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 )  V o l.  10, N o.  2, June  2 01 9, pp.  971~ 9 8 6   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v10 . i 2.pp 9 71- 98 6           971     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   Ha rdware-in-the-loop  simulator o f w i nd turbi ne em u lator using  labview        Hi m a ni,  Na v n eet Sha rma   Dep a rt m e nt of Elect ron i cs   a nd  Co mmu n i c a tio n,  A BES   En gin e e r in g C ollege,   India      Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Oct  1 0 ,  2 018  Re vise d O c t   2 7 ,  2018   Ac ce p t ed  M ar 1 , 2 0 19      Th is   p ap er  d escr ib es  t he  d esi g n   a n d  i m p l emen ta t i o n   o f   H a rd ware  in   t he   L oo p   (HIL )  syst e m   D . C .   m o t o r   based  wi nd  t urbi ne  e mula t o r  f o r  t h e   con dit i o n   mo ni to r i ng   o f  wind   t u r b i ne s.   O p e ra ting   t h e   H IL  s y s te m ,   it  is  f e a s ib le   t o  repl icate  the   act ua l   operati v e  c o nditions   o f   wi nd  t urb i nes  in  a   l abo r a t ory  env i ro nm ent.  T his   met h o d   s im p l y  an d  cos t -eff ecti v el y  all o ws  eva l u ating  the   so ftw a re  a nd  h a rdw a re  c on tro lli ng  th e  op eration  of  t he  g enerato r.  T hi s   sy st e m   h as  b een  i mp le m e n t ed  i n  t h e  Lab V IEW  bas e d  p r ogram s   by  us in g  Ad van t ech-  USB-47 04 -AE  Da ta  acqui siti on card.   T h i s  paper  desc ri bes   all   th e  c o m p o n e n t s   o f   t h e  s y s t e m s  a n d  t h e i r  o p e r a t i o n s  a l o n g  w i t h   t h e  c ont rol  st rateg i es  o f   WTE   su ch  a s  Pi tch  co nt rol   an d  M P P T .   Exp e rim e n t al  res u lts   o f  the  devel o ped  simula t o r  using   th e  tes t   r ig  a re  b en chm a rked   w it h  t h e   prev io usl y   v erif ied  WT   t est   rigs  d ev elo p ed  a t  th e  Du rham   U n i ver si ty   a nd   t he   Un iv ersit y  o f   Man c hest er  i n  t h e  UK by  usin g  the generat e d  cu rre n t  s p e c t r a  o f   th e  generat o r.  E lectri c  su bass em blies  are  m o s t   v uln e rabl e  to   d a ma g e   i n  pract ice,  g en era t or-win di ng  f a ult s   h av e   b een  i n t rod u ced   a n d   i n v esti ga ted  using   t h e  terminal  v oltage.  This   w in d  tu r b in e   s i mul a to r   c a n   b e   analy zed  o r   re c o nfig ure d   f or   t h e   c on ditio n   m o n ito r in g   with ou t  th e   re qu ire m e n t   o f   ac t u al  WT ’ s .   K eyw ord s :   D C  m ot or    Har d ware In   t h e Lo op  LabVI E W   Wi n d  tur bi ne  e m u l a tor   (WTE )  W i nd  Tu r bi ne (W 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:   Hi man i ,     D e pa rtem ent o f   E lectr o n i c s   a nd  Com m un ica t i o n En gi nee r i ng,   ABES College  o f Engineer ing, G h a ziaba d ,  I n di a.  Em ail:  hi m a n i .ga r g@a b e s .ac . i n       1.   I N TR OD U C TI O N    O v e r  t h e  d e c a d e s ,  t h e  w i n d   t u r b i n e s  ( W T )   b e c a m e  t h e  s w i f t e s t   e v o l vi ng   r en ewa b l e   e n e rgy  tech n o l o gy. T h e  c o n t r ol   o f the   WT  b ec om es i mporta nt  w ith   t he  i n c r ea se  i n t h e p o w e r  l e v el  o f th e   t u rb in es.  