In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  Vol.  10, No.  1, Mar ch 2019,  pp.  19~26  IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 5 9 1 /ij ped s . v10 . i 1.pp 1 9 -2 6           19     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Design and im ple m entation of no nlinear integral backstepping  contr o l strategy for single - ph ase grid -connected VSI       Mo ussa   R edd a k , A bdelo ua hed   Mes b a h i, Ay o u b   No u a i t i, Abdelma j id B er da i  D e pa rtme nt   o f  El e c t rica l   Eng i ne eri ng,  Univer sit y   o f H a ssan II  Casab lan ca, M o r o cco       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Sep  1 3 ,  2 018  Re vise d N ov  8 , 2018   Ac ce p t ed  No v   2 2 ,  2 018      Th is   p ap er  p re s e nt s  the  des i gn   a n d   t he  i m p l e m e n t atio n  o f   a   n o n l ine a r  integral   back st eppi ng   c on tro l   s t r at egy   f o r  a  s i n g le-p h a s e   g ri d-co nn ect ed   v ol ta ge   so urce  i n v e rter  ( V S I).   Th e  propo sed   con t ro l  s t rat e gy  aim s   t o   re solve  the  pro b l e m  o f   t he  s i n u s oidal   re f e rence  current   t rackin g,   t o   h a ve  a   r apid  t ransi e n t   resp on se  n eeded   t o   d e al   w it h   t h e  trans i en t  inc i den t   s uch   as   g ri d   voltag e   d rops   and   t o   g en erat e  int o   t h e   g rid  a  curr en t  with  f ewer  h arm o n i cs .  T hes e   pro p ert i es  a re  v erifi e d  b y   s eekin g  the  d i rectio n,  t he  a m p litude  a n d  t h e   tran si ent  res p o n s e   o f   t h e  i n ject ed  g rid   current .  A n   e xp erim en ta l  VSI   pro t o t yp e  is   u s e d  t o   v al id ate  t h e  ef f ecti v enes s  o f   t h e   p rop o s e d   c on trolle r,   b a sing   o n  a   digita l  sig n a l  p r o c e s sor  DSP  m i c r o c on trolle r.  T he   a ch ieved   r e s u l t s  s h o w   t h a t  t h e  w e l l -  o b t a i n e d   p r o p e r t i e s  s a t i s f y   t h e  g r i d  current  injection cond i t ions.   K eyw ord s :   DS P   E xpe rime n t a l   V SI  Gri d -co n n ect ed  VS I   Inte gra l  bac kst e ppi ng  co n t ro l  Ra pid  trans i e n t   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Mo ussa   R ed da k,    D e pa rtme nt   o f  El e c t rica l   Eng i ne eri ng,   Un iv e r sit y  of   Ha ssa n   II  C as ab l a n c a,  7 km  El  Ja dida  Roa d,  P ostal  addr ess :  8 11 8,  O asis,  C a sab l a n ca ,  M or occ o .   Em ail:  moussa . r edda k@ gma il.c o m       1.   I N TR OD U C TI O N   G r i d - c on nec t e d   V S I   a re   m ost l y  use d   a s  a  pa rt  o f  co nvers i on  sys t em s  int e rfac es  i n  d i s t rib u t e d   p ow er   gene ra ti o n ,   w h ic h  is  b a s e d   o n  rene w a b l e   e n erg i es  l i k e   w i n d   a n d   PV  e n e rgy   s y ste m s.   G ener ally,  t h es e   in t e rfa ces   h a v e   be e n   i nt r o d u c e d  be tw ee n  the   r e new a b l e  e n e r gy  s o urc e s  a n d  the   gri d   i n   order   t o   c o n v er t   a   D C   voltage  t o  an  A C   f o rm   [ 1]-[5].  T o  ensure  a   s i nus oidal  output  c u rren t ,   usua ll y,  a   f ilte r  is  u se d.  S o,   t h e   perform ance s  of  t he se  d e v i c e s   can  b e   typ i c a l l y  e v a l uat e d  b y   c he ckin g  t h e  en e r gy   e f f i c i e n c y ,   t h e   t ot al   harm on ic  d i s t o rtion  (TH D ) , and t h e  trans i e n t re spo n se .  F o r  t h i s   k in d   o f   i nv e r t e rs,  dif f e re nt   l in ea r  a n d   no nli n ea r  c o nt ro l  s t r a te g i es  h ave  bee n   p r o pose d   t o   all o w   a  gr ea t  t r ac ki n g   o f  a  s i nus oi da l   r e fe re nc e.  A mong  th em ,  t he  l i n ea r  P I   c ontro l  sy ste m   h a s   b ee n  u s e d   t o   regu la t e   t he  i n j ec te d  gri d   c u rre nt .   Thi s   c o n t r o l ler   d o es n’t  inc rea s e   c o mputa t io n  i n   t he  s ystem   a l gor ithm ,   w h ic h  m a ke s  its  i m p lem e nt ati o n  ea si e r   f or  t he  w h o l e   c ontro l  sys te m .   