Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol.  4, No. 4, Decem ber  2014, pp. 419~ 429  I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 19     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  A Fuzzy Logic Control Strat egy for Doubly Fed Induction  Generator for Improved Perfor mance under Faulty Operating  Conditions       G. V e nu  Ma dhav *, Y .  P. Obulesu**  * Departm e nt  of   Ele c tri cal  and  E l ectron i cs Eng i ne ering,  Padm asri  Dr. B.  V. R a ju  I n stitute  of  Te chn o log y   ** Departmen t  o f  Electr i cal  and  Electronics Eng i neer ing ,   LakiR e dd y  BaliRedd y   College of  Engineering       Article Info    A B STRAC Article histo r y:  Received  Mar 12, 2014  Rev i sed   May 21 , 20 14  Accepted  Jun 20, 2014      In this pap e r,   d ecouple PI con t rol for outpu activ e and  reactive powers   which is t he co mmon  control technique for  power converter of Doubly  Fed   Induction Gen e r a tor (DFIG) is presente d .  But th ere ar e some disadvantages  with this control method like uncertainty  abou t the exact model, behavior of   some parameter s  or unpredictab l e wind  speed and tuning of PI  parameters To overcome  th e mentioned  dis a dvantag es  a  fu zz y log i contro l of DF IG  wind turbin e is   pres ented  and  is   com p ared with   P I  control l er . To  val i dat e   th e   proposed scheme, simulation res u lts are pr esented, these r e su lts showed that  the  perfo rmance of  fuzzy  control of  DFIG  is excellent  and it improves power   qualit and st ab ilit of wind tu r b ine com p ar ed t o  PI control l er The Fuz z y   logic contro ller is applied to roto r si de converter  for activ e power control and   voltag e  regu lat i on of wind  tur b ine.  The  en tir e work is  carr i ed out  in   MATLab/Simulink. Different f a ulty  op er ating conditions are  co nsidered  to  prove th effective implementation  of th e propos ed con t rol scheme.   Keyword:  W i nd  turb in Dou b l f e d indu ctio n g e n e r a to r     Fuzzy logic c o ntrol  PI con t ro ller  Syn c hro nou s gen e r a t o r   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r G. Ve nu   M a d h a v,   Depa rt m e nt  of  El ect ri cal  and   El ect roni cs  E n gi nee r i n g,   Pad m asri Dr.  B. V. Raju   In stitu te o f  Tech nolo g y V i shn upu r, N a r s apur Med a k D i st., 50 231 3, A P In d i a.  Em a il: v e n u m a d h a v . go p a la@g m a i l .co m       1.   INTRODUCTION  W i n d  ene r gy  i s  one  o f  t h e ex t r a or di na ry  so urces  of  re newable ene r gy  due to its clean character  a nd  free  availability. More over,  because  of re duci n g the  co st and im proving techniqu es, the  growt h   of  wind  ener gy   i n   Di st r i but ed   Ge ne rat i on ( D G )  uni t s  has de vel o ped  rapi dl y .   In t e rm s of wi nd  po wer  gene rat i on t ech n o l o gy , beca use o f  num ero u s t ech ni cal  bene fi t s  (hi g her e n er gy  y i el d,   red u ci n g   po we r fl uct u at i o ns  and i m pro v i n g  var s u ppl y )  t h e m oder n  M W-si ze  wi n d  t u r b i n es al way s  us e   v a r i ab le sp eed o p e r a tion  which  is ach iev e d  b y  a conv er ter  system  [ 1 ]. Th ese conver t er s ar e typ i call y   associ at ed wi t h  i ndi vi d u al  ge nerat o rs a nd t h ey  cont ri b u t e  si gni fi ca nt l y  t o   t h e cost s o f  wi nd t u r b i n es. B e t w ee n   vari a b l e  spee d  wi n d  t u rbi n gene rat o rs,  D o ubl y  Fe d I n du ct i on  Gene rat o rs ( D F I Gs ) a n d Pe rm anent  M a gnet   Syn c hro nou G e n e r a tor s   ( P MSG s ) w ith pri m ar y co nv er ter s  a r e em erging as  the  pre f erred technologie s  [2].  Do u b l y  Fed  I n duct i o Ge ner a t o (D FI G)  i s   one  o f   t h e m o st p opu lar  wind tu rb in es wh ich  in cl u d e  an  in du ctio n   g e nerato with  slip  ring , a p a rtial s cale power electronic  conve r ter and a co mm on DC-link  capacitor. Power electronic  conver te r which enc o m p asses a back t o   back AC-DC - AC voltage source  con v e r t e has t w o m a i n  part s;  Gri d  Si de  C o n v ert e r  ( G SC ) t h at  rect i f i e gri d  v o l t a ge a n R o t o Si de C o nve rt er  (RSC) w h ic h f eeds r o to r circ uit. Po wer c o n v erter  o n ly  pr ocesses slip power the r efor e it’s d e sign ed  in p a rtial   scale and  just  about 30%  of  gene rator rate d powe r [3 ] which m a kes it attractive from  econom i cal point of   vi ew.