To   ac hi e v e  h i g h   p erfor m a n ce  an d  h i gh   e ffic ie n c y  i n   p ower  s y s tem s ,  P o w e r  e l ectr o n i c  p l ay s  a   v i ta l  r o le   i n  w i nd   pow er   s yste ms [1- 2 ].  O pera tio nal   an d  m a i n te nanc e   c o st  a re   t he  m o s t   i mp orta nt  f ac t o r s   f or  t he   t ec hn o l og ica l   pro g re ss  o f  t h e   w i nd  t u r b ine ( WT)   sys t em s  [3].  F igure  1  prese n t s   t he  f a i l u re   r ate  of  w ind   turb ine   com p o n e n ts   [4].   T he  r e p a i r  an d  ma i n te nance   o f   t he   W T  e l ec tric a l   c om p o ne nts   c a n   b e  very   c os tl y  i f   t he   f au l t s     l i e unn oti ced  [ 1 ] .  I n t e r-turn   s hor t  c i rc u it  fa ults   i n  t h e   st at or  a cc ou n t s  for  a  su b s ta ntia l  per c enta ge  o f  a l l   the   p o ssi ble   fa ul ts  o c c u rre d   in w ind tur b in e   ge nera tor   [4- 6 ]. In a very shor t t i m e ,   dis a s t r ous  dam age  to  the m a c h i ne c an be  ca use d   [ 4- 7].  There f ore   fa ult   sh o u l d   b e   q u i c kl y  de tec t ed   u s i n g   th e   c o ndi tio n  mo ni to ri ng .  Th e  e v alu a ti on  of  the  fa u lt  d i a g n o s i s  p r oce ss  o n   t he  a ct ua l  w i nd  tur b ine   ma y  dam a ge   t h e   c om pl e t e  s y s t e m .   There f ore ,   f or  C M   eva l ua tio n,  w i nd  tur b i n e   t e st  r ig  i s  r e q u ire d   t o  em ula t e   w i n d   e ne r gy  c o nv er sio n   s yste ms   [ 7-8] .  In  t he  m o s t  of  the  ea r l ie r  rese arc h ,  test  r igs  are   con t rol l e d   by  ae r o d y n am i c   f orc e s  u s i n g  w i nd  t u rb i n e  e m ulat or  [ 9-1 1 ],   s pe ed  c o nt rol   by  PL C  [ 12 ], an a l o g   i npu ts  [ 13 ] a n d w i n d   t u nn e l  [ 14 ].  F o r  a   gi ven  w i n d   v el oc i t y,   w in d  t u rb i n e  em ul a t or   ( WT E)  g e n era t e s  s a m e   e nergy  a nd  t o rq ue   a s  gene ra ted   b y   a c t ua l  WT   [ 7-8] .   The  WTE   c o nsists   o f   t w o  m e c h ani c a ll y  c o u p l ed   e lec t r i c a l  m ach i n es,   w ith   t he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    9 7 1   –   9 86  97 2 w i n d   t or q u e  i s   i mita te d  b y   t he  m ot o r   a n d   o t h er   m ac hine s  c a n  be  use d   a s  ge ner a t o r   M1  i m i ta tin g,   a nd  M 2   sta nd- i n   a s  a   gene r a t o r   [7- 9 ] .   F o r   the  gr ow th   o f   w i n d   e ner g y  c o n v e r sio n   s ys t e m s   ( WE C S ) ,   H I L   ( H ar dw a r e - i n - t he - L o o p )   sim u la ti on   i s   an  e sse n t i a l   k it.   T he  c o n ce pt   o f   a  har d w a r e - i n- t h e- l o o p   s imula t i on  sys t e m   i s  t o   r e p la ce   t he   ph ys ica l   s ys te m s   w ith  t he  s im ul a t ion  pla t f o r m .   Thr ough   a n  in ter fa ce ,  t h i s   p l a t f o r m  mak e s  a  c l o s ed   l oop  sys t em   w it h  th e  rea l   d e v ice s .  With ou t  the   n e e d   o f  re al  w i nd  t u r bi n e   o r  n a tu ra l   w i nd   r e s ou rce s ,  t h i s   s y s t e m  r e pr od uce s   t he   W T  char ac ter i st ics  b o t h   s t ea dy  s t a t e  a n d  d yna mic   f ea ture s  in  a   c o o r d ina t e d   e n v ir onme n t .   