Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   12 ,  No.   1 ,  M a r 202 1 , p p.  499 ~ 51 0   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v12.i 1 . pp 499 - 51 0          499       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Hardw are   in   the   loop sim ula ti ve set up for testi ng the c om bined  heat   po wer gen eratin g w ind turbi ne       Iho r  Shch ur 1 , Vsev ol od  S hc hur 2 , Ihor  Bi ly ak ovskyy 3 , My kh ailo K h ai 4   1,3,4 Depa rtment   o f  Elec tro mecha tr onic s   and   Comp ute ri ze d  Elec tro me ch ani c al Sys te ms,  Inst it ut e  of   Pow er  Engi ne ering  and  Contro l  Sys t em s, Lviv   Polytechnic Nat ion al  Univer sity ,  Ban der a ,   Ukrai n e   2 Mita - T ekni k  Ltd., L viv ,   Ukra in e       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J un   1 1 , 2 0 20   Re vised  Jan   1 , 20 21   Accepte d  Ja n   22 , 2 0 2 1       Thi s  pap er  d esc r ibe s  th e  design   and  i mpl e me nt ation  of  h ard ware   in  th e  loop   (HIL)  sys tem   ba sed  on   indu ct ion   mo tor   wind   tur bine  em u lator   fo r  th e   study   of  the   op era t ion   of  a  co mbi n ed  hea t - power   (CHP )  gene rating  w ind  ene rgy   conve rsion   sys te m   (W ECS).  T he  ene rgy   g enerat ion   pa rt   of   t he  WE CS   consists  of   two   spec ially   design ed  g ene r at ors   th at  ar e  p lace d   on   a   com mon   ver tical   axi s,   which  is  conn ecte d   to  the  inductio n  mot or  through   a  ge arb ox.   The   first  g ene r a tor  is  an  e lectr i c   two - arm a ture   a xia l  PM SG   and  the   sec ond   one  is  a  th ermal   el e ct rom agne t ic   ret ard er.   The   sof twar e  par t  of  th e   HIL  setup   simul ates  th e   intera c ti on   of  the  wind  flow  wi th   a  v ert i ca l   axi s  wind  turbi n e   (VA WT )  and  is  i mpl e me nt ed   in   a   progr am m able  logi c   cont rol ler  base d   on   the   mod el   d evel oped  in  the   MA TL AB/S im ul ink.  The   r esult s  of  e xper imental  studie s  of   the  C HP   WE CS   wi th   th e   cr ea t ed   HIL  si mul a ti ve   se t up  a t   both   consta nt   and  tur bule nt  wind   spe eds  have  show n  good  agr ee m en t  with  the  cor responding  r esult s  of  co mpu te r  simu la t ion.   The   cr eate d  HI L  simul at iv e   setup  wil l  b e   used  for   th e  d evel opme nt   of   an   en erg y  ma nag eme nt  sys te m   for   CHP   WE CS .     Ke yw or d s :   Ele ct ro ma gnet ic  h eat   generato r   Hardwa re   in   the   loop  simulat or   Perma ne nt ma gn et   sync hrono us   gen e rato r    Ver ti cal  ax is  wi nd  t urbine     Win d  e nerg y  c onve rsion s ys t em    Сom bin e d heat - pow er  gen e rati on   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Ihor S hchu r   In sti tute  of P ower  Enginee rin g  a nd Co ntr ol  Sy ste ms   Lviv   P oly te ch ni c N at ion al  Un iversity   Ba nd e ra s tr . 12, L viv ,  79 013,  Ukraine   Emai l:   ihor.z.s hchu r@ lp nu. ua       1.   INTROD U CTION     Re new a ble  e ne rgy  de velo pme nt  rates  ar e  ste adily  i nc reasin g  in   ma ny  co untrie s.   Win d  powe r  gen e rated   by  hi gh - po wer   wind  tu rb i nes  ( W T)  occupies  a  promi nen t  pla ce  in  this  proc ess  [ 1].  At  the   same   ti me,  low - po w er  ( up  to  10  kW)  wind  e nergy   c onve rsi on   sy ste ms  (WEC S)   wh ic h,   as  a   ru le ,  sta nd  al on e  ar e   now  becomi ng   more  wi des pread  [ 2 ] ,  [ 3].  S om e  c onsume r s  us e  th em  f or   powe r  sup ply  in  the  a bs e nc e  of  centrali zed  power   gr i ds   or   i n  the  pr ese nc e  of   t he  la tt er  for  ad diti onal   powe r  sup ply  in  orde r  to  r edu ce   el ect rici ty co ns umpti on from  a  gri d, imp rove  en e rgy  e ff ic ie ncy an d   e nsure  uninter rupte d powe r  s upply.     Lo w - ca pacit y  WTs  are  i ns ta ll ed  directl y  ne ar  co nsumer s  wh e re  wi nd   is  mainly  c har act erized  by  lo w   aver a ge  s pee ds,  f reque nt  gusts,  c ha ng e  of   directi on,  and  hi gh   t urb ulence.   Th e  locat ion  an d  s pecifi c   char act e risti cs  of   t he  wind  ac count  for  the   sign ific a nt  di ffe ren ce   bet wee n  lo w - pow er  WT`s  str uctu r es  an d  tradit ion al   hi gh - powe r  ones,   in  par ti cula r  at   the  us e   of   W Ts   with   ver ti cal   a xes   of   r otati on  (VAWT)   [ 4].   These   VAWTs   wor k  eff ect ivel y  with  gusty   winds,   const antly   pe rc ei ve  winds   of   diff e re nt  direct ion s ,  a nd  sta rt  at   low  wind  sp ee ds  than ks  to   the   di rect  ( gear le ss )   dri ve   of  a   lo w - s pee d  pe rm anen t   ma gnet   sy nc hro nous  ge ner at or  (PMS G)   [ 5] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   499   –   51 0   500   In  sta nd - al one   W ECS,   due   to  the   st och as ti c  natu re  of  el ect rici ty  ge ne rati on  a nd  c on s umpti on,   el ect ro che mica l  batte ries (B)  are  mo st   c om monly   use d  to  en s ur e   the   po w er  s uppl y  a nd b et te r  us e   of   ge ner at e d  el ect rici ty  [ 6].  Howe ver,  t heir   hi gh  c os t   an d  relat ively   l ow  li feti me  si gn i f ic antly  i ncr eas e  the   total   cost   of   a   WECS - base d  a utonomo us   po wer   s uppl y  s yst em.  To   save   money ,  we  can   reduce  t he   ca pacit y  of   t he  i ns ta ll ed  Bs;   as  a   res ult,  th e  a mou nt  of  gen e rated   e le ct rici ty  that  cannot   be   dire ct ly  c on s um e d  or   acc umulat ed  will   increase.   