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 4 ,  D ecem b er  2 014  :   41 9 – 429  42 0 M a ny  di f f ere n t  st ruct ure  an cont rol  al go ri t h m  can be  use d  f o r c ont rol   o f  p o w er  co n v e r t e r.  I n  t h i s   pape r,  deco u p l e  PI co nt r o l  of  out put  act i v e a nd  react i v e p o w er t o  i m pro v e  dy nam i c behavi o r  of  wi n d  t u r b i n e   whi c h i s  o n of t h e m o st  co m m on co nt rol   t echni q u es i s   prese n t e d .  B u t  due  t o   unc ert a inty about the exact   m odel  and  be havi or  of  som e  param e t e rs suc h  as wi nd ,  wi n d  t u rbi n e ,  et c an d al so  param e t e rs v a l u es  di ffe re nces  du ri n g  o p e r at i o n  beca use  of  t e m p erat ur e, e v ent s   o r   un pr edi c t a bl e wi nd  spee d, t uni ng  o f   P I   p a ram e ters is  o n e   o f  t h e m a i n  prob lem s  in   th is co n t ro l m e th od . Based  on th e an alysis, fu zzy lo g i c co ntro ller  has  bee n   desi g n ed  t o  i m pro v e  t h dy nam i c perf orm a nce o f   DFI G .     In f u zzy  l ogi cont rol  t h ere i s  no nee d  o f  a d e t a i l e m a t h em at i cal  m odel   of t h e sy st em  and  just  u s i n th e kno wled g e  o f  th e to tal op eration  and   beh a v i o r  of syste m  is en ou gh in   d e sign ing   th e con t ro ller. The  perform a nce of PI control is com p ar ed  with  th at o f  fu zzy lo g i c co n t roller an d  it is i n v e stig ated  that th e   dy nam i c perf or m a nce o f  f u zz y  l ogi c c ont rol l er i s   qui t e   go o d  i n  com p ari s o n   wi t h  P I  c o nt r o l l e r.   In th is  p a p e r, th d y n a m i c p e rfo r m a n ce of  DFIG  un d e d i fferen t   fau lt con d ition s  is i n v e stig ated     2.   THE SAMPL E  TEST SYSTEM  Sam p le test sy ste m  is sh own in  Fi g u re  1 .   It  con s ists of t h ree m a in  feed ers, two   DG un i t s and  fi v e   local loads.  The two DG  unit s  are a DFIG  and a sy nc hr on ou g e n e r a tor. I n  t h e pr opo sed  system , d i f f e r e n t   cases of abno rmal co n d ition s  are con s id ered w h en  th ere i s  a sin g l p h a se lin e to  ground  fau lt n ear  DFIG, a  si ngl e p h ase l i ne t o  gr o u n d  faul t  on t h gri d  an d t h ree  phase l i n e t o  gr ou n d  faul t   near  DFI G  et c. The       con f i g urat i o ns  and  pa ram e t e r s  of t h e D F I G   and sy nc hr on o u s ge ne rat o r s y st em  are ext r act ed fr om  [4] .  M a i n   gri d  i s  re p r ese n t e by  a t h ree  p h ase  69  k V   v o l t a ge  sou r ce  with   1 000 MVA sh ort circu it cap acity an d X/R ratio  o f  22 .2   C o n n ect i o n p o i nt  of m a i n  and m i cro- gri d  sy st em s i s  cal l e d Poi n t   of  C o m m on C o u p l i ng  (PC C ) 2M V A  DF IG  wi n d   t u r b i n c onsi s t s  o f  po w e el ect r oni c co nv erter co n t ro l un it wh ich feed g e n e rator’s ro t o and  gri d . P o w e r el ect roni c c o n v e r t e r u n i t  is t o  cont r o l   act i v e and  react i v e po wer  of ge nerat o r se parat e l y  and   to  im p r o v e  power qu ality and  stab ility o f  t h n e two r k .  Th p a ram e ters o f  5 M VA syn c h r on ou g e n e rato r are  gi ve n i n  Ta bl 1.           Figure  1. Sam p le test syste m       3.   M O D ELING  OF BASIC COM P ON EN TS   3. 1. Wind an d   Wind  Tu rbin W i nd effect pl ays a fundam e ntal  ru le in   win d  t u rb in e m o d e lin g  esp ecial ly fo r in teractio n  an alysis  b e tween   wind tu rb in es an th e power syste m  to  wh ic they are c o nnected.  Wind  m odel descri bes wi nd  fl uct u at i o n i n  wi n d  spee d w h i c h causes p o w er fl uct u at i o n i n  ge nerat o r. F o r wi n d  m odel  fou r  com pone nt s can  b e  co nsid er ed as d e scr i b e  in   (1 ) [5 ]:    wind bw gw r w nw VV V V V            ( 1 )     Whe r e, V bw  =  B a se wi n d  c o m ponent  ( m/s );  V gw  = Gust  wind com p onent  ( m/s ); V rw  = R a m p  w i nd  co mp on en t   ( m/s );  V nw  =  No ise  w i nd  co mp on en t ( m/s ).  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Fu zzy L o gi C ont r o l  St r a t e gy f o Do u b l y   Fed  In d u ct i o Gene rat o r f o Im pr oved…  ( G . Ve nu  Ma d hav )   42 1 The  base c o m pone nt  i s  a c o n s t a nt  spee d;  wi n d   gust  c o m pon ent  m a y  be exp r esse d as a si n e  or  cosi ne  wave  function or their com b ination  [6]; a sim p le ram p  function  will be use d   for  ra m p  co m pone nt  and  a   triangle wa ve for  noise function  whic h it’s freque ncy a nd a m pl itude will be accordi ngly  adjusted. The  si m p le  b l o c k  d i ag ram  for g e n e ration  of wi n d   speed  is illu strated  in  Fi g u re  2  and   wh ich   in clu d e s all of fo ur  com pone nt s m e nt i one d a b o v e .   