T he   e m ulat or   d r i ve s  a n   e l e ctr i ca l   gene r a tor   like  WT,   by  r e pl ic ati n g   t he  t or que   s e t t l ed  by  a  WT.   A l so,   i t   c an  b e   de ve l ope d  a s   a n  educ a t i o na l   too l   t o  ill us tr ate   t h e   ope r a ti o n ,   b e h a v ior ,   a nd  con t r o l  of  a   W T   [ 15- 2 2 ] .   The  pr i n c i pa l   obje c t i ve   o f   th is  r esea r c h  paper   is  t he   d e v e l o p me n t   o f  H I L  s i mula t o r   for   th e   de ve l opme n t   o f   t es t   r i g.   T he  r e a l- t i me   H I L   s im u l a t or   f or   c o n t r o l   and   mo nit o r i ng   t h e   t e s t   r i gs  a re  d e v e l op ed   i n  the   La bV I E W  w h ic h  c o nt r o l  t h e  pr im e  m o v e r   as  p er   W T  n o r m s  a n d   f o l l o w s   t he  s pee d - t or q u e  fe a t ur es  o f   t h e   WT. T h i s  o u t put  o f   the  tes t   r i g   i s  benc hma r ked  w i t h   t he  p r ove n  t es t  r i g s   [ 1 8 - 21]   b y  an a l yz ing  t h e   ge ner a te d   c u r r e nt   s pe c t r a .   With  H I L   s i m ul a t or ,   shor t  cir c ui t  f a u l t   has  be e n   a nal y ze d  i n   t he  t e s t  r i g  us ing  th e   F F T  an a l y s i s .        F i gur e  1.   W T  D i str i b u t i on  o f   f ailur e s  da t a       2.   WIND  T U R B INE EMULA T OR  M ODEL   To  i m ita t e   t he   w in d  t u rb ine,  t he   t e s t-r i g  wa s  with   t he   s pe c i f i c a t i o ns  a s   me nt i o ned   in  T ab le  1 .   The   bl oc k  di a g r a m   and  e x per i m e n t al  s e t u p   o f  the   test  r ig  a r e   i l l u s t r a te d  in  F i g ur e   2  and  F i gur e  3  [1 9,   23- 2 4 ] .       Ta ble   1.   P a r a me t e r s   o f   w i n d   t ur b i ne   S p eci f i cat i o n s   V al u e   Ra t e d  powe r   800  Wa tts   Ra t e d w i nd  Spe e d   7 . 5  m /s e c   Ra dius  o f  WT  1 . 5  m   Powe r c o e f fic i e n t   0. 49   WT  i ne rti a  c o e f f i c i e n t   ( m i n- m a x)   0 . 08  kgm 2- 0. 18  kg m 2   Optim u m   pow e r  c oe ffic i e n t  (β = 0 ⁰ )   0 . 412   Optim u m  T S R   ( β = 0⁰ )   8  Ge n e r a tor ty p e   S C I G  Drive t r a in   D irec t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       H a rd w a re- i n- t h e- loo p  si m u l a to r  of  w i nd t u rbi n e em ul a t o r  us i n g labv ie w  ( H im an i)   97 3     F i gur e   2.   E xpe r i m e nta l   s et up- Bloc k   d i agr a m           F i gur e  3.   A ctu a l  Ex pe r i me n t a l   s et up       3.   WIND  T U R B INE AERODYNAMI C  M ODEL     The  a c c e ssib l e   w i nd  pow er   o f   a  WT  w it h  l e ng th  L ,   r a diu s   R ,   ,  a i r   densi t y   ρ  ,  s w e p t  a r e a   A ,  p o w e r   c o e f f i ci en t   C  a n d   wi n d  s p eed   v   i s  gi ven  b y [ 9 , 1 7- 1 9 ] :     P 1 2 ρ v C A  ( 1 )     P o wer  c o effi c i ent  i s   t he  f u n ct io n  o f   tip  s pee d   r ati o   ( λ)   w it h   ω   i s  the  ro tor  ang u l ar  v e l oc it y ,   w hi c h   i s   spec ified a s     λ R ω / v          ( 2 )     C   -  λ   r elatio ns h i p  ar e   pr e s ented  in  F igur e   4  [ 1 1] .        