T his  dump  e nerg y  i s  ei ther   lo st  by  re duci ng  t he  VAWT   po wer  ge ne rated   or  i s  util iz ed   by   loadi ng   the  ge ner at or   on  t hermoelec tri c  he at ers.  T he   la tt er  are   place d  i n  a  hot - water  boil er  us e d  to   heat   bu il di ngs   an d  for  hot  water  s upply   [7].   WE CS  that  produc es  el ect rical   and   ther mal  ene r gy   ca n  be  cal l ed  a  co mb i ned  heat - powe r  (C HP)  ge ner at in g o ne.   In  the  know n  CHP  WECSs ,   heat  is  obta ined   f rom  el ec tric it y  al ready   ge ner at e d.   T he  heat  fl ow  capaci ty  th us   l imi ts  the  per m issi ble  powe r  of   the  el ect ric  gen e rato r.   A  ne w  al te rn at ive  so luti on  is  to  us e  i n  WECSs ,  in   a ddit ion  to   the  t r aditi on al   P M S G,  a  heat  gen e rator  that   will   trans form   the   mecha nical   en ergy  of  the  WT   directl y  int o  the rmal  energ y,   bypass ing   t he  inter me diate   el ect rical   li nk   [ 8 ] ,  [ 9].  The  heat  ge nerat or   is   an  el ect r om a gnet ic   de vice - re ta rd er ,  in   w hic h  the  e dd y  cu r ren ts  ge ner at e d  in  t he  ro t or   arr a y  by   t he  m agn et ic   flu x  pr oduce d  by  an  e xcita ti on   windin g  duri ng   r oto r   r otati on ,  e nsure  i ts  heati ng.  T he   ge ner at ed   he at   is  trans ferred   to   the  water   that  i s  pe rio dical ly  pump e d  into   a  heat  c ollec tor.  The  sp eci al   he at   ge ner at or  is  mu c h  simpler  a nd  ha s  a  sig nificantl y  higher  s pecif ic   power  c omp ared   t o  the   el ect ric  on e ,  a nd  he nce  it s  lo w  c ost   [9].  Su c h  a  so l utio n  has  se ve ral  adv a ntage s - e nhanci ng   t he  f unct ion al it y  of   CHP  W ECS,  i ncr easi ng   it s  e nerg y  eff ic ie nc y,  a nd  re duci ng   the   total   c os t  due  t o  t he   possi bili t y  of  not  us in g  Bs   [ 8].  The   e ff ic ie nt   oper at ion  of   CHP  W ECS  r equ i res  the  de velo pm e nt  of  a  ded ic at ed  e ne rgy  ma nagem ent  sy ste m  t ha t  will   per f or m   the  functi ons  of  op ti mal  c on tr ol  of  po wer   extracti ng  f rom  the  wi nd,  el ect rici ty  and  heat  ge ner at i on   a nd   consu mp ti on,  a s w el l as  monit or i ng of e nerg y p r ocesses .   In  order  to   c ondu ct   ex pe rime ntal  rese arc h  i n  t he  a bove   dir ect ion s,   it   is   ne cessar y  t o  c re at e  a  s pecial   instal la ti on .  In  the   la tt er,  it   is  ad visable   to  rep la ce   the   mo st  dif ficult   aer odynamic   pa rt  of  WT  by  the   corres pondin g  simulat or.  Mu ch  w ork  has   be en  done   to   de velo p  su c h  t oo ls,  cal le d  em ulators   or  Ha rdw are - In - the - L oop  (HIL )  simulat ors  for  the  stu dy  of  WECSs  a nd  th e  dev el opme nt  of   c ontrol  s ys t ems  [ 10 ] - [ 14].   The y  are  disti nguis he d  by  the  de gree  of   e mu la ti on,  hardware  a nd  softwa re  s olu ti ons,  a nd   t he   purpose  of   re search   that wil l be  conducte d u sin g  t hese i ns ta ll at ion s.   In   al mo st  al l  s imulat or s   or  e mu la to rs,   wind   flo w  a nd  it s  interact io n  with  WT  a re  mat hemati cal l y  simulat ed.  Nea mmanee   et   al .  [10]  ha ve  mod el ed  the  wind  flo w  usi ng  the   Va n  der   H ov e n  s pect r um ,   an d  th e   tor qu e  rip ple c ause d  by t ow e r  eff ect   was  ta ke n  int o  acc ount . W T  wo rk   has  b ee n  sim ulate d by in du ct io n moto r   (IM)  w hose  t orq ue  has   bee n  co ntr olled  by   an   in ver te r .  A  feature   of  the  Win d  T urb ine  Em ulato r  ( WTE )  pr ese nted   in [ 11]  is  t he  sim pl e  model in g  of   t he  aer od yn a mic  chara ct erist ic s  of  the W T   usi ng   a   DC mo t or  with   separ at e  e xcita ti on   an d  a  seri es  powe r  resis tor.   S uc h  an  i mp le me ntati on  do es  not  requ ire  a  con t ro ll er   with   com plex   co ntr ol  al gorith ms,   bu t  t he  c har ac te risti cs  ob ta in ed  in   the   ope n  sy ste m   are   ve ry  cl os e   to  t he   real   char act e risti cs  of  the   WT .  In  [ 12],  the   DC   m otor  c on t ro ll ed   by  a   half - br i dge  DC - DC  c on ver te r   in   do ub l e - lo op   con t ro l  sy ste m   physi cal ly  pro vid es   the   an gula r  velocit y  of  WT  giv e n  by  t he  c ontrolle r .  Garg  a nd  Da hiy a  [13 ]   dev el op e d  t he   WT E  wh ic h  is  base d  on  a   DC  mo t or  dr iving  a  sel f - e xcite d  i nduction  ge ne rato r  t hat  is   pr act ic al ly  not   use d  in   ei the r   la r ge  or  s mall   W ECSs.   I n  [ 14],  the   la bo ra tor y - scal e   W T E  sim ulate s  both  the   op e rati on  of  t he  WT   with   a   w ound   r otor  inducti on  gen e rator  a nd  the   i nv e rter   co nnec te d  to   the   network.   Emphasis   is  placed  on  pro vidi ng  a  real - li fe   wind  s pee d  pr of il e  as   well   as   m od el in g  the   sta rting  of   WT   an d  it s  con t ro l  by a  pitchin g  mec ha ni sm.   In  rec ent   yea rs   [ 15 ] - [ 19],  the   te rm  "e mu la to r "  is  oft en   re pla ced  by   H IL   se t up  or  HI L   platf orm.   T hese  are  usual ly  cl os e d - lo op  s ys te ms  that  co ve r  both  hard wa re  an d  s of tw a re  pa rts  of  th e  sy ste m,  w hich  are   connecte d  t hro ugh  a   po wer  amplifie r   with   inter face   al go rithm.   