For electrical analysis, a  sim p lified aerody nam i m o del  o f  wi nd  t u r b i n e i s   no r m al ly  used.   Accord ing l y win d   b l ad e torque fro m  win d  speed   will b e   p r od u c ed   wh ich  is as fo llows:     ro t wi n d R V              ( 2 )      23 wp w i n d 1 PR C , V 2               ( 3 )     23 p wi n d w w ro t RC , V P T 2             ( 4 )     Whe r e T w  is an  aerod yn am ic  to rq u e  ex tracted  fro m  th e win d  ( Nm ),   is t h e air  d e n s ity ( kg/m 3 ),  R is  th e wind  tu rb ine ro tor rad i u s  ( m ),  Vwi nd i s  t h e eq ui val e nt   wi n d  spee d (m / s ),   is th e p itch  an g l e o f  the ro tor  ( de g ),    is t h e tip  sp eed rati o ,   rot   is  the mechanical  speed of  the ge nerat o r ( r ad/ s ) and  C p  is t h e po wer  coefficient.  C p  can be exp r essed as a fu n c t i on o f  t h e Ti p Spee d R a t i o  (TSR ) a nd  pi t c h an gl e whi c h i s  gi ven  by   (5 ) [7] ,  [ 8 ] :      i 12 .5 p i 11 6 C , 0 . 22 0.4 5 e                     i 3 1 1 0 .035 0. 0 8 1                ( 5 )     By increasing  pitch a ngle, power c o e fficien t  and the r efore t o rque decrease s  m o reove r C gr owt h  rat e   chan ges  i n   di f f e rent  s p ee by   .     3. 2. DFI G  Mo del   As illu strated  in  Figu re  3 ,  DFIG system  is  a wo und  ro tor in du ction  g e n e rat o r wit h  slip  ring , wit h   stator directly connected to t h e gr i d  and with rotor interf aced through a back to ba c k  partial scale power  c o nv er te r .  Th e c o nv er te r  co ns is ts   of t w o c o nve nt i o nal  v o l t a ge s o u r ce c o nve rt ers t h at  are cal l e d R o t o r Si de   C o n v ert e r (R S C ) and  Gri d  Si de C o nve rt er ( G SC ) a nd a co m m on DC -l i n k  [3] .  C o nseq ue nt l y  t h e DFI G  can  b e   reg a rd ed  as a trad itio n a l i n du ctio n  m ach in with  a  no n z ero ro to r vo ltag e Usi n g t h e  C o n c or di a an Par k  t r a n sf o r m a tion  al l o ws  t o   wri t e  a  dy nam i m odel  i n  a  d- q r e fe renc e   fram e  fro m  th e trad ition a l a-b-c fram e as fo ll o w s [9 ]:   Electro m a g n e tic to rqu e    e m ds qs q s ds 3 Ti i 2            ( 6 )     Activ e an d reactiv e po wer  o f   stato r    sd s d s q s q s 3 PV i V i 2            ( 7 )        s d sd s q sq s 3 QV i V i 2            ( 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 4 ,  D ecem b er  2 014  :   41 9 – 429  42 2 Tabl e 1. Sy nc h r o n ous   ge ne rat o r   pa ram e t e rs  Rated Power  5 M V Ra ted Voltage  13. 8 kV  R a  0. 0052  p. u   X ls  0. p. X d  2. 86  p. u   X q  2. p. X d  0. p. X q  0. 85  p. u   X d  0. 22  p. u   X q  0. p. T do  3. T q o  0. 05  T do   0. 01 s  2. 9 s      Tabl e 2. In d u ct i on ge nerat o r p a ram e t e rs  of w i nd  t u r b i n e   ( D FIG )   Rated Power  2 M V Rated Voltage  0. 69 kV  Stator /r otor  ratio  0. 4333   Angular   m o m e nt of iner tia ( J =2H)  1. 8293 p. u   M echanical da m p ing   0. 02 p. u   Stator  r e sistance  0. 0183 p. u   Rotor  r e sistance  0. 0205 p. u   Stator  leakage ind u ctance  0. 2621 p. u   Rotor  leakage indu ctance  0. 3152 p. u   M u tual inductance  5. 572 p. u             Fi gu re  2.  M o d e l  of  wi nd  spee d   Fi gu re  3.  Sc he m a t i c  represe n t a t i on  of  a  DFI G   wi n d   tu rb in     Tab l 2  sh ows th p a ram e ters of th DFIG wh ich  is  u s ed in  th is  p r op osed  system . Th e ro t o r sid e   conve r ter operates at the slip  fre que ncy. T h e  power c o nv erter p r o cesses only th e slip  p o w er, thu s  if th DFIG  to  b e  v a ried with in  abou t ±30 %  slip, th e ratin g   o f  pow er   co nv er ter  is  only ab ou t 30 o f  r a ted pow er of  the  wind  turb in [1 0 ] Settin g  th e stato r  flux  v ect o r  to  alig n  with   d -axi s an d as sum i ng t h e per pha se st at or  resi st ance   negl i g i b l e , we have:     sd s s q s ,V V             ( 9 )       ss s s s Vr i d t            ( 1 0 )     Substitution (9) in  (7) a n d (8), th active  and  reactive powe r of stat or flow int o  the  gri d  ca be   expresse d as:     m ss q r ms L 3 PV i 2L L            ( 1 1 )       ss sm d r ms s VV 3 QL i 2L L               ( 1 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Fu zzy L o gi C ont r o l  St r a t e gy f o Do u b l y   Fed  In d u ct i o Gene rat o r f o Im pr oved…  ( G . Ve nu  Ma d hav )   42 3 Whe r e, i qr   a nd i dr   are rotor c u rrent (A) i n  d-  a nd  q-a x i s  re spe c t i v el y ,  L ls   and L m   are stator leakage a nd  m u t u al  i nduct a nce ( H ),  s   is the electrical angula r   velo city (rad / s) and   V s   i s  t h e m a gni t u d e  of  t h st at or  pha se   v o ltag e  (V).  