness and  θ s  is the an gul ar di spla cem ent betwe en  the end s of the  s haft.        Figure 5. Two  Mass Model  of Wind Tu rbi ne Trai n       3.4.  Wind Turbin e  Model   The me cha n i c al po we r ge nerate d  by wi nd turbin e follows the equ a t ion belo w  [14-15]:     3 ) , ( 2 w p wt wt v C A P                                                                                 (7)    Therefore, th e me cha n ical  po wer extra c ted from th e wi nd  ( P wt ) depe nd s on   the air  den sity ( ρ ), ( v w ) is the  win d  spee d, ( C P ) is the  pe rformance  co effi cient or  po we r coeffici ent,  λ  is  the tip sp eed  ration, ( A wt ) =   π R 2  is th e area covere d b y  the wind tu rbine rotor,  R  i s  the  radi us  o f   the tip spee d ration an d  ( λ )  is defined,  as follo ws:     w r v R                                                                                     (8)    The relation between Cp and   λ   for different pitch angles of  β   is shown in Figure 6.        Figure 6. C P λ  Cu rves fo r Different Pitch Angles    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Enhan cem e n t  Fault Ride-T h rou gh Capa bility of DF IG  by u s ing  Re si stive a nd… (Ali Azizpo ur)  5951 4. Simulation  Results   A singl e line   diagram of th e sim u lated  p o we sy stem  with F C L i s   shown in  Figu re 7. Th para m eters o f  this system  are li sted in a ppen dix A.  A  three p h a s short ci rcuit fault is sim u late d   on the middl e of line 2 (L 2), whi c sta r ts at t=10 s.   After 0.3 s, the ci rcui t bre a ke r isolated  the  faulted line. The simul a tion s have be en  carrie d out in three st ates a s  follow:   a)  State 1: Without usin g FCL (No _ F C L)    b)  State 2: With resi stive SFCL and (R_Typ e)  c)  State 3: With indu ctive SFCL (L _Type )            Figure 7. Simulated Power  System      Figure 8 shows the PCC voltage in three  stat es during fault. It can be observed that  not  using  STATCOM and  FCL will  lead to the  PCC vo ltage  decreases to  zero approximately, but  can  be restored to the  normal level. By using  resistive and inductive SFCL  the PCC voltage not  only decreases the voltage sag  to 0.7pu and 0.5pu  respectively,  but also the voltage at  PCC  can be restored quickly after the  fault comparing without FCL.          Figure 8. PCC Voltage du ring Fault in T h ree  States  Figure 9. Rot o r Spee d duri ng Fault in Th ree  States      Figure 9  shows the  rotor speed  of the  induc tion generator  during fault.  As shown  in  Figure  9, the  generator rotor  speed swings are  r educed in  state 2  effectively. These results  show  that the resistive  SFCL  can provide  an effective damping  to the post-fault oscillations  comparing states 2 and 3.   Figure 10  and Figure  11 show  the total  active power  generated by  the IG  and the  total  reactive power exchange between  the IG and  the grid , respectively. During  the fault the  active  power  generated by  the IG is  reduced to zero.  By  using  the resistive and  inductive SFCL active  power generated can be restored quickly after the f ault comparing without FCL, which helps to  avoid other problems such as volt age collapse and recovery process.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  594 6 –  5953   5952       Figure 10. Active Power du ring Fa ult in Three  States  Figure 11. Re active Powe durin g Fault i n   Thre e States      Figure 12, F i gure  13 an d Figure 14  sho w  t he rotor current  IG for three  states,   respe c tively.  In both figures (Fig ure 13 and Fi gu re 14), the amplitude of rotor cu rrents is  redu ce d. Ho wever, th e rotor  cu rre nt tra n sie n ts  ar e  si gnifica ntly re duced in  fault  insta n t and  a fter  fault cleari ng  in states 2 a n d  3.            