In  the   pro po se d  s olu t ion ,   a   wind   ve locit y  prof il e,  WT  c ha racteri st ic s  an d  co ntr ol  sy ste ms  are  sim ulate d  by  the  HIL  sy ste m.  B y  usi ng   s uc h  H IL  s ys te m,   it   is  possi ble  t o  re pro duce  t he   act ual  op e rati ng  c onditi ons   of  W T`s   wor king  with   diff e re nt   ty pes  of  ge ne rators   in  the  la borat ory  e nviro nme nt .  In   a ddit ion ,   this  ap proac h  al lo ws  to  c onduct   othe r  in ves ti gations   direct ed  at   the  dev el opme nt  of  co ntr ol  s trat egies  of  W ECS,  s uc h  as   pitch  c ontr ol  a nd  M PPT   [ 16 ] ,  [ 18]   an d   te sti ng  of  wind tu r bin e  na cel le s f or ele c tric al  certi ficat ion [ 19].    This  arti cl e  is  about  creati ng  a  new   C HP   W ECS  s ta nd   with  H IL  sim ulati ve  set up  of  V AWT’s  wor k.  It  co ns ist s   of  t he  dr i ve  I M   t ha t  emulat es   the   V A WT  t orq ue   un der  the   act ion  of  the   wi nd  flo w   of  giv e n  prof il e  and   t wo   sp ec ia ll y  desig ned  gen e rato rs - a n  el ect ric  two - armatu re  P MSG  of   a xial  typ e  a nd   a  ther ma l   el ec trom a gn et i c  retard e r.   T w o  ge ner at or s  a re  place d  on  a   commo n  ve rtic al   axis.  Soft war e  par t  of   t he  H IL  simulat ive  set up,  w hich  si mu l at es  the  inte rac ti on   of  wi nd  fl ow  with   V A W T  an d  ge ner at e s  the  c orres pondin g   ref e ren ce  for  the  f reque ncy   c onve rter  that  c on t ro ls   the  I M  torque,   is  im pl emented  in  t he   PLC,  base d  on   t he  model  de velo ped  i n  t he   MATL AB/Si mu l ink  s of tw are.   This   m od el   e ns ures   the   e quivale nc e  of  t he   real   VAWT ’s  wor k  with  s pecific  par a mete rs  a nd   the  H IL  si mu l at ive  set up.  T he   ap plica ti on   of  the  c reated  sta nd  in  exp e rime ntal  r esearch   will   al low  t o  m od el   var i ou s   wi nd   conditi ons  wit h  the  possibil i ty  of  their   ide ntica l  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Ha r dw ar e - in - t he - l oop  si mu l at iv e setup  f or  t est ing  t he  c ombine d hea t - po we r g e ner ating  …   ( I hor  Shch ur )   501   rep et it ion  a nd   to   dev el op  e ff ect ive   fle xibl e  al gorith ms  of  ma na geme nt  of  powe r  f lows ,   pro vid i ng  t he   consu mer wit h el ect ric an d  th ermal e nergies.   To   ma ke   the   con t rib ution  of  t his  pa per  c le arer,  the   a rtic le   will   be   st ru ct ur e d  as   f ol lows :  t he  dev el opment   of  t he  hard war e   pa rt  of  the   sta nd  is  bri efly   hig hlig hted   in   S ect ion   2.  T he n,  the   de velo pme nt  of   the  software  pa rt  of   the  HIL   simulat ive  set up   is  intr od uc ed  in  detai l  in  Sect ion   3.   T he   ob ta ine d  sim ul at ion   resu lt s   ba sed   on  t he  MATL AB/Si mu li nk   s of t war e   a nd  e xp e rime ntal  re su lt s  obta ined   on  t he  sta nd  of  C H P   WECS  for  t he   modes  of  po wer   a nd  heat  gen e rati on  are   com pared  i n  Sect ion   4.  Fin al ly,  the  c oncl us io n  is   g ive n  in  Secti on  5.         2.   HARD WA RE  PART O F T HE STA N D   2 . 1 .    El ectric al  a n d h e at ge ne rators   The  PMSG   tha t  was  desi gn e d  an d  man ufact ur e d  f or   t he  study  of  th e  CH P  W ECS  sta nd   has   an   a xial   const ru ct io n.  It  co ns ist s   of  t w o  i den ti cal   a rm at ur es   bet wee n  w hich   th ere   is   a   ste el   dis k  r ot or  with   perma nen t  mag nets  pl ace d  on  bo t h  si de s  of  t he  disk  a s  sho wn  in   Fi gure   1 .   T o  el i minate   a   to oth  tor que,   the  ge ner at or   armatu res   ha ve   a  s moot h  (to oth le ss)   c on st ru c ti on .   T he  wind ing  coils   are   gl ued  to   the   s urf ace  of   the   la minate d  disk  yo ke.   The   same  na me  phase  windin gs  of  both   ar matu res  a re  set   f or t h  in   ph ase   a nd  co nnect ed  i n  series.   The para mete r s of the  P M S G  are give n  i n  T able 1.           (a)   (b)     Figure  1. Tw o - armatu re a xial  PM S G man ufa ct ur e d  f or the  s ta nd :  (a)   first a rmatu re a nd  di sk   ro t or w it h  permane nt ma gn et s , (b )  sec ond ar mature       Table  1.   Para m et ers  of t he  P MSG   P a ra m e t er   V a l u e   R a t e d   p o we r  [ W ]   300   R a t e d   p h a se   v o l ta g e   [V ]   18   R a t e d   s p e e d  [ r p m ]   250   R a t e d  t o r q u e  [ N·m ]   1 1 . 5   N u m b er   o f   p ai r s  o f  p o l e s   12   P h a s e  w i n d i n g   r e s is t a n c e  [Ω ]   0 . 5 2 8   W i n d i n g   i n d u c t a n ce   [H ]   0 . 0 0 1 1   F l u x   l i n k a g e  b y   PM  [ W b ]   0 . 0 5 9 4       In  our   pr opos e d  ro ta ti ng  el ec trom a gnet ic   tr ansfo rmer  of  mecha nical   en ergy  i nto   heat  (ET M E H)   a s   sh ow n  in   Fig ure   2   [ 8],  t he  fi xed  in du ct or  1  has  t he  ci rc ul ar  placed  ste el   te et h  2,  on  w hich  t he  c oils  3  a re   arr a ng e d.  To   increase   the  c r os s - sect ion al   a rea  of  the  ma gnet ic   ci rcu it   in   the  ai r  gap,  th e  te et h  are  e quipp e d  with  the  ste el   ti ps   4.  The  ste el   disk   5  is  fixe d  to  the   ve rtic al   ro ta ti on   sh a ft  6  of   the  V A WT  a nd   is  pla ced  at   minimu m  distance  f r om   t he   ti ps .  T he  thi n  la ye r  7  of   a  non - fe rroma gn et ic   mate rial   with  hi gh  el ect rical   cond uctivit y  (c oppe r)   is   ap plied o n  the surfa ce  of  the   dis k  5.  