N eve r thele ss,  I n  spite  o f  t h ese   adva n t a g e s ,  th e  P I   c ontro l  sys t em   h as  m any  lim it a t i ons,   e s pe c i a l l y  a g a i n s t  n o n l i n e a r  s y s t e m s  [ 6 ] .   T h i s   con t ro l l er  c a n ’t  d ea l  per f ec t l y   wit h   s in us o i d a l   r e fe renc es  w ith ou t  usin g  grid  v olta g e   f e e d -forw a rd,   w h i c h  c a n   be  c o n s i derin g   as  a   w eakne ss  in  g r i d-c o n n ected  i nv erter s .  S o ,   t o  alle v i a t e  the   dr aw bac k s  o f   t he  P I   c ontr o l   syste m ,   PR  c o n tr ol l e r  is  u sed   a s   a n  al terna t i v e  so l u ti on  to  t ra ck  s in uso i da l   re fer e nce s ,  and  w i t h   a n  ad di tio na l   resona nt   t erm ,   t h i s  c o nt r o l l e r   c a n  su p p r e ss  som e   s pec i fi c   ha rm o ni c  compone n t  [7]- [ 9 ].   T o  get  m o re  perform ance s,  o t h er  a p p roac he s  l i ke   n o n l i n e a r   contr o l  s t r a t e gie s,  c ons ide r ed  a s  n o n - s e l e c ti ve  t ec hn iq ue s,   f or   g r id -c o n n ect ed  i nv ert e rs  h a v e  b e en   r e p o r te d  i n   t h e   l it e r ature .   In  [ 1 0 ],   a   c ompa rat i ve  s tu dy  be tw ee n  s l i d in g  m o d e  c o n t r o l  ( S M C )  s t r a t e g y   w i t h   t h e  P I   c o n t r o l l e r   f o r   c u r r e n t   in ve rte r   h ave   b e e n   a ddre ssi ng.   T h i s  stu dy  show s  t h e  e ffe cti v e n ess  of   t h e   S MC  t ha t   g i v e s  go o d   t ra ck in g  a n d   f ast   t r an si en t   re sponse   c o n t ra ry   t o   t h e  P I   con t ro l l er.   Thi s   r a p id   d y n a m i c   r espo nse   is  n e e de d  to  o verc ome   s o m e  t r ans i en t  i n c i d e nt s  su c h   a s  a  t r an si en t  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     19  –   26  20 low   v o l t a g e.  A lso,   i n  [1 1] ,  [12] ,  the   pre d ic t i ve  c on tro l   s t r a t e g y   i s   pro p o s e d  t o   r eg ula t e   the   gr id   c ur ren t   o f  a  gri d -con ne c t e d  inver t e r .      The   s y nc h r on iz ati on  of  t he  c urr e nt  o ut p u t   of  t he  i nvert er   w it h  t h e  u til i t y   g r id   i s  co nsi d ere d   a s  an  impor ta nt  c ha l l e n ge.   In  o rde r   t o  ach ie ve   t his  o p er at ion,   d i g i t a l   a n d   ana l og   P LL  a re  i nv est i g at ed   i n  ma n y   stud ies.   W ith  a nal o g  P LL, so m e   e l e c tro n i c dev i ces  are   a d d e d   t o  the   c i rc ui t ,   w h i ch  incr e ases the  com p l ex i t y o f   the  s y ste m   a n d   the  c o ntro l  pa rt.  Bu t  w ith  d igi t a l   P LL,   easy  imp le me nta t i on,  m ore  pe rfo r m a nc e,   a nd  lo w   c o st  w ill  be no t e d   t o   the s y stem  [1 3 ],  [ 14].   Rec e n t l y,   t he   b a c k s te p p i n g  c o n t r o l  s t rate gy   h as  o b t a i ne d  a  trem e n do us  a t t e nti o n   a s   a   s ol ut i o n   fo r  con t ro l  of  non l i nea r   s ys tem s   [ 15],  [1 6 ] .  The  idea   b e h in d  th is  p roce d u re  i s  to  d e v ise  the  sys t em   t o  su bs y s t e ms  o f   t h e   f i r st   o rder,  a n d   by   a dop ti n g   t h e   L y a pu nov   f un cti o n  t o   e n sur e   t he   s tab i li ty  o f  t h e  w h o l e   s y s t em ,  t h e   con t ro l  law   is  d eri v e d   f rom   d i ffere n t   s t a g e s  tha t   g ive   a  v i r t ua l  co n t ro l  la w   for  t h e   s ubs yste m.   S o,   by  go ing   st e p  by  ste p ,   th e  globa l con t ro l la w   for   the  l a st   s ubsy s tem   is   obta i ned.   I n   o r d e r   t o  ge t   a  fas t   d yna m i c  re spo n se  o f  the  in j e c t e d   g ri d  cu rre n t   a nd   t o  t r ack   a   s in usoi da l   refere nce   pric i s el y,   t h i s  pa pe r  prop ose s   a   n o n l i n e ar  b ac k s t e pp i ng  c o n t ro l  s t ra t e gy  w i t h   a n   in tegra l   a c t i o n   for  a   gri d -con ne c t e d   V S I   p rot o ty pe .  