Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   3 ,  Septem be r 2020 , pp.  1197 ~ 1210   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 3 . pp 1197 - 1210          1197       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Modeli ng, sim ula tion and  contr ol of a do ub l y - f ed ind uction  generat or for wi nd ene rgy c onversion s yste ms       Boumeri d Be nsa hil a  Med E l Amine 1 ,  Allali  A h med 2 ,  Merabet  Bou l ou ih a  H ouari 3 ,  De na i  M ou lo ud 4   1 ,2,3  Facul ty   of El ec tr ic a l Engi ne er ing,   Univ ersit y   o f  Scie n ce s  and T ec hnology   of  Or an  Med  Boud ia f ,   Alger i a   3   Ec ol e  Nat ional e  Polyt ec hniqu e of  Oran, Alge r ia   4   Univer sity  of   H ert fordshire ,   U ni te d  K ingdo m       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le   hist or y:   Re cei ved   M a r   16 , 201 9   Re vised  Ju l   8 ,   201 9   Accepte d  Apr   9 , 2 0 20       In  recent   y ea rs ,   wind  ene rgy   has  bec o me   on e  of  the   most   promi sing   ren ewa bl e  ene r gy  source s.   Var ious  wind  turb i ne  con ce p ts  wit h  diffe r ent  gene ra tor  topol o gie s  have   b ee n  deve lop ed  to  co nver t  th is  abund ant   en erg y   int o  elec tr ic  po wer.   The  doubly - fed   induc t ion   g ene ra tor   (DF IG)  is   cur r ent ly   the   most   co mmon  type  of  gen e rat or  used   in  wi nd  far ms.   Us ually  the  DF IG  gene ra tor  is  a   wound  rotor  in duct ion   machin e,  where   th e  st at or  ci r c uit  is   dire c tl y  connect ed  to   grid   whil e   the  rotor’ s   win ding  is  connect e d  to  the  grid   via  a   thr ee - ph a se  conv erter.  T his  pap er   desc r ibe s  an   appr o a ch  for   the  inde pend ent  con trol  of  the  a ct iv e  and  react iv e   p owers  of  the  var ia bl e - spee d   DF IG.  The  sim ula ti on   mode l   i ncl uding   a   1 . 5   MW - DF IG  drive n  by   a   wind   turbi ne ,   a  PWM   bac k - to - ba ck  in ver te r   and   th e  pr oposed  cont ro l  s tra t egy  are  deve lop ed  and   im plemented  us ing  MA TL AB/ Simul ink/ SimPo werSys te ms  envi ronm ent .   Ke yw or d s :   DF I G   M PP T   PWM   SimPo we rSystems   Simuli nk     Win d  e nerg y   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 :   Alla li  A hme d ,    Dép a rteme nt de Gé nie Elec tri qu e , F ac ulté  de  l’éle ct ro te c hn i qu e ,   Faculty  of Elec tric al  Engineer ing ,  Unive rsity  of S ci e nces a nd Tec hnol ogy of O ran Me d B oudiaf ,  Alger ia .    Emai l:  all al ia@ ya hoo.co m       1.   INTROD U CTION     In   t he  la st  dec ade,  i nterest  in   wind  e nerg y  use   has  gro w n  c on si der a bly.  I n  Eu rope  30 - 40%  of  ne wly   instal le d  ren e wab le   e nergy   capaci ty  wa s  f rom  wind  pow er  [ 1] .  T he  U.S  an d  China  a re  cu rr e ntly  th e  worl d  le ader s  a nd   do minate   the  gl obal   instal le d  w ind   e nerg y  [ 2,   3].  I n  20 10,  th e  world ’s  ge ne rati on   ca pacit y  from   wind e nerg y w as 19 6.630 G W  a nd r eac he d 2 40 GW   by th e en d of 2 011 [ 4].   