Figure 12. Ro tor Cu rre nt during F ault wi thout  usin g any FCL  Figure 13. Ro tor Cu rre nt during F ault wi th  usin g Re si stive SFCL                 Figure 14. Ro tor Cu rre nt during F ault wi th using Ind u c tive SFCL       5. Conclu sion   In this pap er,  the ap plicatio n of th e resi st iv e and  ind u ctive SFCL  ha s b een  p r op o s ed  for  improvin g the  FRT capa bili ty of DFIG and limiting  the  fault current.  The sim u latio n  re sults  sho w   that the resi stive and indu ctive SFCL n o t only lim its the fault current but also  sup p re sse s  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Enhan cem e n t  Fault Ride-T h rou gh Capa bility of DF IG  by u s ing  Re si stive a nd… (Ali Azizpo ur)  5953 voltage dro p  and improv es gen erator stability. Al so, the oscill ation of active and rea c t i ve   powers, stato r  and rotor  cu rre nts a r re d u ce d effectively during fau l t.        Referen ces   [1]  JF  Man w e ll, J G  McGo w a n, AL Rog e rs, W i nd ener g y   e x p l ai ned, Joh n  W ile y. 20 02.   [2]  Z  Chen, JM G uerrer o , F  Bla abj erg. A rev i e w   o f   the state  of the art  of  po w e r el ectron ics for  w i n d   turbines.  IEEE  Trans. Power Electron.,  20 09 ; 24(8): 185 9–1 875.   [3]  JF  Conro y , R  W a tson. Lo w - voltag e ride-t h rou gh  of a full  converter  w i nd tur b in e w i t h  perm ane n t   magn et gen era t or.  IET   Re new abl e Pow e r Generati o n . 20 07;  1(3): 182-1 89.   [4]  AH Kasem, E F  El-Saadany ,  HH El-T amaly. An im prov d fault-ri de thr oug h strateg y   for dou bl y fe d   ind u ction  gen e r ator base d   w i nd turbi nes.  IET RPG.  2008; 2(4): 201 –2 14.   [5]  F  Mei, B Pal. Moda l an al ysis  of gr id-co n n e c t ed do ubl y fe d  inducti on  gen erators.  IEEE Trans Ener gy   Conv ers . 200 7; 22(3): 728 –3 6.  [6]  SM Mu y e en, MA Manna n, MH Ali, R  T a kahas hi, T  Murata, J  T a mura.  Stabi lizati o n   o f  w i n d   tur b in gen erator s y stem b y  ST AT COM.  IEEJ T r ans. Pow e r Energy . 2006; 1 26( 10).  [7]  M Aten, J M a rtinez, PJ  Cart w r i ght. F ault r e co ver y  of  w i nd  farm  w i th  fi xe spee d i n d u ctio n g ener ator s   usin g a ST AT C O M.  W i nd Eng . 29(4): 365 –3 7 5 .   [8]  Hector G Sarmiento, R Pampin.  An Examp l e  in Control lin g Short Circuit L e vels in L a rg e Metropo lita n   Area . Po w e r E ngi neer in g Soc i et y  Ge nera l  Meetin g, IEEE. 2003; 2.   [9]  HR Kim, HS  Choi,  HR L i m, IS Kim, OB Hyu n . Re s i stanc e of su perco n ductin g  fau l t current l i miter s   base d  on YBa 2Cu 3 O7  th in  lms after  quench  completion.  Phys. C,  S uperc ond.,  20 02; 3 7 2 3 76:   160 6– 160 9.  [10]  HR Kim, SW  Yim, OB H y u n  et al.  Analys i s  o n r ecov er y characteristi cs of superc o nducti ng fa ult  current lim i t e rs . Proc. M  T - 20 Conf. Magn. T e chn o l., Phil ad elp h ia, PA. 200 7.   [11]  H Yamag u ch i,  T .  Kataoka. E ffect of magnetic satur a tio n  on the  c u rr ent limiti ng ch aracteristics of   transformer t y pe su perco nd u c ting fau l t current limiter.  IEE E  T r ans. Appli ed Su perco nd uctivity . 200 6;   16: 691 –6 94.   [12]  T  Kataokaan d, H Yam a g u chi .   Comp arative s tud y  of tra n sformer-t ype s u perco nducti ng   fault curr en t   limiters cons id erin g magn etic  saturation of ir on core.  IEEE Trans. Magneti c s . 2006; 42: 3 386 –3 388.   [13] HS Ko, GG Yo on, W P  Ho ng.  Active use  DF IG-bas ed v a ri a b le- s p e ed  w i n d -turbi ne for v o ltag e co ntrol   in po w e r s y ste m  operati on.  J. Elect. Eng. T e chno l.,  2008; 3 ( 2): 254– 26 2.  [14]  D Gautam, V  Vittal, T  Harbour. Impact  of  incre a sed  pen etratio n  of  DF IG-based  w i nd t u rbi n e   gen erators  on   transie nt an d s m all s i gn al  sta b ilit of p o w e r   s y stems.  IEEE  Trans. Power  Syst.,  2009;  24(3): 14 26 –14 34.   [15]  Lin Y e , KP Ju engst. Mod e li n g  an d simul a ti ons of  resistiv e t y p e  su perco nducti ng fa ult current lim iter.   IEEE Trans. A ppl. Superconduct.  2004; 14( 2 ) : 839–8 42.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.