The   ex perim e nta l   p ro to t ype  c on sis t s   o f:  a   f ull  bri dge  i nve r t e r ,  an  L -fil ter   tha t   is  a d o p t e d   t o  a l l o w  a   re aso n ab le   h arm o n i c   cur r en t  a t t e nua ti on.   T h e   pr op ose d   c o n tr ol   s tra t e gy  i s   v e r ifi e d   expe r i me n t a lly  unde r c o nside r ati on o f   g ri d cur r ent c o nd it io ns.      2.   SY S T E M   D ESCRIPTIO N AND   M ODE L ING  2.1.   S ystem   d e scr i p t ion   F i gure  1  sh ow s  the  c i r c ui t   o f   t he  u se d  P W M  V S I  w h ich  i s   f orm e d  by :  four  p ow er  s w i t c hes  (S 1,  S 2,   S 3 ,   and  S 4 )  se le cted  f r o m  fa s t   I G B T  de vic e s ,  a  low   pass   f il t e r  com p ose d   by  L-fi l t e r   ( Lf)  pl a c e d   b e t w een  t he   in verter   a n d   t h e   g rid  (v g).   The  i n pu t  vo l t a g e   is  o bta i ned  from   a  d c   pow e r   s upp ly  ( V  )  t o   e ns ure  a  c onst a n t   voltage leve l .           Figure   1.  D escripti o n  of t h e  VSI  syste m       The   pow er  s w i tche s  o f   t he   V S I   a r e   c ontro ll ed  u si n g   c omp a rati ve  blo c s  of   t w o   s i n u s oi da l   re fe ren c es  signa l s  (  a nd   ) sh i f ted by  18 0° w ith a h i g h- fr e que nc y t r i a n g u l a r c a rr i e r sig n al (  ),  a s show n i n  F ig ure  2.  T he  p oss i ble   sw itch i ng is e sta b l i s h ed  by  ta ki n g  in t o  acc o u n t   t he lo g i c  ope rat i o n  i n Ta b l e   1.           Figure   2.  D escripti o n  of t h e  VSI  syste m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       D e sig n  a nd im plem e n ta ti o n  o f  no n l i n e a r i n te gr al   b a cks tep p i n g c o n t r o l st ra t e gy  for.. .   (Mous sa Re dd a k )  21 Tabl e 1 .  S w i t c h i ng  l ogi c   f o r p o w e r  swi t c h e s  L ogic   op e r a tion   O n   s wi t c h      No t S 1   S1  S2     S3  No t S 3   S 4       2.2.   V S I  syste m m o d e ll in g   A c cordi n g  t o   K i r chh o ff’ s   l a w s  a pplie d   t o   t he  a bo ve   c irc u i t   s h o w s  i n   F ig ure   1,   a nd  o w in g  to  t he   symm etry pro p e r t y o f  the  pos i t i v e- ha lf a n d   n e g at ive - ha lf pe r i o d  in t h e un i p o l ar P WM  s w itc h i ng (t hre e -l eve l ) ,   the  dy nam i c  e qua t i o n   r ela t i n g  be tw ee n  the   inje c t e d   c ur rent  a n d   gri d   v ol ta ge  a n d   t hat  d e fine   s ys tem   m o d e l  i s   gi ve n a s :     L   D V  v  ( 1 )     Where  D  re p rese nt  t he  d ut y c y c l e of t he  s w i t c h e s S 1   a nd  S 4  dur ing  o n e  sw it chi n g pe ri od .     B y   c ons i d e r in g  the   de fi n i t i o n   o f  th is  d ut y  cycle   ( m odu la t i o n   i n de x)  D v V    a nd  t h e   inve r t er   dy nam i c   K  V  V  ,  t h e   gri d  c urre nt   d y n am i c  c an be   d e r i ve d a s :     ı K  v v  ( 2 )     Where,  v   i s  the si nus o i da l   co nt rol si gna l,  a nd  V    i s  t h e   a m pl itu de  of  t h e   tria n g u lar   ca rrier  signal.       3.   GRI D  C URRE NT CONTR OL   UNDER  BACKS TEPPING WITH   INT E GRAL   ACTIO N    3.1.    T h e   ob jectif  o f the   control  st rate g y   Th e  pu rp o s e s   b ehi n d  of  i nt e g ra l   b ack st eppi ng   c on t r o l   o f   t h e   Th i s  P W M   V S I  connec t e d   t o   t h e  gri d   inc l ude  t hree   m ain  o b jec t ive s :  The  first  on e  is  t o  in jec t   a   s i n us oida l   c u rrent  ( i g )  in t o   t h e   g r i d  w i th  r es pec t in g   of  t he  p ow er  f a c tor  cor r ec tio n  (P F C ),  i n  oth e r  w o rds,  t he  i nj e c te d  gri d   c u r r e nt  a nd  the   g r id  v o l t a ge  s h oul d  b e   in p hase  ( 0.9 cos φ 1 ).  Th e  sec ond p u rp o s e i s  to ha ve  a  r api d  d y n a m ic  of  the i n jec t e d gri d  c urre nt  w i t h  a   TH D   less  tha n   5 % .   T he   t hi r d   purp o se  i s  t h e   c o n t ro l  sta b il ity  o f   t he   g ri d-c onne c t ed  V S I   w hic h   i nc rea s es  t he   rob u st n e ss o f   t he  w ho le  s yste m .   