Th is m ean s th at u s ing  v ect or con t ro l with  d-a x i s  o r i e nt ed st at or  fl u x  vect o r  i n   rot o r si de   co nv erter, activ e and   reactiv e po wer can b e   co n t ro lled  sep a rately. Th is wi ll b e  ach i ev ed   b y  regu latin g i qr   and  i dr   respectively.  G r i d  sid e  conver t er  is p r esen t e d  fo r   k eep i n g D C  lin k  vo ltag e  of  cap acitor co n s tan t  r e g a rd less to  th m a gni t ude a n d  di rect i on  of r o t o r p o we r. N e gl ect i ng  po w e r l o sses i n  t h e con v ert e r, ca paci t o r c u r r ent  can be   descri bed  as  fo l l o w:     dc dc g c d d c r dV 3 iC m i i dt 4            ( 1 3 )     Whe r e i gcd  stan ds  fo r the   d -ax i cur r ent  fl o w i ng bet w ee n gr i d   an d gri d   si d e   co nve rt er ( A ),  i dcr  is th rot o r side  DC cur r ent ( A ), C is the DC-link  capacitance ( F ) an d m  i s   t h e P W M  m odul at i on i n dex  of t h e gri d   side c o nverte r.  The reactive powe r flow  i n t o   t h e g r i d  f r om  GSC  ca be e x press e d  as:       gg g c q 3 QV i 2             ( 1 4 )      Whe r e V g   i s  t h m a gni t ude  o f  gri d  p h ase  vol t a ge ( V ) an d i gcq   is  q -a xi s cu r r ent   of  gri d  si d e  con v e r t e r   ( A ). Th erefore it is seen  from (1 3) and   (14 ) , b y  ad ju stin g  i gcd  and i gcq , DC -l i n vol t a ge an d Q g  ca n  be  co n t ro lled respectiv ely.    3. 3. Pi tch C o n t rol   To  pr o duce a   m a xim u m  ener gy , t h bl ade  a ngl e m u st  be t une wi t h   wi n d  st rai ght f o rwa r usi ng  pi t c angle control of wi nd turbine blades . It is wo rt h  no ticing  th at we can u s e th is ch aracteristic in  ab n o rm al   co nd itio ns su ch  as g r id  fau lts to  p r o t ect g e n e rat o r fro m  o v e r sp eed i n g. In  two  d i fferen t  cases, an  in creasin rot o spee d m a y  be  occu rre d;   a wi n d   spee d a s  i n put   p o we r a n d an abnorm al case due t o  a  fault e x istence.  These m u st be  distinguis h ed  first,  before  a cont rol  ta kes place. Wh en the output term inal voltage   falls un d e 0 . 9   p . u  an d th ro to r sp eed  is in creased , it m ean s a fau lt is h a ppen e d.  To  act u a te th e ev en t an d to  d ecrease th e ro tor sp ee d, t h e pi t c h  an gl m u st  be m a nipul at ed A n   em ergency  pi t c a ngl e sh o u l d  be  a dde d wi t h  rat e   o f   + 1 0 ( de g/ s/ 1 0 0 0 r p m for over s p eed protection.      4.   A F U ZZ Y LO GIC  A N D  PI  CO NTR O L S T RATEG Y   The  four m a in com ponents  of fu zzy l ogic c ont roller are  fuzzificatio n ,   f u zzy  i n fere nce  en gi ne , r u l e   base a n def u zzi fi cat i on.  I n put s  are  f u zzi f i ed, t h en  bas e on  r u l e   base  an d i n fe rence  sy st em , o u t p u t s are  pr o duce d  an d f i nal l y  t h e fuzzy  out p u t s  are d e fuzzi fi e d  an d appl i e d t o  t h m a i n  cont r o l  sy st em . Error  of  i nput s   fr om  t h ei r refe rences  an er r o r  de vi at i ons  i n  a n y  t i m e interval a r e c h os en as  inputs.  Ma m d ani type  fuzzy  l ogi c c ont rol  i s  co nsi d e r ed  he r e           Fi gu re  4.  R o t o r  si de c o nve rt er  fuzzy  c o nt rol l e uni t  st r u ct u r e       Fi gu re  4 s h o w s t h bl oc di ag ram  of r o t o r si d e  co n v e r t e r wi t h  f u zz y  cont r o l l e rs.   Sim i l a rl y ,  PI   cont rollers are  used in place of fuzzy cont rollers. The m a in objectives of this part are active power c ont rol   an d   v o ltag e  reg u l ation  of DFIG wi n d  turb ine u s in g   o u t p u t   reactiv e po wer co n t ro l. As illu strated  in  Fi gu re 6   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 4 ,  D ecem b er  2 014  :   41 9 – 429  42 4 rot o r side c o nv erter m a nages  to foll ow  refe r e nce active ( P ref ) p o we an d v o ltage  ( V re f ) sep a rately u s ing   fu zzy   cont rol l e rs hy st eresi s  cu rre n t  cont rol l e r c o nve rt er a n ve ct or c o nt rol  al go ri t h m .  B a sed  on  ( 1 1 ) ,  ( 1 2 )  a n d   Fi gu re  6,  i n put s o f   fuzzy  co nt rol l e r   are  error in active  a n reactive  powe or v o ltage  an th e rate o f   chan g e in  errors in an y  ti m e  in terv al.  