I f  the   coils  a r e  co nn ect e d  i n  serie s,  t heir  e nds  a re  tur ned  one   at   a  ti me  a nd  dir ect   cu rr e nt  fl ows  t hro ugh  t he   coils,   a  c on sta nt  ma gnet ic   flu x  of  al te r na ti ng   po la rity  will   be   cl os e d  th rou gh  the   dis k  body.  As  t he  disk  r otate s,  this  flo w  at   eac h  po i nt   in  the   dis k  bo dy  will   al ready  be  var i able ,  wh ic h  will   be  acc ompan ie d  by  t he  ge ne rati on  of  E MF  in  t he  disk  a nd,  acc ordin gl y,   e ddy  currents .  T he y  will   be   pa rtic ularly   sig nific ant  in   t he  non - fe rroma gn et ic   la ye r  on  t he  disk.  J oule   he at   from   eddy   cu rr e nts   is  a  posit ive  e ffec t  of  t he  E T M E H.  T o  us e   it ,  the   dis k  m ust   ha ve  good   th ermal  c onta ct   with  t he   coo la nt  li quid  8,   w hich  will   trans fer  heat   to  the  sto rag e   water  heater.   The   ETME H  is   pla ced  in   the   ho usi ng   9,   wh ic h  is  well  insu la te d  the rm al ly.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   499   –   51 0   502       Figure  2. The  s ketch o f  the  Е TМЕ H       A  mag nitu de  of  the   ge n e rated  heat  flo w  will   de pend   on  t he  ge om et r y  of  the   E PMEH  desi gn,  t h e   mag netiz ing   force  of  the  in duct or ,  wh ic h  ca n  be  c on t ro ll e d  by  cha ngin g  the  excit at ion  current,  t he  r otati on  sp ee d  of  the  di sk ,  a nd   it s  str uc ture.   T he  design   a nd  opti miza ti on   of  the  E TME H   pa rame te rs  wer e  ca rr i ed  ou t   us in g  t he  ANSYS  softwa re  for  fiel d  m ode li ng   by  the   fi nite  el ements  method  (in   thi s  case  ma gnet ic   and  thermal  fiel d) [20].   Accor ding  t o  the r es ults of  th e  cal culat io ns ,  the  e xperime nt al   prot otype   of   ET M E H   with  the  i nducto r   consi sti ng   of  20  te et h  with   th e  coils  was  des ign e d  a nd  ma nufact ur e d.   It  is  rated  for  a   the r mal  outp ut  power  of  1000   W  at   a  r ot at ion al   sp ee d  of   250  prm,  a n  excit at ion   c urr ent  of  2.0   A,  a nd   a n  e xcita ti on   wi nd i ng  volt age  of   12  V.  At   the   same  ti me,   25  W   of  el ect ric al   powe r   is  use d  f or  the   exc it at ion ,  th at   is,   the   ET M E H  rate d  eff ic ie nc y  is  not  lowe r  tha n  0.95.  The  oute r  diamet er  of   t he  in du ct or   yoke  is  340  m m,   it s  coil  heigh t   is  42  mm. The  b asi c  d esi gn eleme nt s o f  the e xperi mental  pr oto ty pe  a re show n  i n  Fi gure  3.             (a)   (b)   (c)     Figure  3. Ba sic  eleme nts  of th e d esi gn of the   ETME H  e xper imenta l p ro t otype: (a )  in duct or w it h 20 pole s , (b)  ro t or   with c op per surface  lay er, (c)  pro t otyp e assem bled       2.2.    H ardwar e pa r t of t he  WTE   To  imple ment  the W TE  hard war e , th e s qu ir rel cage IM of a rate d  po wer   of   1.5 kW  a nd   a rated  s peed   of  2860  r pm  w as  us ed .   T o  ma ke   it   co nfo rm   t o  t he   P M S G   a nd  E TME H   s pe ed,  a   w orm   ge arbo x  with   th e  gear  rati o  of  i = 12  w as  app li ed .  T he   con tr ol  f unct ion   of   the  IM   i s   assigne d  to  t he  f reque ncy   c onve rter  Le ns e   8200  Vecto r  with  a  powe r  of   1.5   kW,  powe re d  from  a   sin gle - ph ase  net work  of  220  V .  T he  c ho ic e  of  this   typ e   o f   fr e qu e nc y  c onver te r  is  du e  to  it  h avi ng the  opti on of  vecto r c on t ro l  of the  e le ct ro ma gn et ic  torq ue.   The  functi onal   schem a  of  t he   sta nd  f or  th e   CHP  WECS   study  i n  Fi gure   4   s hows  t ha t  the  W TE   include s  t he  I M ,   the   f re qu e nc y  c onve rter   F C  an d  the   w orm  gearb ox  G  t hat  c onnects   th e  I M  to   the   el e ct rical   PM S G  a nd   t o  t he  heat  ge ner a tor  ET M E H.   A ll   con tr ol  f un ct ion s  i nclu ding  WTE  c on t ro l  a re  impleme nte d  by  the  PLC.   F or  this  purpose ,  it   con ta in s  on - li ne   w orkin g  s ubr ou ti ne s  f or  s ha ping  the   tu rbul ent  wi nd  s peed  vw,   corres pondin g  to  th e  value   of  the  mecha nical   W T  t orq ue  T WT,  as   well   as   the   c orrespo ndin g  refe re nce   of  the   M I   tor que  T *.  To  cal c ulate   th e  la tt er  two,  th e  an gu la r  velo ci ty  of  WT  is  r equ i red.  An   i nductio n  pulse   s ens or   IP S  meas ur es  the IM  sp ee d b y op e rati on du r ing  eac h  a ppr oa ch of  t he blad es of a c ooli ng  fan. T he pu lse s  f r om  IP S  go   t o  a  pulse   input  of   t he   PLC  w hich  by   i ts  own  pro gr a m  pe rforms   dig it al   filt erin g  an d  cal c ulate s  the  angular  v el ocity  of P M S G bas ed on t he gea r rat io i.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Ha r dw ar e - in - t he - l oop  si mu l at iv e setup  f or  t est ing  t he  c ombine d hea t - po we r g e ner ating  …   ( I hor  Shch ur )   503   The   sta nd  al s o  inclu des   to ols   that  pro vid e   va rio us   possibil it ie s  for  ge nerat ing   a nd  stori ng  el ect rical   and  the rmal  e ne rgy,  as  well   a s  ma nag i ng  the   flo ws   of  t hese   ene rg ie s .  T he   el ect rici ty  ge ne rated  by  t he  P M S G  can  be  st or e d  i n  an  el ect r oc he mica l  batte ry   B  that  is  conn ect ed  to  the  P M S G  ar matu re   windin gs   via  a  diode  br i dg e  VD   a nd   a  DC - DC 1  tra ns ist or  boost   conve rter.  