A s   s how n  in  F i gur e  3,  t he  c on tro l   s tra t e g y  o f   t he  i n t e g ra l   bac k st e p pi ng   o f   th e   g r i d -  c o nn e c t e d   i s   ac hi e v e d   b y  u s i ng  the   P L L  bl oc  t ha t  g i ve s  the  r e fe renc e  c u rre nt ,   the  c o ntr o l  bl oc k,   a nd  the   u n i p olar  P WM  sw it c h i n g  me t h od.           F i gur e 3.  Co n t r ol   s t r ateg y de s c rip tio n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     19  –   26  22 3.2.     PLL  b l oc k   A ll  P h ase  l o c k e d   l oops  ( P LL)   h ave  the   ma i n   s t r uc t u re  i n  sp ite  o f  t h e i r   d i vers itie s.   T h i s   st r u ct ure  i s   com p o s ed   o f  a   p h ase  de tec t or ,  a  lo o p   f il ter ,   a nd   a   v o lta ge   c on t roll ed  o sc i lla t o r.  T h e   d if fe ren c e   b e t w een   P LLs   is  l oca t ed  a t  t h eir  p h ase  de te ctor.  I n   t h i s  paper ,   t he  u se d  P L L ,  that  i s  ba se d  on   p ow e r   c a l c u l a t i on,   i s   in ves tiga t e d  in [13] , and its s truct u re  is de pi c t e d  in F i g u r e   4 .   W h e r e   v_ g  is  t he   g r i d v o l t a g e   tha t  i s a s su me d  b y   a  p u r e  si nus oi d a l   i n pu t ,   ω _ f f  is   t h e   n om in al  v alu e   o f  t h e  fr equ en c y ,   a n d   θ   ̂   r eflec t s  t h e  e s t i m a t e d     vo lta ge a n g l e .           F i gur e 4.  G r i d ang l e  est i m a t i o n  by  usi n g P L L bl ock       F o r  t h e   sa k e   o f   t h e  s i m p l i c ity,   be fore   t he l oop  fi lter,   a   s i n us oi da l  mu lt i p lie r   bl ock   is  u se d i n   t his  P L L   t o   f ul fi ll   t h e   p h a se   a ng l e   d ete c t o r  rol e .  Th eref o r e,  t hi s  bl o c k   m ake s   t he  p ar ticu l a r it y  of  t he   p r opose d   P LL.  Ac co rd ing   t o  Fi g u r e   3 ,  Th e  f ic t iti ou s po wer i s  mat h e mati cal l y  g ive n  a s:     p v ∗i s    (3)    B y  subs t itu t i ng   t he ter ms  V  a nd is,  t h is pow e r   w i l l be :    p V c o s θ s i n θ    (4)    p sin θ θ  sin θ θ  ( 5 )     B y   t ak i n g   in to   a c c o u n t   t he   o u t p u t   o f   t he  p hase   d e t ect or  e qua l  t o  z e ro,   t h e   mu lt i p lica tio n  o f   g ri d   vo lta ge,  w h ic h   ser v es  a s  t h e   in p u t ,   w it h  t h e   fi c t iti o u s  curr ent   i   g ives  t w o   t er ms:  the  firs t  on e  is  a   s m a ll   d c  term , and the   s e c o n d  o ne c o n t a in s  a   d o u b l e freque ncy. T o k e ep u p  the   dc  p a r t,  a low   p as s   f i l t er   i s   u s ed.   I n   t h i s   c a s e ,  b y   p a s si ng   t h r ou gh   t h e   V CO  b lo ck ,  th e  e s ti mat e d  g r i d   vol t age   a n gl e   w i ll   b e  e qua l   t o   t he     moni t o red  an gl e.      3.3.     Grid   c u r ren t con t rol u n d e r   in t e gra l  b ac k s tep p i n g   c on tr ol     R e gard in g  the   stab il ity  o f  V    g ett i ng  from   a   c on sta n t  pow e r   s up p l y,   t he  b ac kste p p in g  proce d u re  w ill  be de s i g ne d in o ne  s t e p (one  s ubs yste m  of t he  g ri d c u rrent  d yn ami c  i s c o nsid e r ed ).  The   gri d  c urre nt   e r r or w i t h  th e   int e gral  act i o n ca n be  def ine d   as:          z i  i K i  i  ( 6 )     Where  K   i s  a  cons tan t  par am et er  a nd  i   i s t h e cu rre n t  re f e r en ce .  The   i n tegra l   a ctio n  is  a d d e d   t o  ha ve  m ore  robus t n ess  o f   t he  c o n tro ller,   e specia lly  t o  have   a   g o o d   trac k i n g   w ith  zer o er ror. The  der iva t i v e  of  t h e  above  ex p r e s s io n  i s   g ive n  b y the   fo ll ow in g   equat i o n :       z ı  ı K i  i   (7)     S ubsti t u ti ng  th e   dynam i c e q u a ti on  of  i  cur ren t  in  2, the  er r or  d yna mic   z  ca n  be   gi ve n a s :       z  v v ı  K i  i   (8)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       D e sig n  a nd im plem e n ta ti o n  o f  no n l i n e a r i n te gr al   b a cks tep p i n g c o n t r o l st ra t e gy  for.. .   (Mous sa Re dd a k )  23 To  e ns ure   the sys t em  stabi l ity  a nd t o  de f i n e  the   con t ro l la w ,   a  Lya pu no v   fu nct i on c a n b e  d efine d  a s:     V z   (9)     I t s  dy nam i c   is gi v e n   a s:    V z z   (1 0 )     So,  this   d eriv at ive   ca n b e   n e g at ive   by i mp os in g:     z  K z   (1 1 )     Where  K  i s a co n s t a n t  p a r amet er.   A nd  t h e c o n t r o l   l a w   c a n  be c o n cl u d ed a s :     v  ı   v K i  i K z   (1 2 )     I n  th i s  case ,   t he  Lya pun o v   f u n ct i on der i va ti ve  i s:     V  K z  ( 1 3 )       4.   EXPE RIMENTAL   VALID AT ION   4.1.    Exp e r i m e n t al   t est s   w ith   in tegra l  b ac kst e p p in g  con t rol str ategy   To  v a l i d a t e   the   pro pose d   n on linea r  in t e gral  b ac k s t e p p in g  c ontro l l er,   an  e xper i m e nta l   p rot o t y pe   o f  a   gri d -con ne c t e d   V S I   s ystem   is  u sed,   a nd   i t s   d escri p t i on   i s  dep i c ted  in  F igure  5.  T he  v o lta ge  V    i s  obtai n e d  from   a   v ariab l e   D C   pow e r   s up pl y  of  6 3V / 3 A .   T he   f ul l  brid g e   P WM  i n ve rt er  i s  drive n   b y  2. 5  kH z   si gna l s   t ha t   are   gener a te d  by  a  di gi tal  s i gna l   pr o c ess o r  D S P.  T his  lat t e r   i s   a   D S P   T MS 2 0 F 2 8 3 7 9 D   L aunc hpa d  w i t h   a   cloc k  o f   2 00  MH z,   m a nufac tu r e d  by  Te xas   Instrum e nt.  The   pro g ra m   o f  the  c o n t r o l   sy stem   t ha t  is  u p l oa de d  on  t h e   D S P   is  car ried  o u t   b y  us i n g  t h e  em bedde d  c o der  to o l   o f  M at la b / Si m u l i n k ,  on  w h ich  is  a   P WM  b loc   is   i m p l e m en t e d .   T o   b e   a d a pt e d   w i t h   A/ D  c onve rs i o n   blo c k ,   t h e   m ea su re d   gri d   v olt a g e   a nd  t h e   inj e c t ed   c u rre n t   by  H a ll  E f fec t   s e n sor s   a re  i m p lem e n t e d   o n  circu it  b o ard.   T he   v a l u e  of  t he  L -f i l ter  is  3 0mH   a nd  it  is  s e l e c t ed   for  ha rmon ic  a t t e n ua t i o n .  A n   a uto t ra nsfor m e r   i s  a d de d  betw ee n  t he   g rid  a n d  the   L- fil t er  s o   t h a t   t he  R MS  val u e  o f  gr i d  v o lta ge  is 3 6 V .            F i gure  5. T h e  use d  expe rime nta l   t es t   be nc h      I n   t h i s  sec t io n,  t he  m ai n  o b je c tive   of  t he   w h o l e   s ys tem   is  t o  i n j e c t  int o   t h e   g rid  a  c u r r en t  w i t h   R MS  val u e  of  1 A .   T he   u nfi l t e re d  o u t p ut  v olta ge   o f  t h e  i n v e r t er  a nd  t h e  in j ect ed  c u rre n t   r e s po ns es  a re  d e p i c t e d   i n   F i gure   6a ,  b y   u s i n g   t he  r e f er e n ce   c urre n t   t hat  is  g e n era t e d   b y  t h e  P LL  bl oc k.   A ccor d ing  t o   t hi s  fig u r e,   i t   sho u l d   b e   n o t e d   t ha t  t h e  se ns or  c ur rent   d e l ive r s  2 1 0   m V   for  e a c h  1A   R MS   a n d   t he   i n t egra l   bac k s t e p p i ng   con t ro l l er  t rac k   p e r fec t ly  t he  s i nus o i da l  r e fe renc e  in  phase   a n d   am pl itu de.   F i g u re  6 b  s h o w s  t h e   F F T  sp ec t r um   of  t h e   u nf ilter e d  o u t pu t  v o l t a ge  o f  t h e   in v e rter   a nd  the  gr id  i nj e c t e d   cu rre n t;   i t   can   b e   ob serv ed   t h a t   th e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     19  –   26  24 ob ta ine d   T H D   i s  a c c e p t ab le,  w h ich  c o n f irm   tha t   u n d er  i nt e g ral  b a c k s te pp i ng  c o n t ro l  of  t he   g rid-c o n n e c t e d   VSI   with L- f ilt er ,  fewe r ha rmon i c s ar e  present.          (a)   (b)    F i gure   6.  ( a) The  un f il t e red  v o lta ge ou t p u t o f   t he  i n v erte r (ch 1)  a n d  the  i nje c te d c u rre n t   i g (c h4),   (b) F F T  spectr u m   un de r i n te g r a l  bac kste p p i n g c o n t ro l      F i gure 7  i l l u s tr ate s  the res po n s es  o f  t h e i n je c t ed curre n t   a n d   the   gr id v olta ge , w h ich i t s R M S va lue i s   1A . A c c o rdin g   to  t h i s  fig u re ,  the  s ync hr o n i z a ti on m ode  i s rea c h ed un d er inte g ral ba cks t e p p i ng  c o n t ro l, w hic h   con f irm s   t he   e ffe c t i v enes s  o f   t he   c o n t r o l   strat e gy  a n d  t h e  P LL  bl oc k.  T h i s  a c hie v e d   p er for m anc e   t ha t   re fl ec t s   the  c o n d i t i on  o f   P F C   i s  he l p f u l  to  f u l fi ll  t h e   grid-c o nne cte d   c on di t i on   o f   VSI.  C o n t r oll e r  g a i n s  are :   K _e= 1 2  and  K _ i=0.2.           F i gur e 7.  G r i d vo lta ge ( ch 1)  a nd t h e  i n j e cte d  c urre nt   i g (c h4 )  under   in tegra l   b ac kste p p i n g c o n t r o l       4.2.    C o mp arati v e  Exp erime n t al  R esu l ts  To   s ho w  th e   imp o rt an c e   o f  t h e  p r o p o s ed   i nt eg ral   ba ck st e p p i ng   c o n t ro l,   a   c om par a t i ve   e xper i m e nta l   tes t s  betw e e n   t his   la t t er   a nd  a  P I   c on t r ol  s y s t e m  ar e  ex pose d   i n  t h i s   s ec ti o n .  For  t h is  p urp o s e ,  th e   bac k ste p pi n g  c on t r o ller   bl ock   is  s ubs t itu ted  by a   P I  c o n tro l   s y stem  bl o ck.   F i rst l y,   t he  b lo ck  o f  P I   c on tro l l e r  is  i na pt   t o  re gu l a te   t h e   g r i d   c urre nt   u nd e r   t he   s i n usoi da l  re fer e nce ,   it   n ee d   t h e  gr i d   v o lta ge  f e e d  forw a r d,   w hic h   can  b e   cons ide r ed  as  d ra wb ac k   fo r  th e  g r id -con n ect ed  a p pli c at ion   and   whi c h  l ead   t o   dou bt   c on c e r n i ng   t h e   l i n ea rit y   o f   t he  c o n tr ol ler  i n   t his  ca se .  O n   t he   o t h e r   h a n d,  t o   a c c e s s  th e  tran si e n t   resp on se  o f  t h e  PI  b lo ck   c ont ro lle r   a g a inst  t he  b ac kste p p i n g  con t ro l l e r ,  the  c u rre n t   r e f e r e n c e   i s  v a r i e d   a s  a  s t e p .  U s i n g  P I   c o n t r o l   s y s t e m  b l o c ,  a n d  un der   the   sam e   c ond it i ons,   th e   in j e c t e d   g ri d  curr ent  a n d  th e   u n fil t e r ed  v olta ge   o ut put  o f   t h e  V S I  w i th  t he ir   F F T   s pec t r u m s   a re  ill us t r ate d   i n  F i gur e  8.   I t  ca n  be  n o t ed  t ha t,   c om par a t i ve l y   w it h  the   i n tegr a l   b a c k st e p p i ng   c on trol,  the   TH D   is  i ncr ease d ,   a nd  th e   des i red  i n j e cte d   c urr e nt  v a l u e   i s  less  prec ise ,   w hi c h   i s  c ons id ere d   a s  a  we a k n e s s   o f   t h e  c o nt ro l   sys t em  robustn e ss for  the  g r i d -c onn ect ed  VSI.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       D e sig n  a nd im plem e n ta ti o n  o f  no n l i n e a r i n te gr al   b a cks tep p i n g c o n t r o l st ra t e gy  for.. .   (Mous sa Re dd a k )  25    (a)   (b)    F i gure   8.  (a )  The un f il tere d v o l t a g e  out p u t o f  the  i n v er ter  (ch 1)  a n d   i n j ec te d gri d   c urre nt (c h4); (b)   FF T  spec trum ,  unde r P I  contro l       F i gure  9  gi ves   the   gri d   v ol ta ge  a nd  t h e  i n je cted   c urr e n t;  it  c a n  be  s ee n   tha t   t he   P F C   c on d iti on   i s   respe c te d,   t he  i n j ec te d  gr id   c urr e nt  i s   n o t   p erfectl y   p re ci s e   ( 213. 1mV )   a g a i n st  i nte g ra l   bac k ste p pi n g   c o n tro l   (210.2m V ) .           F i gure   9.  