After th p r odu ctio n of re feren ce  d -  and  q-ax is ro tor cu rren ts, th ey con v e rted  to  a-b - c re fere nce  fram e  usi n g fl ux a n gl e,  rot o r  angl e a n fi na l l y  sl i p  angl e c a l c ul at i on a n d   C onc or di a a n d  Par k   tran sform a t i o n   m a trix . Th en th ey ap p lied  to  a h y ster esis curre nt controller to be com p ared with actual  cu rren ts and   p r o d u ce  switch i ng  tim e in terv als of co nv erter.             Fi gu re  5.  I n p u t  an out put  m e m b ershi p   fu nct i ons  o f   vol t a ge  co nt r o l l e r              Fi gu re  6.  I n p u t  an out put  m e m b ershi p   fu nct i ons  o f  act i v e  p o we r c o nt rol l e r       Tabl e 3.  R u l e  bases o f  vol t a g e   f u zzy   co nt r o l l er     E (V)           I d r    NB  ZE   PB  E (V )   NB  NB  NB  ZE    N  NB  ZE    ZE   ZE    P  ZE   PB   PB  ZE   PB  PB      Tabl e 4.  R u l e  bases o f   act i v e po we f u zzy   c ont rol l e r      (P)         I qr    NB  ZE   PB  (P )   NB  NB  NB  N N ZE    N  NB  ZE    ZE   ZE     ZE   P P PB   PB  ZE   PB  PB      Fi gu re 5 a nd  6 sh o w s i n p u t s  and  out put   m e m b ershi p  f unct i o ns . To a voi d m i scal cul a t i ons d u e t o   flu c tu ation s  in   wind  sp eed  and  th e effects  of no ise on   data, trapez oidal me m b ershi p  functions are c h os en to  -0. 3 -0 . 2 -0. 1 0 0. 1 0. 2 0. 3 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 del t a -v D egr ee o f  m e m b e r s h i p NB N PB ZE P -0. 0 1 - 0 . 005 0 0. 00 5 0. 0 1 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 Dd e l ta - v D egr ee o f  m e m b e r s h i p NB NZ E PB P -0. 1 -0. 0 5 0 0. 0 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 Id r D egr ee o f  m e m b e r s h i p NB N Z E P B P -1 . 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 del t a -p D egr ee o f  m e m b e r s h i p NB N Z E P P B -0. 0 1 - 0 . 005 0 0. 00 5 0. 0 1 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 Dd e l ta - p D egr ee o f  m e m b e r s h i p NB N Z E P P B -0. 0 1 - 0 . 005 0 0. 00 5 0. 0 1 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 Iq r D egr ee o f  m e m b e r s h i p NB N Z E P B P Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Fu zzy L o gi C ont r o l  St r a t e gy f o Do u b l y   Fed  In d u ct i o Gene rat o r f o Im pr oved…  ( G . Ve nu  Ma d hav )   42 5 have  sm oot h a nd c o nst a nt  re gi o n  i n  t h e m a i n  p o i n t s . R u l e  bases ar e sh o w n i n  Ta bl e 3  and  4.  NB N,  ZE, P   an d   PB rep r esen ts n e g a tiv b i g ,  n e g a tiv e,  zero, po sitiv an d po sitiv b i g  resp ectiv ely. For in stan ce  wh en   (P), the error  of active powe and  (P), the rate o f  ch ange o f  activ p o wer e r ror in a t i m e  interval, are NB   mean  th e ou tpu t  vo ltag e  is mo re t h an   refe re nce and is inc r easing  dram atica lly  therefore refe rence q-axi s   rot o current which cont rols  acti v e powe s h ould   decrease  ra pidl y that re prese n ts NB.  In t h is pa pe r,  Proportional a n d Integral (PI) c o nt rollers   are used i n   place of fuzzy c ont rollers a s   sh own  in  Figure 4  and  th e resu lts o f  bo th  t h e con t ro lle rs are com p ared.  PI contro ller blo c k s  op erate in  th e   f eed fo rw ard   path  of   bo th  act ive power (P)  and reactive  powe (Q)  f eedback loops.  PI controller gains a r e   t une d by   usi n g  t h e Si m u l i nk C ont r o l  De si g n  so ft wa re  whi c h m a kes t h e cont rol  sy st em desi g n  a nd a n a l y ze i n   Sim u l i nk e nvi r onm ent .       5.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   For i nvest i g at i on  of  dy nam i c beha vi o r  o f  pr op ose d  sy st em  wi t h  fuzzy  l ogi c and P I  co nt rol l e r ,   di ffe re nt  si t u at i ons a nd e v ent s  are co nsi d e r e d . B a sed  o n  di ffe rent  fa ul t  l o cat i ons an d se veri t y , t h e sy st em  has  diffe re nt responses.  In eac h c o ndition, di ffe rent pa ram e ters  such a s  voltage, active and reactive powe r, rotor  cu rren ts and   d c  lin k   vo ltag e  are tak e n to   pr ove th e cap a b ility  of th e propo sed  co n t ro ller.  (a ) Si n g l e  l i n to  gr oun d   fa ul t ne ar s y nc hr on ous  gene ra t o r:     A sin g l e lin e to  g r ou nd  sh ort circu it fau lt with  du rat i o of 0 . 1 s  i s  occur r ed  near t h e  sy nchr o n o u s   gene rat o r.  The  fa ul t  d u rat i o n  i s  f r om  5s t o  5. 1s.  