T he  DC - DC1   c on t r ols  the  po wer   t ran s mit te d  to  the  B.  In   a ddit ion ,  po wer   ca n  be  ext racted  f r om   th e  PMSG  a nd  c onve rted  to  he at   wh e n  the  t he rm oelect r ic   he at ers  TEH  a re  c onne ct ed  to  t he  a rmatu re  winding  an d  placed   in  a  sto ra ge  water  heater.   The  heat  ge ne rati on  capaci ty  ca n  be   re gu la te d,   f or  e xam ple,  by  per i od ic al ly   co nn ect in g  the   T EH  t o  t he  tria c   switc he s  T VR   [ 21].  The   re gu la ti on   of   the   the rmal   fl ow  gen e rate d  by  t he   ET MEH   is  acc ompl ished   by  varyi ng  the   c urre nt  in  it s   excit at ion   windin g by mea ns   of the  DC - DC 2  c onve rter.   Figure  5  s hows  pi ct ur es  of the c reated sta nd.   A numbe r of st ud ie s  w e re c ondu ct e d  to  d et e r mine the  basi c  par a mete rs of t he  c reated sta nd.   The  t orq ue  of  dry   f rict ion  on  t he  IM  s haf t   Tс.s (IM)  is  de te rmin e d  by  means   of  mea su ri ng  by  a   dynam om et e r  the  f or ce  F  ap pl ie d  to  a  threa d  w ound  on   t he   cylindri cal   su r face  of  the  c ouplin g  with  a   rad i us   rm = 0.05 m.  A s  a r es ult, Tс .s(I M ) = F rm = 1.03 N·m.     The  mec ha nic al   char act e risti cs  of  t he  sta nd  durin g  it s  i dle  str oke  we re  ob ta ine d  th anks  to   the  po s sibil it y  of  measu rin g  t he   r otati on al   s pe ed  of  the   I M  and  the   el ect r om a gn et ic   t orqu e   giv e n  to   i t  by  the  fr e qu e nc y  c onver te r .  A s  a  r esult,  the  value  of  the  c oe ff ic ie nt   of   vis cous  f rict ion   on   t he  I M   s ha ft  of   bs ( I M ) = 0.001 3 Nm ·s was  det ermine d.   The   m om e nt  of  i ner ti a  of  t he   sta nd   relat ive   to  t he  I M  sh a f t  Js( I M )   was   de te rmin e d  by   the   At woo d  machine   meth od - m otio n  unde r  t he   act ion  of  a   lo ad .  To   e xclu de   f rom  t he   cal culat io n  the   f rict ion  f orce,  it   is   necessa ry   t o  c arry  ou t  tw o  e xp e rime nts  wit h  tw o  diff e re nt  loads   [ 22].   Ea ch  of   t hem  wa s  hung  i n  tu rn  on  a   cord   thr own   over   the   blo c k  and  wou nd  on  the   same   s urface  of  the   c ouplin g  with   ra diu s   r m.   U nde r  t he  influ e nce  of   it s  weig ht,  the   load  was  dro pped  e ve nly   from  th e  hei gh t   h = 2.4 4  m,  w hile  the  ti me  of   it s   moveme nt  was   meas ured .  A fter  a  series  of  e xp e rime nts  an d  ave rag i ng   t he   resu lt s,  we  obta ined  t he  f ollow i ng :   for  a  loa d  of  m 1 = 4  kg,  the  l oweri ng   ti me  w as  t1 = 1.3 85  s,  for  a  loa d  of  m 2 = 6  k g,   t2 = 0.9 87   s .  T he  deter mined  values  of  acce l erati on s   we re  2 11 2 a h t = =  2.5 44   m/s2   a nd   2 22 2 a h t = =  5.0 1   m/s2   respec ti vely.   The  m om e nt  of  inerti a of t he  st and w a s e qu al   to 0.02 47 kg ·m 2  as  a r e su lt   of   the cal culat io n by the e xp res sion [ 22]     ( IM ) = 2 2 ( 2 ℎ − 1 1 2 ) − 1 ( 2 ℎ − 1 2 2 ) 2 − 2 − 1 − 2   (1)           Figure  4. F un ct ion al  sc hema  of the  stan d for t est ing   of CH P  WECS     P L C φ P M S G E T M E H i a i f * CS s IM VS А G PC QF FC I Р S T V R T E H VD v a B А А PA 1 PA 2 PA 3 DC - DC 2 220   V 12   V W T E T * DC - DC 1 i b * Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   499   –   51 0   504       Figure  5. Stan d f or  t he  te sti ng  of CHP  WEC S       2.3.    PLC  for  HIL sim ula tiv e setup   The  PLC  WP1 30   MK  I I  pro duced  by  M it a - Tek nik   Ltd  a s  sh ow n  in  Fi gur e  5   [ 22] ,   [23 ],   con t ro ls  the   exp e rime ntal  s ta nd .   T his  P L C  is  s pecial ly  desig ne d  to   c ontr ol  W Ts  with  a   rate d  pow er  of  up   to   1  MW.  It  include s  a  set   of   dif fer e nt  I/ O  cha nnel s  f or  bo t h  di gital   a nd   a nalo g  si gnal s.  This  ma ke s  it   po ssi ble  to   us e  the   con t ro ll er  as a  sta nd - al one  de vice ( with ou t a dd it io nal m odul es)  to c ontr ol less co mp le x  s yst ems.   With  t he   S of t war e   Dev el opment  Kit  c reat ed  by   M it a - Te kn i k  f or  the   M A TLAB/Si m ulink,  it   was   po s sible  to  c ompi le   the  Sim ulink   model  source  c od e  f or   t he  W P13 0  MK  I I  co ntr oller   platfo rm.   T o  do   t his,  on e   m us t  pre - set   blo c ks   of  input  an d  outpu t  va riables  in  the  model  that  will   li nk   M A TLAB/Si m ulink   al gorithms   to   the   co ntr oller  pro gr a m  va riables  a nd   th e  in pu ts/ ou t puts  o f  t he  i nte rf ace   cha nnel s .  T he   PEPT OOL  pro gr a mmin g  e nv iro nm e nt  the n  al lows   t he  c ompil ed   co de  t o  be   buil t  into   the  a ppli cat ion   for  t he   WP130   M K   II  con t ro ll er.   T hu s,  by  c reati ng   a  vi rtual   obje ct   of   the   c on t ro l   sy ste m   in   M A TLAB/Si m ulin k,  we   can  a pp l y  a  de velo p ed   an d  de bugged   al gori thm  f or  a  real  ob je ct   c on tr ol  sy ste m  base d  on   t he  M it a - T ekn i k  con t ro ll er.   To  ob ta in  t he  r esults  of  the  c ontr oller  W P13 0  M K  II,  as  we ll   as  to  de bug  t he  pr ogram ,  th e  con t ro ll er   op e rati ng  s ys te m  pro vid es   the   recordi ng  of  values  of  an y  var ia bles  f rom   the  data base  t o  a  file   in  real   ti me.   