T he  g ri d   vo l t a g e ( c h1)  a n d  the  i n j e c ted  curre n t  (c h4)  u nder   P I  con t r o l       A l so,  a c c o r d in g  to  F ig ure   1 0   t ha t   g i ve s  t h e  gr id  c urren t   r e s pon ses  of  P I  co nt rol   sy st e m   a nd   i nt e g ra l  bac k ste p pi n g   c on tro l ler,   i t  ca n  be  s ee n  tha t   u n d er   t he   l a t te r  i n   Fi gu re   1 0 ( a),  t h e  t r a n si en t   re sp on se   o f   th e   in j e c t e d   c ur rent  i s  mor e   r a p id   c ompa rat i ve ly   w ith   t he   P I  b l ock   in   F ig ure   10( b),   and   t h e  gri d   i n j e c t ed   c urren t   in t he  case  of  i nte g r a l ba c k s t e p p i ng  co n t ro l re ac h e s t h e  ma gnit ude  s t e p re fer e nce   w ith i n   s ome   m i l l iseco n d s.   Re ga rdi ng  the   e x p e rim e nta l   r esul ts,   an d  i n   t e r m s   o f  c o mpa r ison,   i t   c a n   be   c on c l uded   t h at   t h e   pro pose d   i n t e g ra l   bac k s t ep p i n g   co n t rol   de si gne d  f o r  t h e   gr id-c o n n ecte d   V SI   o wns   exc e l l e n t   pro p e rties  i n clu d i n g   robust   c ont ro l   p e rfo rman c e ,   a c c e p t a bl e   THD  ra t i o   t h a t  a n d  t h e  m a i n   f e a t u r e   is  t he   r a p i d   d y n a m i c  o f   the c u rre n t   i nje c ted i n to  t he  g r i d.          (a)   (b)    F i gure  1 0 . G rid vo l t a g e  (ch 1 )  and  grid  c urr e nt r esp o n s e s  w it h v ar i a tio n  of  the  g ri d cur r ent r e fe renc e  (ch4):  (a)   un der   in te gra l   b ack ste p pi n g  c ontr o l  (b)  un de r P I   c ontro l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     19  –   26  26 5.   CONCL U S ION  I n   t hi s  p a pe r,  a   n on l i ne ar  c on tro l   s tra t e g y  based   on  i n tegra l   b acks t e p p i ng   t ec h n i q ue  f or  g r i d- con n ec ted  V S I   i s   d e s i gne d  a nd  im p l em ente d  o n   D S P   board.   Thi s   c o nfigur a t i on  c i rcu i t  w ith  t he  p ro pos e d   con t ro l l er  i s  de si gna te d  for  d i stri bu t e d  p o w e r  ge nera tio n  of  a   rene w a ble  e n e r g y   s o u rce ,   a nd   t o  o v er co m e   t he  sinus o i da l  re fe r e nce   trac k i n g .   The  sta b i l i t y  of  t he  c o n tro l   s ys tem   is  v eri f ied  by  L y a p u n ov  the o ry  p roc e dure ,   and  the   d ynam i c m odel  o f  t he   V S I  is w e l l   d escrip ted  an d ve rifie d  also  u nd er  t he  c on t r ol  s y s tem .   Base d   on  the   e x p e r i me nta l   r esu l ts,  the   pro pos ed  i nte g ra l   ba c k st e ppi ng  c o n t rol   can   i mp ro v e   t he  perform ance   a nd   r o bus tne s s  of  V S I   s ystem ,   w it h   a  go o d   s i nus o i da l   reference  trac k i ng.   Mo re ov er,  t h e   ra pi d  dy nam i c   t r a n si ent  resp o n se  o f  the  i n j e cte d   c urr e nt  i s  nee d e d   f o r   t h e   c l e a n  d i s t r i b u t e d  p o w e r  e n e r g y ,  w h i c h  i s   c o nsid e r ed   a s  a   f e at u r e   of   t he   a p p l i e d   c ontro l   st ra t e gy .  A l so ,  t h e   cu rre nt   h a r mo ni c   di st o r t i on   r a t io   i s  wel l   am eliora ted  an d  t h e   pr oc ess o f   g rid c u rren t   i njec tio n  i s   s tric t l y  r espec t e d  u nder   t h e  con d itio n o f  PF C .      REFE RENCES   [1]   E.  K outro ulis  e t  F .   B l aabj e rg ,  “ M e t h o d o l o g y   f or  t he  o p t imal   d es ign  of  t rans f o rm erles s   g rid - conn ected   P V  inverters ,”   IE T Po wer E l ectr o n . ,   vo l. 5 , no   8,  p.   1 4 9 1 , 20 1 2 .     [2]   M .   R ed dak,   A .   Berdai ,   A .   G ourm a ,   et  J .   Bo uk hero uaa,   “ A n   I mp rov e d  Co nt rol   S t rat e gy  us in g  RS C  o f   t he  W ind  Turbine Based o n  DFI G  f o r Grid   H arm o n i c  Current s  M i ti gatio n. ”  IJR E R ,   M a rch,   v ol   8 ,   n o 3 ,   20 18.  [3]   S .   S harm a  et   B .   S i ngh,   “ Co nt rol  of   p erman e nt  m agn e t  s ynch r on ou s   g enerato r -based   s t a nd -alon e   w i n d   energ y   con v ersi on  sy s t e m , ”  I E T  Power  El ectron . ,  vo l . 5 , n o 8 , p .   1 5 1 9 , 2 01 2.    [4]   Y.  W .  K ean,  A .   R am asam y ,   S .  Su kum ar,  et  M .  M a rsadek ,  “ A da p t i v e  Contro l l ers  f o r  E n h a ncem ent   of   S t a nd-Alo n e  Hyb r id  S ys te m  Pe r f or ma n c e , ”  In ter n a t io nal Jo ur na l of Power   Electr o n i cs  and   D r i v e  Sys t em ( I JPED S) ,   v o l .   