F i gur e  4.   P ow e r   C o- eff i c i e n t  and  T i p  spee d  r a t i o  char acter i s tic s of a  W T    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    9 7 1   –   9 86  97 4 The   n u m e r i ca l  appr oxim a t i o n   o f  t h e  p o w e r   coef f i c i e n t  c a n  be   c om pu te d  a s   [ 11- 1 4 ] :     C p λ  , β C 1 C2 λi C 4 C 3 β e C 5 λi C 6   λ    ( 3 )     The   m e c h an ic al  t orqu e  pro duce d   c an  b e   c o mpu t e d   f r o m  the  sh a f t   s pe ed  a n d   W T  pow er   a nd  as    gi ve n  by  [ 1 1- 1 4 ] :     T win d 1 2λ ρπ  v 2  R 3 C p      ( 4 )     The   WT   d yna m i c  m odel  can  b e  i l l u s t r a te d  a s     J r dω r dt T wi n d -  T ge n T rf    ( 5 )     Where T   - t h e g e n e rato r  to rqu e ,     T    -   th e  ro to r friction   to rqu e ,       J   -   t he   e qu a l ing   i n te r i a  of   t he  r ot or .       4.   HARDWARE-IN- T H E-LOOP (HIL) S Y S TEM  G r a phi c a l   ill us tr at io n  of   t h e   W T  a nd  H I L  sys t em s  ar e   pr ese n te d  i n  t h e  F i g u r e   5 .  T h e  H I L  s y s t e m   i s   m a de   t o  e q ui p p ed  w it h  22 0  V ,   1 . 5   k W  i n d u ct i on  ma ch i n e  a s   t he  p r im e   m over ,   a   2 . 5   k W  se pa r a te ly   e xci t e d   D . C   m o t o r .   F or   d ata   a c q uisi t i on   c a r d,   A dva nte c h   4 70 4 is u sed  as   a n  i n terf ace   b e t ween ha r d w are   a nd  s o ftwar e   ( L ab VIEW).           F i gur e  5.   ( a)  R e p r e se nta t i o n  o f   W T  syste m s,  ( b)   H I L   s imulator   s yste m       F i gur e   5  ( a )   [1 5- 1 6 ]   pr esent s   t he   d y n a m ics  o f   t he  W T  s y st e m .   Th e  si m i l a r   dy nam i c  be ha v i or   c an  b e   i m i t at ed   b y   t h e  H I L   s y s t e m :     J m dω m dt T m -  T loa d   (6 )     Where  J is  t he   c or r e spon di n g   i ne r t ia  a t  t h e   m o t o r   side ,   T   i s  the   mo t o r  to rqu e ,  ω   i s  th e   rot a tion a l   sp eed   o f   the  mot o r  shaft ,   a nd  t h e   to ta l l o ad  t or q u e,  T   is  spec i f ied as:    T loa d      T ge n τ T hf   (7 )     Where  τ  is  t he  g ea r  r a tio,  T    i s  the  t o r q ue   o f  t h e  gener a tor ,   a nd  T    i s  t h e  frictio n   to rqu e .   Th e  ro tation a l  spee d  of   t he  g e n er a t or ,   ω  ,   i s  li n k ed  t o  the   m o t o r   spee d  b y   ( 8)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       H a rd w a re- i n- t h e- loo p  si m u l a to r  of  w i nd t u rbi n e em ul a t o r  us i n g labv ie w  ( H im an i)   97 5   ω ge n     ω m τ   (8 )     Wit h   t he  a ss u m pt i o n  t h a t   t h e   g e n er a t or   i s  dir e c tly  c ou ple d   t o  t he  r o t or   a nd  t h e  WT  w i t h  no  gear b o x ,   t he  r o t a t i o n al  s pe e d   o f   t h e  r o t o r   w o u l d  be  s im i l ar   t o  a s   t he  r ota t i o n a l   s peed  o f  the   ge ne r a t o r   in   t he  H I L   s yst e m   a s :    ω ω    (9 )     T h e  p e rfo rma n ce   o f   th e  WT   s y s t e m,  w i t h   t h e  su it ab l e   m ot or  t o r q u e  T ,   c a n  be   i m i t a t e d  b y  the   H I L   s im ul a t or .   