The reco r ded va riable  data ca n be  represe nted  as  w a vefo rm s or tab ular  v al ues.       3.   SOFTW AR E   PAR T  OF  TH E HIL SI M U LATIVE  SET UP   To  f orm  t he  I M   t orq ue  c ontr ol  la w   that   ade qu at el y  sim ula te s  the   V A WT   oper at ion  on  a   gi ven  wind  prof il e,  we  c on sider   t wo  el ect romecha nical   s ys te ms  as   s hown  in  Fig ur e   6 :  (a)   t he  VAW T  directl y  dri ve s  the   PM S G;  (b)  t he   WT E  with  t he   co ntr olled  I M  dri ves   the   P MSG  t hro ugh  t he   gea rbo x  with   the  gea r  rati o  і.  The  tor qu e   balanc e  of   the   ge ne rator’s   s haf t,   un der  the   c onditi on  of  t he  a bsolute   ri gid it y  of   mec han ic al   transmissi on, f or both  of the s e sy ste m s is  de scribe d by the  fo ll owin g  (2) :   -   f or  WECS  wi th VA WT     W T e m c d ω ω d T T T b J t = + + +   (2)     wh e re   T em   is  th e  el ect romag ne ti c  torque   creat ed  by  the   P M S G,   T c   is   the  t orqu e   of  dry   f ric ti on   i n  the   VAWT ’s  s ha ft, and  J Σ   is t he  total  mome nt of  iner ti a  of  t he VA WT  w it h t he  rotors  of  t he gene rato r;   -   f or the  stan d wit h WTE  ne gl ect ing  the  b ac klash  in mec ha nical  tra nsmi ss ion     IM е m с .s ( G ) s ( G ) s ( G ) d ω ω d і T T T b J t = + + +   (3)     wh e re t he  s ubs cript s (G) m ea ns   belo ngin g  t o  the  stan d rela ti ve  to th e  gen e rator s haf t.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Ha r dw ar e - in - t he - l oop  si mu l at iv e setup  f or  t est ing  t he  c ombine d hea t - po we r g e ner ating  …   ( I hor  Shch ur )   505       (a)   (b)     Figure  6. Sc he mes  of  elec tr ome cha nical  sys te ms: (a) W ECS, (b )  sta nd w it h WTE       Con si der i ng th at     с . s ( G ) с . s( I M ) T i T = ,  2 s ( G ) s ( I M ) J i J = ,  2 s ( G ) s ( I M ) b іb =   (4)     and  re movin g  from  ( 2)   a nd  ( 3)   T em ,  we  ob t ai n  the  t orq ue  con t ro l  la w  on  the  IM’s  s ha ft  w hich  will   pr ov i de   identic al  work  of the  WECS  a nd the  sta nd  with WTE si m ula ti ng  the   V A W T’s o per at io n:     ( ) ( ) ( ) 22 I M W T c с .s ( I M ) s ( I M ) s ( I M ) 1d ω ω d T T T i T b і b J і J it  = − − − − − −     (5)     Fo r   ver i ficat ion   t he  acc uracy   of  t he   obta ine d  i n  ( 5) ,   c omp uter   simulat io ns  of   the   el ect romecha nical   sy ste ms   of  t he   WEC S  a nd  th e  sta nd  with   WTE   sho wn  i n  Fig ur e   6  were  pe rforme d  in   MATL AB/Si mu li nk.   Also ,   the  simu la ti on   stu dies  sh owe d  th at ,  f or   t he  phys ic al   modeli ng  of  the  op e rati on  of  the  el ect ro - th ermal   W ECS   with   t w o - a rmatu re   P MSG   an d  the   ET M E H  with   the   above - me ntioned  pa rameters ,   it   is  fit  the   V AWT  with   rated   el ec tric   po wer  of  P el = 0.5  kW,   w hi ch  is   reache d  a t  a  nominal   wind  s pee d  of  V w.n = 10  m/s.   We   chose   a  th ree - blade   H - ro t or  V A W T  with  t he  ra diu s  r .   Its   ae r odynamic   c ha racteri sti c  С Р (λ) - de pende nce  of  t he   po wer   coeffic ie nt  on the  wind ti p spe ed rat io (TSR )   λ = ω   r / V w   was c hosen  as the  foll ow i ng for t hi s r esearc h:     6.0 λ P 9.47 ( λ ) 1.14 1 λ Ce −  =−     (6)     The  de pende nc e  ( 6)  pr ov i de s  the   ma ximum  value  of  P m a x C =  0.3 514  at   th e  opti mum  va lue  of  λ opt = 3. 67 5.   Th e  V AWT’s   pa r amet ers  for  t he   ex per ime ntal WECS we r e  ca lc ulate d  by  the   ex pr es sio n  as  sh ow n  in Ta ble 2.      е l . n W T . n Σ η P P = ,  W T .n 3 a P m a x w .n 0.5 P А СV = ,  2 A r = ,  o p t w. n n ω V r = ,  W T . n W T . n n ω Р T =   (7)     W he re   η = 0,8 5  is   the   total   e ff ic ie nc y  of  t he   P M S G  a nd   mecha nical   tra ns missi on,  A   i s  the   s wep t   are a  of   the   VAWT .   These  par a mete rs  we re  inc orporated  i nto   th e  com pu te r  m odel   to  cal culat e  the  curre nt  T WT   values  at   diff e re nt w i nd  sp ee ds  a nd d i fferent a ngula r v el ociti es o f  the  VAWT .       Table  2.   Para m et ers  of t he VA WT fo r  t he  sta nd of C HP   WE CS   W ECS   VAWT   P е l .n   [kW ]   P WT . n   [kW ]     А   [m 2 ]   r   [m]   ω n   [ rad/ s]   T W T . n   [N · m]   J   [kg · m 2 ]   0 .5   0 .58 8   2 .72 4   1 .41   2 6 .0   2 2 .6   14 .0       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   499   –   51 0   506   Figure   7  s hows  a   c ommo n  c omp uter   model  of  the   ge ne ral  c on t ro l   sy ste m  i mp le me nted   i n  M A TLAB/Si m ulink  with   the   connecte d  in put/ ou t pu t   ports   of  the   PLC.   T his  c on tr ol  s yst em  impleme nt s  the   wind  sp ee d  si mu la to r  ( Win d  Simulat ion),  the  V AW T  m od el   ( Wi nd   T urbine  S ubs ys te m),   as  well   as  the   su bsyste ms  of  opti mal  co ntr ol  of  t he  PMS G  loa ding   by  the  TE H  (Puls   Co ntro l   S ub s ys te m)   a nd  op ti mal  con t ro l  of   t he  ETME H  e xcita ti on   ( If  ET MEH) .  