9,  n o 3,  p.   8 ,  201 8.   [5]   A .  P a n d a ,   M .  K .   P a t h a k ,   e t  S .   P .  S r i v a s t a v a ,   “ A   s i n g l e  p h a s e  p h o t ov oltai c   i n v erter  con t rol   for  gri d   c on nect ed   sy st e m , ”  S pri nger,   S adh a na,   v ol.  4 1 ,   n o   1,  2 01 6.  [6]   I.   S e tiaw a n,   M .   F acta,   A .   P r i y adi ,   e t  M.   H .   P u rnom o,   “ In vestig a ti on   o f   S y mm etrical   O ptim um  P I  Con t roller  bas e d   on  Plan t  an d  F eed back  Lin earization   i n  G rid- Ti e  Inv erter S y ste ms ,”   IJRER ,  vol7,  no   3,   2 0 17.  [7]   H.  A t t ia,  “Evaluation  of   S e l ectiv e  Harm on ic  E l i m i na ti on   P u l s e   W idth   M o dulatio n  Tech niq u e  f o r  U n ip o l ar  S i ngle- P h as e  H-Bri dge  I nv e r t e r:  C o m parat i ve  S tud y , ”   Int e rnational  J o urnal  o f  P o we r  Electroni cs and Dr ive  Syst em  (I J P ED S ) ,   vol.  9 ,   n o  3,   p .   9 ,   2 018.   [8]   S.  S a limin,   S.   A .  Zulki f li,  e t  M.   A r m stron g ,   “ Re du c t io n  in  C urr ent   T H D   of   G rid   P a ra l l el  I nvert ers  Using  Rand om ized   P R  Co ntrol, ”  Inter n a tio nal Jo ur n a l  o f   P o wer   Elect ro n i cs  an d  Drive Sys t em   (IJPED S ) ,  v o l.   8 ,     no   1 ,   p .   290,   2 017.   [9]   R.  T eod o res c u,  F .  Blaab jerg,   M.  L iserre,  et   P .  C.  L o h ,  “ Propo r t i onal- r esonant cont rollers  and   filt er s f o r gr i d - con n ected  vol t a g e-s our ce con vert e rs , ”  IE EE  Proc.   -  E l ectr .  Po w e r ,   v o l.   1 5 3 ,   no  5 , p .   75 0, 2 00 6   [10]   J.  A .  Cort ajarena,   O .   Baram bon es,   P .   A lk ort a ,  et   J .  D e   M arcos ,   “ S lid i n g   m o de  c o n t r ol  o f   gri d -tied  si ngle-ph ase  in verter  i n  a  ph o t ov olt a ic M PP T app l i catio n , ”  Sol.  Ener gy ,  v o l .  15 5 , p.   7 9 3 - 80 4,  2 01 7.  [11]   S.  S a limin,  S.  A .  Z u lki f li ,  et  a l   M.  A r m stron g ,   “Reduction  in  C urrent   T HD  of   G r i d  Paral l el  I nverters   Usi ng  Rand om ized   P R  Cont ro l , ”  Inter n a t i onal  Jou r n a l  o f   Power  E l ectron i cs   a n d  D r i v e  Sys t em  ( I JPE D S) ,   vo l.  8 ,  n o   1,   p .   29 0,   M ar  201 7 .   [12]   K.  R a m e s hk um a r ,   V.  I n d r a g a n dh i,  K .   Pa la n i sa my ,  e t   T .  Arun ku m a ri .   “ M od el  P red i cti v e  Current   C o n t r ol  o f   S i ngle   P h as e S h u n t  Ac tive  Po wer Fi lt er,”  En erg y  Pr oced ia , v ol .  1 1 7 , p . 6 5 8 -6 6 5 , 20 1 7 .   [13]   S .   N   e t  al  C .  Lak s h m in a r ay ana,  “ P e rf o r m a nce  E n h a ncem e n t   in   A cti ve  P ower  F il ter  (APF)  by  FPGA   Impl e m entation, ”  Int e rn at ion a l Jour na l of  Electri cal   a n d  Comp utin g En g i n eeri n g   ( I JE CE) ,   v o l .  8 ,   n o  2 ,     p .   6 89 ,   20 18 .   [14]   T.  T hacker,   D .   B oroy evi c h,  R .  Burg os,   et   F .   W a ng,  “ Ph ase-Locked   L oo p  No is e  Red u ct ion   v i a  P h a s e  Detector   Im pl e m entation  f o r  Sing l e -Phase  Sys t e ms,”  I E E E  Tran s.  In d.  Ele c t ro n , vo l .   5 8 ,   no   6 , p.   24 8 2 -2 49 0,  2 01 1.   [15]   M.  A o u r i r ,  A.  A b o u l oi f a , I .  L a chk a r, A. Ha m d o u n ,  F .   G iri,  e t   F.   C un y,  “ Nonli n ea r Co ntr o l  of  P V   S y st em Co nnect ed  to  S i ngle P hase  G r i d   t h r oug h Ha l f   Bridg e  Po wer  In vert e r ,” IFAC- P a p., vo l . 50 ,   n o   1 ,   p .   74 1-7 4 6 ,  2 0 1 7 .   [16]   R.-J.   W a i,   C .-Y .   L in ,  H. - N .  Hu a n g,  e t  W . -C .  W u ,  “Design   o f   b ack s t ep pi ng  co nt rol   f o r  h i gh -perform an ce  in verter   with  st a nd -a l o n e   a nd   g ri d-co nnect ed  p ow er-sup p l y  mo des, ”  I E T  Pow e r  El ect r o n ,   v o l. 6 ,   n o  4 ,  p . 75 2 -7 62 , 20 1 3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.