F r o m  th e   ( 4 )-(8 ) th e ref e r e n ce to rqu e   i n   th e simul a to r can   b e  c ompu te d  as:     T m      T loa d J m τ J w T win d T rf T gen   ( 10)     The   re prese n ta t i o n  of t h e  HIL  system  a nd W T  syst e m  ar e p r esente d   in  Figu re 6  w h e re f o r  imitating  th e   r o t o r   dy na mics,   the  motor   i s   u se d  a s   a n  actua t o r .           F i gur e  6.   R e p r e sen t at i on  o f   t he  H I L  S yst e m,   W T  dynam i cs ,   and  r e feren ce  mo to r  to rqu e   calculation      5.   T H E   C O NT RO L   A L G O R IT H M   To  c a l cu la te  t h e   f r e que nc y  o f   w in d  spe e d   i n   the  v a r i ou s  r a ng e s ,  t h e  s u b p r o g r a m  w a s  d e v e l o p e d  a s   show n  in  F i g u r e   7 .   T o c a lc ula t e  t h e  va l u e o f   t he  p ow er   c r e a t ed  b y  t he  W T  as de s cr i b ed  i n   ( 1 ) ,  the  s ub pr o g r a m  is sho wn   i n   Figu re  8 .           Fi g u r e   7 .  A su b p r o g r a m  p ro du c i ng  t h e  wi n d sp e e d  v a r i a b ilit y   in   LabVI E W    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    9 7 1   –   9 86  97 6     F i gur e   8.   A   s u bpr ogr am   m easur ing  t h e   p o w e r   pr oduce d   b y   the  w i n d   t ur bine   i n  La bV I E W      The  pow er   c o e f f i cie n t  as  d e f i n e d   i n  the   e qua t i o n   ( 3) ,   t h e  V I   a s   s h o w n  i n   F i gur e  9,   w hi c h   i s   interface d   w i th  t h e   t est  r i g  usi ng  DAQ  was  d e v e lo p e d  in   t h e   L ab V I E W .   T h e   V I  b l o c k  a s   p r e s e n t e d   i n  t h e   Fi g u re   1 0  fil t ers  th e  h i gh   h a r mo n i c  c ont e n t s   i n   t h e  rea l -ti m e  c u r r e n t  s i g n a l .  T h e  P I   c o n t r o l   i s  i m p l e m e n t e d  i n   the   La bV I E W.   P I   c ont r o lle r   tune s  t h e  e r r o r   in  t he  c ur r e nt  by  c o mp aring   th e  referen ce  c u rren t   w ith   t h e   actu a l  cu rren t .   Th e PI with  a ref er ence   poi n t   c on tr o l   a s:    u t K e t K e t dt   ( 11)     Where :   u t   i s  ac t u a t i n g  si gna l   K p   is pro por ti o n al  g a i n   K i  is in tegr al  g ai n    e t   is  e r r or   s igna l   The   La pla ce  tr ansf or m  of  t he  a c t ua ti ng  si g n a l   i n t e g r a t i ng  i n   p r o por t i ona l  p l us  i nte g r a l   co n t r o l  is     U s K  K E s   ( 12)     The  PI   c on tro l   o f  D . C  Mo t o r  sys t em   w it h  t h e   cl ose d   l oo p   syste m   is  p r e se n t ed  i n  F i g u r e  10.   B ot h   r e fe r e nc e cur r e nt  a nd ac tua l   c ur r e nt ar e   c o m par e d an d  t h e n  app l ied  t o  P I   c ontr o l l er .   B y  u si ng  t h e   pr o por t i o n al   ga in,   K   i n  an  i n t e r ac tive   f a sh ion,   t un i ng  t h e   con t r o l l er   f or   o p tim al  p e r fo r m anc e   w as  done  m an ual l y .   I n   a   sim ilar   wa y,  i nte g r a l  ga in  K   w as  c hose n   t o   r e duce   t h e  s t e a dy- s t ate   er r o r   t o   z e r o.   