T he  m od el   has  s om e  I/O  po rts  in dicat e d  by  dif fer e nt   colo rs:  on e   discrete  i nput   po rt  ( blu e )   DI_Rot orFre q - the  pu lse   rate   of  t he  I M   s pee d,  tw o  a nalo g  ou tpu t  ports   ( yellow ) - AO_T orq ueSP_V   is  the  el ect romag netic   tor qu e  ref e re nce  of   the  I M   an d  AO_If _E P M E T_ V  is  the  exc it at ion  vo lt age   of  the   ETM EH ,  an d  one  disc rete  ou t pu t  port  (yel low) - D O _L oa dSwit chCo ntr ol  are  t he  pu l ses  of   con t ro l  of the  PM S G  l oad i ng by th e t hermo el ect ric h eat ers . Th e  main  d at a (av e ra ge  a nd  tur bu le nt w i nd   sp ee d,   init ia l  torque  for  fast  VAW T  sta rt)   e nter  the  gr ee n  port s  f rom  t he  P L C  pro gr a m.   T he  s ys te m   pr ovides   recordi ng in  t he  PLC me mor y o f  the  b asi c  va riables  ( V w,   ω ,  λ ,  С Р,   T IM ) b y  t he ora nge  ports.       4.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   The  a dequac y  of   t he  WTE  w ork  was  ver ifi ed  by   c ompa ring  the  resu lt s  ob ta ine d  e xper imenta ll y  o n  the  HI L   sim ulati ve  set up  with   the  a nal og ic al   resu lt s  of  c ompu te r  sim ulati on  i n  the   M A TL AB/Si mu li nk  of  the   op e rati on  of  t he  stu died V A WT wit h  t he direct - dri vi ng elec tric al  an d t he r mal ge ner at or s .     4.1.    P ow er  g e nera tion   Fo r   powe r  ge ne rati on  re searc h,  the   sim plest  co nfi gurati on  of  the   sta nd   w as  ta ke n  in   the   f orm  of  a   non - re gu la te d  PM S G   loa ding   thr ough  a   diode  br i dg e   to   the  B  with   a  volt age  of  13. 2  V.  I n  t his  cas e,  the   corres pondin g win dings  of th e two ge n e rato r  ar matu res we re  placed i n phase  and c onnec te d  in  series.     Stea dy   sta te   mo de s  of  W EC S’ s  work  at   th e  const ant  wi nd  s peed s  fro m   3  to  8  m/s  w ere  init ia ll y   inv est igate d.   C omparis on   of  the  res ults  obta ined  from  t he  c ompu te r  simul at ion   of  the  e xperime ntal  W E CS  in   M A TLAB/Si m ulink  an d  the  r esults  of  a   simi la r  stu dy  c onduct ed  i n  e xperi ment  as   the  wa veforms  of  the   basic  var ia bles  rec orded  by  t he  P LC  show s  tha t  the  ma ximum  de viati on  of  the  e xperim ental   res ults  from  t he   theo reti cal  o ne s does  not exce ed 10% .   To  te s t  the  a de qu ac y  of   WT E   op e rati on  in  dyna mic  m od es ,   a  WECS ’s  w ork  was  perfor med  i n  the  mode  of ele ct rici ty g e ner at in g at  turb ulent  wind spee d. T he  t est  w in d  s pee d was  modele d b y  the  exp ressio n     ( ) ( ) w w . a v e r w w 2 . 2 s i n ω 0 . 8 0 . 7 c o s 8 ω 1 . 1 V V t t = + − − +   (8)     W it h  an   a ver a ge  wind   s peed  of   V w .aver = 5.0   m/s  a nd  a   lo w er  ci rcu la r   fr e qu e nc y  of  wind  sp ee d  ch an ge   o f   w ω 0 . 2 4 2 π 6 0 =   s - 1 .           Figure  7. Ge ne ral co ntr ol s ys te m for ex pe rimental  r es earc h  im pleme nted  in MATL AB/Si mu li nk s of t w are a nd  relat ed  to  WP1 30 MK  II c on tr oller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Ha r dw ar e - in - t he - l oop  si mu l at iv e setup  f or  t est ing  t he  c ombine d hea t - po we r g e ner ating  …   ( I hor  Shch ur )   507   Figure  8  s how s  the  res ults  of   simulat io n  a nd  e xp e rime nt  a t  the  wi nd  te st  prof il e  (8).  Co mp a rison  of  these re su lt s s hows  their  h i gh  consi ste ncy ( m aximum e rror  do e s  no t e xcee d 15%).             (a)   (b)     Figure  8. Ba sic  v a riables  ob ta i ned by t he  sim ulati on   (a) a nd  for  the   ex pe rimental   WECS’ s work  with  HIL  simulat ive set up  (b) fo r  el ect ri ci ty g e ner at in g an d direct  c ha rg i ng of the  b at te ry  at t he  te st  tur bu le nt w i nd  sp ee d  ( 8)         4.2.    He at g e n erat i on   Ex per ime ntal  stud ie s  of  the  E TME H  ope rati on   with  the  HIL  simulat ive  s et up   wer e  perf ormed  in  a   cl os ed - lo op  s yst em  with  opti mal  co ntr ol  of   the   ex ci ta ti on  to   obta in   ma xi mu m   he at   at   var ia ble  wind  sp ee ds .   The  st ru ct ur e  of s uch a c on t rol  sy ste m is  sho wn in Fi gure  9.   As  a  res ult  of  t he  pr e vious  e xperime ntal  stu dies  [ 18] ,  the   de pende ncies  of  the  ou t pu t  t he rmal  power   of   ET M E H  (h e at   flu x)  P h   a nd   the  c orres pondin g  mecha nic al   tor qu e   T HG   on  t he  s haf t   of  t he  t her mal   ge ne rator  from   the   an gula r  velocit y  ω   a nd  the   e xcita tio n  c urren t   І f   w ere  ob ta i ned.  T hese  de pe nd e nc es  in   the   sim ul at ion  model are   pre s ented  i n  th e L ook - up - ta ble  i n Fi gure  9  t he dot te d  sec ti on si mu la te s the  ET M E H’ s  work .             Figure  9. Bl oc k diag ram of  th e ET M EH  cont ro l s ys te m       The   ET M E H   c on t ro l   syst em  has   tw o  st ru ct ur es   that   ca n  be   use d  in   diff e ren t   CHP   WE CS’s  m od es   (sw it che d  by   t he  ke y  S ):  1)   f eedb ac k  c on t r ol  subsyst em  with  a  powe r  con t ro ll er  PC  f or   sta bili zi ng   the  heat  flu x  acc ordin g  to  the  it s  ref e re nce  * h P ;  2)   fee dfo rw a rd  co ntr ol  s ub s ys te m   w hic h  f orms  a n  opti mal  ref e re nce  of   the  e xitat ion   c urren t   * f I   with  re gard  t o   t he  V A WT  a ng ular  ve locit y.   The   op t imum   de pe nd e nce  ( ) * f ω I   wh ic h  is  wr it te n  i n  the  c on tr ol  bloc k  OCB  is  obta ined   by  im po si ng  the  c urve  of  the  opti mal  VAWT  powe r   3 W T . o p t a Р . m a x w 0 . 5 ρ P А r С V =   on  the   ch arac te risti cs  ( ) hf ω, PI .  As   a  res ult,  the   f ollow i ng  de pe nd e nce  was   ob ta ine d     ( ) *2 f ω 1 . 