Fi g u r 7 s h o w s  di f f e r ent  res p on ses  of  t h e sy nch r o n o u s   gene rator and  DFIG in test syste m s. Duri ng the  fault,  the r e is little variation in active  and  reactive  powe of  wind turbi n e a nd i n  AC a n DC-link volta ges  because  th e fault is fa r from  the wi nd turbine  a nd ne ar  the  sy nch r o n o u s  g e nerat o r,   s o , va ri at i on  i n   act i v an d react i v e po we r of  sy nc hr o n o u s ge nera t o i s  hi g h .       (a)     (b )       (c)     (d )       (e)     ( f)    Fig u r e  7 .   Sing l e   lin to  gr ound  f a u lt n ear  syn c hro nou s g e ner a to at  5s w ith  d u r a tion  o f  0.1 s  ( a )  o u t p u t  vo ltag e   (b)  active power of sync hronous   gene rator (c) reacti v power of synchron ous  ge nerat o r (d) active  power  of  DFIG  (e) react ive power of  DFIG (f) dc -link voltage   4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) V r m s  ( p .u ) O u t p ut  V o l t ag e     PI  C o n t r o l l e r F u zz y C o n t r o l l e r 0 2 4 6 8 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 A c ti v e  P o w e r  o f   S y n c h r o n o u s   G e n e r a to r Ti m e  ( S ec s) P ( M W ) 0 2 4 6 8 0 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 1 0. 12 0. 14 0. 16 0. 18 0. 2 R e ac t i v e  P o we r  o f  S y nc hr o n o u s  G e n e r a t o r Ti m e  ( S ec s) Q  (M W ) 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 Ti m e  ( s ec s ) P ( M W ) Act i v e  Po w e r   o f  DF I G     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 Ti m e  ( s ec s ) Q ( M W ) Re a c t i v e  P o w e r  o f   DF I G     PI  C o n t r o l l e r F u zz y C o n t r o l l e r 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) Vd c  ( p . u ) D C - L i nk  V o l t ag e     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 4 ,  D ecem b er  2 014  :   41 9 – 429  42 6 GSC   gene ral l y  cont rol s  t h dc b u v o l t a g e  of t h e bac k - t o- back c o nve rt er an d t h e e x cha n ge o f   reactive power to the  gri d . T h propose d  c ont rollers  pr oduce the  necess a ry value s  of  direct  and qua d rat u re   ax is ro tor curren ts wh ich  are  co nv erted  in t o   th ree  p h a se  curren ts to m a in ta in  con t ro l on  th e m ach in e stab ility.  Th p o wer d e li v e red   fro m  RS C will b e  in creased   d u e  to   in crease o f  ro t o cu rren ts  and  v o l tag e wh ich  in  tu rn  increase t h dc  bus  volta ge.      (a)     (b )       (c)     (d )       (e)     ( f)      (g )     (h )     Fig u r e  8 .   Sing l e   lin to  gr ound  f a u lt n ear  D F I G  w i nd  Turb in e ( a )  ou tpu t   vo ltag e  ( b )   active  po w e r  o f   DFIG   (c)   r eactiv e p o w e of   DFIG  ( d )   activ po w e r  o f  syn c hr ono us gen e r a t o r  ( e r e activ po w e r  o f  syn c hr ono us  g e n e rator (f) dc-lin vo ltag e  (g d-ax is  ro tor  cu rr en t (h )  q- ax is  ro tor   cu rr en     (b) Three line  to gr ound  fault ne ar  DFI G   To  prove  perform ance of  fuzzy logic c o ntroller i n   co m p arison   with   d e co up le PI contro l an d to  i nvest i g at e dy n a m i c behavi o r  of  do u b l y  fed i n d u ct i o n ge ner a t o r i n  o n e o f  t h e w o rst  case  si t u at i ons, a se ver e   th ree lin e t o   groun d   sho r t circu it fau lt is con s id ered n e ar  t h w i nd  tur b i n e. Figu r e  9 sho w s th w a v e fo r m s,  there is re duction in voltage a n d it re duc es t o   near zero. In addition, ac tive  and reactive deviations  i n  DFIG  are the  m o st severe . Rot o r current  r eaches to its lim i t and c r owbar  protect ion  unit short c i rcuits the  rotor a nd  4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) V r m s  ( p .u ) O u t p ut  V o l t ag e     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 5 1 1. 5 2 Ti m e  ( s ec s ) P ( M W ) Act i v e  Po w e r   o f  DF I G     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 Ti m e  ( s ec s ) Q ( M W ) R e a c ti v e  P o w e r o f  D F I G     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 2 4 6 8 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 A c ti v e  P o w e r  o f   S y n c h r o n o u s   G e n e r a to r Ti m e  ( S ec s) P  (M W ) 0 2 4 6 8 0 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 1 0. 12 0. 14 0. 16 0. 18 0. 