T he  c on tr ol   e n v i r on me n t   t h en   c o mmu ni ca t e s  a  c ont rol   si g n a l ,   0 -10 V   r e l a t ed   t o   cu rren t   d e ma n d ,   t o   t he  v ar i a bl e   sp e e d  D . C  dr i v e  in  r e a l  time .           F i gur e  9.   T he   s ub pr o g r a m  calc u la tin g  t h e   co e f f i cie n t  Cp     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       H a rd w a re- i n- t h e- loo p  si m u l a to r  of  w i nd t u rbi n e em ul a t o r  us i n g labv ie w  ( H im an i)   97 7     Figure   1 0 .  LabVI E W  i n ter f a c e for D i gi tal P I   C o n tro l ler,  Curre nt   f il t e r bl o c k      To  c o n t r o l   t h e   spe e d  of   t he  D . C   m otor ,   a  th yr i s t o r - b a s e d   D . C   d r ive   has  been  u se d.   D .C  d r i ve  c a n   ope r a te  a s  a  f our - q uadr a n t  dr i v e  a n d  a l low s   t or que   c o n tr ol  a n d / o r  s p e e d  c o n t r o l   o f   a  D . C  m o t o r .   B y   m a inta i n in g   c o nsta nt  f ie ld  c ur rent  a n d   c o n tro l l i ng   t he   a rma t ure   c u r re nt ,  it   a l l o w s  con t ro l l i n g   t h e  sp eed   o f  the  D . C   m o tor .   F igur e   1 1   s how s  the   c o n t r o l  sc he m a   o f   D . C  dr i v e .   B y  u s i n g  th e  La b V IEW  P I ,  sp e e d  demand s   a r e   c o n v er te d  int o   t he   c ur r e n t   d e m a nds.         F i g u r e  11 . Co n trol sch ema o f  D.C  d riv e       The  r eal- time   code   i s   a l s o   w r i t t en  i n  the   La bV I E W  w h ic h   a c k now l ed ge s  t h e   in ter r up t  a n d   tran sfers  the   o u t p u t   i nto   t h e   o u tp ut   c ha nne l   as  s h o w n   i n   F i gur e  1 2 .   F o r   a r m atur e   v o lta ge   r e g ula t i on,   t he   i n put s  to   t h e   ful l   wa v e   h al f   co nt rol l e d   recti f i e r  c i rcu i t   are  t h e  co nt rol l e d  si gna ls  f r o m   t h e  deve l ope d  LabV I E W  V I ’ s .   B y   switching   ON  th e  relay   th r o ug h  digital  ou tpu t   c o n trol  o f  DAQ,  t he   ope r a ti o n s  o f   t he   m otor   a r e   s t a r t ed.   T h e   r eal-tim e  da ta  i n p u t s   like   D. C   mot o r  speed   a nd  curre n t   a s  se en  i n   F i g u r e  13  a r e  ac q u ir ed  b y  ge ner a tin g  a n   in terr up t .   B e g inn i ng  fr om  l e f t   to  r ig h t ,  the   sim u la t i on  e x ec ute s  se q u e n ti a lly,   fr om   s our c e   to  s i n k  bl oc k .   T his  pr o c ess  is   ite r a ted   ove r   t h e  de sir e d  t i m e   p er i o d   us i n g   the   o p er at o r   d ef in ed   t i m e   st ep .  B e g i nn ing   t h e  pro c e s s,  the  s i mu lat i on  r e trieves the  sh a f t  s p e e d  of  t h e   g ene r at or  f r o m   t h e   ta ch o- ge ne r a t o r   over   t h e  D A Q   c ha n n e l .   The  hi g h   h arm o n i c  con t e n t s   i n  t h e   re al-time   spe e d   s ig na l  a r e  fil t er e d   b y   t h e  L P F  fil t er   a s  sh ow n  i n   F ig ur e  14  a n d   the n   t he  f ilte r e d  s p ee d  is  f e d   i nt o  t h e   WT  m ode l.  Bas ed  o n  the   use r   r e q u i r e m e nts ,   t he   t e s t   r i g  c a n  be  co nt rol l e d  at   e it h e r  con s t a nt   o r  v a ri ab l e   s p eed .  