4 4 2 1 0 . 0 7 7 8 2 ω 0 . 0 0 5 1 9 1 ω I = − +   (9)     The  a uto m at ic   con t ro l  of   t he  ETME H  e xcita ti on   c urren t  is  pro vid e d  in  a  c losed - lo op  co nt ro l  s ys te m   with  a n  e xcita ti on   c urre nt  c ontr oller  CC .  D ue  to   the   small   value   of  t he  e le ct ro ma gn et ic   ti me  co ns ta nt  of  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   499   –   51 0   508   excit at ion   windin g  e f f T L R = = 0.3 28  H  /  3.97   Ω = 0.0 82 6  s,   the  CC   has   a  pro porsi on al   struct ur e  with  the  gai n  of 50.     Іn   t he  PLC  as  sh ow n  in  Fig ure  7,  the  ET MEH  e xcita ti on   con t ro l  s ubsy st em  is  impleme nted  in  t he   blo c k  If  EP MET   based  on  the  str uctu re  s how n  in   Fi gure  9.   The   e xc it at ion   cu rr e nt   refe re nce  si gnal   is  transmitt ed  throug h  the  ADC  port  AO_If _EPMET _V.   Figure  10(a )  sh ows   the  obta ined  res ults  of  co mputer   s imulat ion  of  t he  e xp e rime ntal  WECS ’s   op e rati on  i n  t he   m od e   of  the r mal  ene r gy  ge ner at io n  us i ng  the  ET M E H   w it h  the   gi ven  w ind  spe ed   te st  prof il e  (8).   As   can   be  seen  from   the   ob ta ine d  ti me  dep e ndence s,  t he  op ti mal  c on trol  of  the   exci ta ti on   c urren t  of  the   ETME H  le a ds  to  su c h  mech anical   loadi ng  on   t he  s haf t  t ha t  prov i des  the   op ti m um   V A WT  a ngular  ve locit y  (from  20  s  to  180  s  a nd  f rom  210  s  to  3 40  s) .  T hat  in  tur n  e ns ures  th e  C P   value  cl ose   to  it s  maxi mu m ,  a n d  hen ce  t he  ma ximu m  t hermal   powe r  ge ne rati on  in  the  E TME H  r otor.  I n  a ddit ion ,  a  minim um   value  of   V AWT   angular  velocit y  of  10  ra d/s  was  set   in  t he   con t ro l  s ys te m.  T her e fore,  at   low  wind  s peeds ,  the   exc it at ion   vo lt age  ref e re nce  be gins  to   be  adj us te d  by   t wo - posit io ns - t urns  on   a nd   t urns  off  mainta inin g  th e  sta ble   minimu m  VAWT a ngular  ve locit y  ( from  18 0  s t o 2 10 s).   Figure  10(b)  s hows  i n  the  s ame  arra ngem ent  as  Fig ur e   10(a)   t he  simi la r  wa veforms   ob ta ine d  i n  exp e rime ntal  stud ie s  of   t he  C HP   WECS ’s  w ork  with  the  H IL  sim ulati ve  s et up   i n  the rma l  energy   ge nerat ion  mode. Com pari so n of  t he  ti me d epe ndencies  o f  the s ame va riables,  ob ta ine d  in the p hy sic al  an d  mat hem at ic al   exp e rime nts,   s hows   thei r  s uf fici ent  c onve r gen ce - the   e rro r  i n  t he   w orki ng  range   of  w ind  s peeds  do es  no t  exceed  20% .           (a)   (b)     Figure  10. Basi c v a riables  ob t ai ned   by sim ul at ion   (a)  a nd  for  the  experi me ntal WECS ’s work  w it h HI L   simulat ive set up  (b)  in  the  mode  of h eat   ge ne rati ng by t he  E TME H  at  t he  t est  w in d  s pee d (8)       5.   CONCL US I O N   The  c reati on  of  CH P  ge ne rati ng   WECSs   is   a  pro misi ng  a rea  f or  the  de ve lop me nt  of  lo w - ca pacit y  wind  power  th at   has  no t  yet  gaine d  e nough  popula rity .  T hi s  pap e r  pro poses  the  HI L   si mu la ti on  set up   for  the   study   of  C HP  ge ne rati ng  W ECS,  w hich   c on sist s   of  the   W TE   co ntr olled  by  IM  t ha t  dri ves   tw o  s pecial   gen e rato rs - el ec tric al   PM S G  a nd  the rmal  ET M E H.   Su c h  a   set up  ma kes  it   possible  t o  phys ic al ly  sim ula te   the   work  of  C HP   gen e rati ng  WE CS  in  dif fer e nt  wind  c onditi ons,  pro mp tl y  a nd  with   the  re quire d  re pro duc ibil it y.   This  al lo ws  c onduct in g  a  wide   range  of  re se arch   f or   t he  de velo pm e nt  of  c on t ro l  s ys te ms   of  opti mal  V AWT   loading   at   eac h  wind   s peed  by  eac h  of   the   ge ne rato rs,  as   well   as   syst ems  of  e nerg y  flo w  c ontr o l  f or  bo t h  gen e rato rs  with  a  gi ven   pri or it y  or   t he  re quired  powe r  ge ne rated  [ 24] .  A nothe r  pro misi ng  area  of   resea rch   for   the  de velo ped   set up   is  the  operati on  at   wi nd   s pee ds   that   exceed  t he  nominal  VAW T  rati ng.  I n  th is  case,   diff e re nt  act iv e  sta ll   c on tr ol   m et hods  [25]  are  re qu ire d  in   or der  to   li mit   the  powe r   that   the   VAWT   ha rv est s   from   the   wind.   T he   us e   of  C HP  ge ne rati ng  pr ese nts   ne w   oppo rtu niti es  to   increase   the   e f fici ency  of  W ECS  at   high  wind  s pe eds  beca us e  of  the  possibil it y  to  c onsume   t wo  ty pes  of  ge ner a te d  e nerg y.  H oweve r,  the re  are   new  c halle nge s  to   mai ntaini ng  th e  mecha nical   stre ngth   of   V A WT,  as  well   as   de velo ping   ap propriat e   al gorithms  an d co ntr ol laws.       REFERE NCE S   [1]   R.   L acal - Arán tegui ,   “Globalizat i on  in   the  wind   ene rgy   industry:  cont r ibut ion   an d  e conom i c  im p ac t   of   European  com pan ie s”,   R en ewabl e   Ene rg y ,  vol.   134 ,   Apri l  2 019,   pp .   612 - 62 8 ,   2019 .     [2]   Z.   Si mi c ,   J .   Ha vel ka   and   M.  Vrhovca k,   “Sm al l   wind  tu rbines - a  unique  seg me nt   of  the   wi nd  power  ma rk et ” ,   Re newab le   Ene r gy ,   no .   50 ,   Feb ru ary   2013,   pp .   10 27 - 1036,   2014 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.