2 R e ac t i v e  P o we r  o f  S y nc hr o n o u s  G e n e r a t o r Ti m e( S e c s ) Q  (M W ) 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) Vd c  ( p . u ) D C - L i nk  V o l t ag e     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 -2 .5 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 Ti m e  ( s ec s ) Id r  ( p .u ) d - a x i s  ro to r c u rre n t     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 4. 2 4. 4 4. 6 4. 8 5 5. 2 5. 4 5. 6 5. 8 6 -2 .5 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 Ti m e  ( s ec s ) Iq r  ( p .u ) q - a x i s  ro to r c u rre n t     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Fu zzy L o gi C ont r o l  St r a t e gy f o Do u b l y   Fed  In d u ct i o Gene rat o r f o Im pr oved…  ( G . Ve nu  Ma d hav )   42 7 ro t o r si d e  conv erter  bu t still  stato r  is connected  to  th n e tw ork  and  du e to  sup e syn c h r on ou o p e rat i o n   o f   wind  tu rb i n e it can  produ ce activ e p o wer. Th e propo sed  co n t ro ller m a in tain s th e ro tor  cu rren ts  un d e r th eir   safet y  l i m i t s  wi t hout  hi gh  ov er cur r ent s . D u e t o   m i t i g at i on of t h e o v er cu rre nt s of t h e r o t o r t h e bac k -t o - bac k   co nv erter is less affected   b y  this p e rt u r b a tion   wh ich   p r od u c es sho r d c  bu v o ltag e  oscillat i o n s     (a)     (b )       (c)     (d )       (e)     ( f)      (g )     (h )       (i)     (j)     Fig u r e   9 .  Thr e e lin e to   gr ound  sh or t cir c u it fau lt n e ar   D F IG w i nd  t u rb in e (a)   o u t p u t   vo ltag e   ( b )  activ e po w e r   of   DF I G   (c ) re active  p o we r o f   D F I G  (d acti v e po we r of sy nch r on o u s gen e rator   (e ) reactive  p o w er   o f   sy nch r o n o u s  g e nerat o r (f ) dc- link voltag e   ( g ) d-a x is  r o to c u r r ent ( h ) q - axi s   r o to c u r r ent (i) voltage   acr o ss  the crowba re sistance (j) pitc h a ngle   0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) Vr m s ( p . u ) O u t p ut  V o l t ag e     PI  C o n t r o l l e r F u zz y C o n t r o l l e r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) P ( M W ) Act i v e  Po w e r   o f  DF I G     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 Ti m e  ( s ec s ) Q ( M W ) R e a c ti v e  P o w e r o f  D F I G     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 2 4 6 8 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 A c ti v e  P o w e r  o f   S y n c h r o n o u s   G e n e r a to r Ti m e  ( S ec s) P  (M W ) 0 2 4 6 8 0 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 1 0. 12 0. 14 0. 16 0. 18 0. 2 R e ac t i v e  P o we r  o f  S y nc hr o n o u s  G e n e r a t o r Ti m e  ( S ec s) Q  (M W ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 Ti m e  ( s ec s ) Vd c  ( p . u ) D C - L i nk  V o l t ag e     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -2 .5 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 Ti m e  ( s ec s ) I d r (p . u ) d - a x i s  ro to r c u rre n t     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -2 .5 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 Ti m e  ( s ec s ) Iq r  ( p .u ) q - a x i s  ro to r c u rre n t     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -2 0 2 4 6 8 10 x 1 0 -4 Ti m e  ( s ec s ) V o l t ag e ac r o s s  t h e   C r ow b a r  R e s i s t anc e C r o w ba r  P r ot ec t i o n  S w i t ch  C o n d i t i o n     P I  C o n t r o lle r F u zz y C o n t r o l l e r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 Ti m e  ( s ec s ) T h et a ( d eg ) P i t c h an g l e     PI  C o n t r o l l e r F u zz y C o n t r o l l e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  4 ,   No 4 ,  D ecem b er  2 014  :   41 9 – 429  42 8 Furt herm ore, b e si de el ect ri cal  prot ect i o n, an  em ergency  pi t c h an gl e i s  i n t r od uce d  wi t h  sl ope  of ± 1 0   (de g / s ) .   When  vol t a ge  dr o p un de r 0. 8 p . u a nd  wi n d  spee i s  const a nt , em erge ncy  pi t c angl e d u e t o  e x t e r n al  faul t  act i v at es t o  pr ot ect  DFI G  fr om  over speedi ng a nd  k eep o u t p ut  po wer bel o rat e d val u e .  As s o o n  as   v o ltag e  and  speed  co m e  b ack to  no rm al situ atio n  it star ts to  d e crease an d retu rn s to   no rmal situ atio n .  Gri d   side c o nve r ter  acts as S T ATC O M a n d tries t o   restore  vo ltag e . After  ro to cu rren t  return u n d e r th e limit  and   co nstan t  tim d e lay, crowb a r switch op en an d ro tor si d e  con v e rter contin u e s t o   o p e rate. As illu strated  in   Fig u re  9 ,   fu zzy co n t ro l un it o f   wind  turbin e m a in tain s g ood  stab ility an d rest o r es  p a ram e ters to  th eir  pre d efi n ed val u es as  well in c o m p arison wit h  PI c o ntroller.      