T h e   resul t s   i n   t h i s  re sea r ch   a re   r est r i c t e d  to   t wo  v ari a bl e   s p eed  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    9 7 1   –   9 86  97 8 dr ivi n g  co n d i t i ons  d em o n str a t i n g   k n o w n   W T  dr i v i n g  co n d iti on s.   T o  r e d u c e   t he  v ol ume   of  d a t a  r e cor d e d ,   the  num ber   of  d if f e r e nt  d r i vi n g   c on d i t i on s  w a s ke p t   t o  a  m i ni m u m.           F i gur e   1 2 .   LabV I E W  i n te r f a c e  for   w r ite- out pu t  an d  ackn o w led g e   i n t er r upt           F i gur e  1 3 .   La b V I E W  V I   f or   i nter r u pt  i n p u t s           F i gure  1 4 .   La bVIEW VI  f or Spe ed f ilter   b l oc k       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       H a rd w a re- i n- t h e- loo p  si m u l a to r  of  w i nd t u rbi n e em ul a t o r  us i n g labv ie w  ( H im an i)   97 9 F o r   r e al- time   c o m m unica t i on  betw ee n  the  us er   a nd  WTE  te st  r i g ,   t h e  c o n t rol  pa ne l  as   p r e sen t ed   i n   F i g u r e   1 5  de ve lo pe d  i n   L abV I EW.   The   U s er   c an  c ons t i t u t e   v ar i o us   p ar am eter s  of  W T E   s uch  as  W T  Ra di us,  Win d   s pe ed,   M o t o r   O N / O FF ,   P r opor t i o n a l   I nte g r a l   G a in,   S p ee d  Con tr o l   a nd  int e gr at ion   of   M i c r o so ft  o ff i c e   f o r   da t a  st o r a g e .   T he c o n t r o l   schem a   a s  i l l u s t r a te d  i n   t he  F i g u r e   16 t h a t  ha s  bee n  imp l em ente d  i n cl u d es MP P T  us in g  a  ch o p p e r   contr o l l e d   c ir cu it,   m ode l i ng  of  W T  i n   L abV I EW,   an d  p i tch  c o nt r o l   schem e   u s i n g   a   P I  co nt rol l e r.  If  t h e  WT E   wo rks  at   t h e   o pti m u m   t i p   s p eed   r a t io ,  ma xim u m  pow e r   c a n   b e  o b t ai ne d  fr om   t h e   e m ulat or   f or   a   c o n s t a n t  w i nd   s pee d .   By  c o m par i n g   t he   a ctua l  ti p   s pe e d   r atio n  w ith  t h e   o p timum   t i p   s pe ed   r a tio,   MP PT c on tro l  lo g i c ge ner a tes the   ga t e  pu l ses us in g the P W M  tech ni q u e.   T he   m ai n t a s k  of the h a rdwar e   in  t he   l o o p   s i m ula t or   d e v e l o p e d   i n  the  La b V I E W  is  t o  estab l ish  th e   bi -d i r ect io n a l   commu n i cat ion   wi th   t he  ma ch i n e ;   acq uire me n t   o f   t e rmi n al   vol t a g e   a nd   g en era t o r   c u r re n t ,   c alcu la t i o n   o f  tip  s pee d   r a tio,   C   -  λ   c ur ve s ,   im pl e m e n ta t i o n   o f  MP P T   a nd  TS R   al g o r ith m s ,   com put a t i on  of   p i t c h   a n g le   a nd  ge ner a ted  e l ec tr ic  p o w er   a s  pe r   the   w i n d   s pee d   d a t a .   F igur e  1 7   p r e se nt s  t h e  schem a tic  l a y o u t   o f  t h e  i n t e r f a c e  c i r c u i t  e s t a b l i s h e d  i n   La bV I E W.   T he   c o m par i so n  o f   t he   a c t ua l  cur r ent  w i t h   t he  r e f er enc e   cur r ent   is  p r e sente d   i n   F i gur e   18.               F i gur e  1 5 .   