6.   CO NCL USI O N   In t h i s   pape r,  dy nam i c perfo rm ance of DF I G  u n d er  di ffe r e nt  faul t  co n d i t i ons wi t h   PI c ont rol l e r a n d   fuzzy  l ogi c c o nt r o l  has  bee n   i nvest i g at e d T h e P I  c ont rol l e r a nd  f u zzy  l o g i c cont rol l e ha s bee n   desi g n e d  a n d   im pl em ent e d i n  M A TLab/ Si m u li nk.  To  p r ove  t h per f o r m ance o f  co nt r o l l e r u n i t ,  t h e   abn o r m a l  sit u at i ons  of   si ngl e l i n e t o  gr o u n d  fa ul t  near and a w ay  fr om  DFIG  and three phase  line to gr oun d f a u lt n ear  D F I G  are  exert e d o n   pr op ose d  sy st em . The  o u t p ut   vol t a ge , act i v e  an d react i v po we rs,  dc-l i n k v o l t a ge , di re ct  an d   qua d r at ure a x i s  t o t o r c u r r ent s  are im pro v e d  fo r f u zzy  l ogi c  cont r o l l e r c o m p ared t o  PI c ont rol l e r f o r di ffe rent   cases of fa ult near and a w ay from  DFIG. T h pe rfo rman ce o f  fu zzy lo g i c con t ro ller  is fou nd qu ite  satisfacto r y in   i m p r ov ing  stabilit y an d   p o wer qu ality o f   wi n d  t u rb in e com p ared  to  PI co n t ro ller. Cl o s er fau lt  lo catio n  to  th e win d  t u rb in cau ses m o re sev e re effect and a th ree lin e to g r o und  sho r circu it fau lt n e ar th wind turbine a s  the  worst case in  whic h volt a ge decreases until  zero  a n rotor c u rrent e x ceeds its lim i t       REFERE NC ES  [1]   Datta R ,  Rang anathan VT. Var i able-Speed Win d  Po wer Generation Using Doubly   Fed  Wound Rotor Inductio n   Machine  - A co m p arison W ith  Alterna tive  Sche m e s.  IEEE Transactions on En ergy Conversion 2002; 17(3): 414 421.  [2]   Li G, M Yin, M Zhou, C Zhao. Decoupli ng cont rol for  m u lti term inal  VSCHVDC b a sed wind far m   inter c onnection IEEE.  Power En gineering  Society General Meeting . 2007: 1-6.   [3]   Holdsworth L,  XG Wu, JB Ekanay ake  and N Jenkins. Co mparison of fixed speed and doubly - f e d induction win d   turbines dur ing  power  s y stem disturbances.  IEE  Proc. G e ner. Transm. Distrib.,  2 003; 150 (3) :  34 3-352.   [4]   Katiraei F, MR Iravani and PW Lehn.  Micro-G r id Autonomous Operation Du ring and Subsequ e nt to Islanding   Proc e ss.   IE EE T r ans. Power De l i very .   2005 : 20( 1).   [5]   Youjie Ma, Haishan Yang,   Xuesong  Zhou, Li  Ji ,  2009. The dynamic modelin g of wind farms considering wake  effects and  its  optimal distribu tion.  World  Non-Grid-Connected Wind Power and En erg y  C onference, 2009 WNWEC 2009; 22 (2): 1  - 4 .   [6]   Rey n o l ds MG. S t ability   of wind  tu rbine g e ner a tor s  to wind gusts Purdue University  R e port TR- EE  79-20.   [7]   Heier S. Grid  integration of  wind  energ y   Convers ion  s y stems. Chichester : John Wi ley   and Sans  Ltd .  1998; 35-302.   [8]   Slaotweg G, H  Polindcr, WL Kling.  Dynamic m odeling o f  a w i n d  turbine w ith d i rect drive syn c h r onous generato and back to back voltage source  converter and its control.  P r oceedings  of the European W i nd Energ y  Confe r enc e ,   Copenhagen ,  Denmark. 2001; 10 14-1017.   [9]   Bose BK. 1986 Power electron ics and AC dr ives. New Jersey : Prentice-Hall. 1986 ; 46-52.   [10]   Jang J, Y Kim,  D Lee. Active  and reactive pow er contro l of DFIG for wind energ y  conv ersion  under unbalanced  grid voltage. Pro c . I E EE Power  Electroni cs  and M o tion Control Co nference. 2006;  3.       BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS         G. Venu Madh av   rec e iv ed his   B.Te ch.  degr ee  in El ec tric al  an d El ectron i cs   E ngineer ing from   Jawaharlal Nehr u Techno logical University , H yderabad  in  2002 . M.Tech. degree in Power and   Industrial Driv es from Jawaharlal Nehru  Techn o logical Univ ersity , An antapur  in 2005. He  is  pursuing Ph.D.  from Jawaharlal  Nehru Technological University H y derab a d. Currently  he is  working as  a As s o ciate P r ofe s s o r, Dept. of  EEE, BVRIT,  Narsapur, Medak Dist. He has  published sever a l National and  Intern ational Journals and Conf erence s.  His a r ea  of inte re st is   Advanced Contr o l strateg i es of Electric Driv es, Microprocessors and Microcontrollers, Fuzzy   logic & ANN applications,  and Network Analy s is . Have professional society  memberships in   IETE (M), ISTE (LM), IE (AM) , SESI (LM)  and  IAENG (M).      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.