Con t r o l  P a nel           F i gur e  1 6 .   B l o c k  di a g r a m   of   t he  c on tr o l   s che m a  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    9 7 1   –   9 86  98 0     F i gur e  1 7 .   C ur r e nt  c ontr o l  cir c ui t           Fi g u r e 18 . Ac t u al  c u r re nt  v s. R e f eren ce  cu rren t       6.   RESU L T S  Th e   exp e r i me n t a l   s e t - u p  is  r u n   und e r   d if fe rent   w i nd  sp e e d s   f o r   comp a r i s on   o f  p o w er  s p eed   c h ara c teris t ics of re a l WT an d   desi g n ed WT E . Initia ll y, the  se t  u p is  r u n   u nder   a  co ns tan t  w ind  spe e d   o f  6  m/s  wit h   t he   b ala n ce d  t h r ee- p h as e  l o ad   a pp l i ed   o n   the   ge nera t o r .   T o   o bta i n  p o w e r   ver s u s   s p e e d   c har a cter i s tic s  of   the  WTE,   t hi s  p r ocess  is  r e p e a te d  for   d i f f e r e nt   w i n d  spe e d s .   F i g u r e  19   i l l ust r a t ed   t h e   powe r - s p e e d   f ea tu re s  o f   WTE  a n d  WT.   d o t  va lue s   r ep r e sent  t he  e xpe r i me nt a l   m ea s u r e m e nt  w he r e a s   s o l id   l i n e  de pi c t s  t h e  t h eor e tica l   c a lcu l a t io ns  o f   the  wi n d   t urb i ne.  The r e  i s   a   r igh t   d e g ree   of  a g r e e m e n t  be t w een  t he  m e a sur e d  va lue s   a nd   c a lcu l a t e d   v a l u e s  a s   obser ve d   i n   t h e   F igur e  19.   T he  p er f o r m a n ce   a ssessm ent  o f   act ual   (power,   c u rrent )   a n d   r e fe renc e (power , curre nt)  a r e   illus t rate d  i n   t he Fig ure   20 a n d  Fi gure 2 1 . It  i s be de p ic ted   from   the re sul t s  t h a t   ha r d w a r e   i n  l o op  sim u la t o r   e ffic i e n tl y  r e pr oduc e s   t he  W T  char ac te rist ics.    The  ex pe rime nt a l   r e s u l t s   o f  t h e   tes t   r ig  u s i ng  the   s t ea d y   s ta te  s p e c t r a  a n a l y s i s   w e r e  b e n c h m a r k e d   w i t h   t he   r e s ear ch  d one  a t  D u r h am   U niver s it y  an d  U n i v e r sity of M an ch e s te r  U K   [ 2 5 - 28 ].  T a b l e   2   c on t a in s   th e  spec ifica t i o ns  o f  the  tes t   r ig s .   T h e   W TE  was  run  u p   t o  the   r e qu ir e d   s u p e r - s ync hr ono us  s pee d   u s i n g   t he   H I L   sim u la tor   a t   t h e   c o n s t an t  w i n d   s pee d   o f  7m/ s .  De spite  d iff e re nt   l e v el s  sp e c if ica t i o ns  a s   tab u l at ed   i n  Ta bl e   2,   the   cur r en t  s p e c tra is pre se n t e d  in Fi g u re 1 8 [1 8 - 2 1 ], Figure   1 9 [ 1 8- 21]  a n d  F i gur e  20 su gge st sim ila r   s p e c tr a l   c o n t e n t .   W ith  t he   f u nda me n t a l   f r e que n c y  a n d   3r d  har m onic,   f r e qu en c i es  ‘ c ’   a n d   ‘ d ’   a re  a sso ci a t ed .  Th ese  f r e que n c ies  a r e  stead y  i n   a l l   the   m a c h ine s .   Ma ch i n e  de pe nde n t   f r e q u enc i es  ‘ a’   a nd  ‘ b ’   a n d  fr eq ue nc ie s  ‘ e ’  an d   ‘f’ al so   p resen t s th e alik e  resu lts no tw i t hstan d in g   diff ere nt  ope r a t i ng  e nvir onm en ts.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.