With  t he  e xp ansio n  of  t his  re new a ble  e nerg y  resou rc e  an d  it s  inc r eased  pe netrat ion  into   the   el ect rical   gr ids ,  wind  tu rb i ne  (W T )  te ch nolo gy   is  c urren tl y  on e  of   t he  w orl d’s  fastest   gr ow i ng,  cost - ef f ect ive   ren e wa ble en e r gy tech no l og ie s in  t he  ma rket  [5] .   Win d  powe r   ge ner at io n  is  s ubje ct   to   fl uctua ti on s   due   to   th e  inter mit te nt  natu re  of  wind   ene r gy  a nd   wind s pee d var ia ti on s.  T his is  more e vid e nt  wh e n mult iple  gen e rato rs  a re  connecte d t o a  weak g rid  [6].    M a ny   t opologi es  for  wind  tu rb i ne s  ha ve  be en  de sig ned   t o  re duce  the  f luctuat io ns   of  the  outp ut  powe r.   D oubly - fe d  i nductio n  gen e rato rs  ( DFIG )  a re  t he  most   widel y  us e d  typ es   of  ge nerat or s   in   wi nd  e nerg y  conve rsion  s yst ems.  T his  to polo gy  can   offs et   it s  ou tp ut  power   t o  sta bili ze  fluct uations  by  a  facto r  of   t ypic al ly   up   t o  ±  30%.  Howe ver,  this  dev ic e  is  sti ll   small   con si deri ng   the  range  of   var ia ti on  in   pr act ic e  of  th e  wind  sp ee d.   Re searc her s  ha ve  pro pose d  that  ene r gy   st or a ge  s ys te ms  are  a  de sirable  ch oice  to   further   mit igate   the   eff ect s  of s hor t - te rm win d flu ct uations [ 5,   6].   Fixed - s peed  in du ct io n  ge ne ra tors  are   c on st ra ined   to   ope rate  nea r   the   sync hro nous  s pee d,  b ecau se  t he   fr e qu e nc y  is  i mpose d  by  t he   netw ork;  th e  ro t or  sp ee d  is  al mo st  c onsta nt.  Va riable - sp ee d  wind  t urbine   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 .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    11 97   –   12 10   1198   sy ste ms ,  on  th e  ot her  hand,  are  a ble  t o  op erate  ov e r  a   w ide  range   of  wind  s pee ds .   Fu rt hermo re,   usi ng  a n  appr opriat e  m aximum  po we r  point  trac king  ( M P PT)  st r at egy ,  va riable - sp ee d  wind  tur bin es  ca n  produce   maxim um  power  at   va ry i ng  wi nd  s pee d  c onditi ons.   F or  va riable - sp ee d  wind   tu r bi ne   s ys te ms   with   li mit ed   sp ee d  ra nge, e . g.   ± 3 0% of sy nchr onous s pe ed,  t he DF IG c an be the  s olu ti on of c hoic e [ 7].   Un li ke   c onve nt ion al   wind  t urbi ne - dr i ven  s yn c hro nous  ge ner at or s ,  t he  outp ut  c har act e r ist ic   of  the  var ia ble - s peed  wind  e nerg y  c onve rsion  s ys t e ms  ( WECS )  dep e nds  not  only  on  the   dy na mics  of  the   ge ner at or  bu t  al s o  on  th e  co nv e rter  c ontr ol  strat eg y  employe d.   C ontr ol  strat egies   of  D FIG  have  bee n  e xtensi vely   discusse d  by   s ever al   a uthors  [8,  9].  I n  [ 10],  var io us   c on t r ol  mecha nisms   for  the  D FIG   hav e  bee n  re ported   us in g  sta to r  flu x  or ie ntati on   i n  the r efe ren ce   f rame α - β. I n  [ 11]  an d  [12],  t he   sta tor  flu x  ori ented  c on t ro l of   t he   gen e rato r  DFI G  has  been  stu died  but  with out  an y  c ontr ol  of   t he  gr i d  si de   an d  DC  li nk  vo lt age s.  In  [ 13] ,  the  auth or s   stu died  the  e ff ect   of  act ive  an d  re act ive  powe rs  var ia ti ons  by   a   dec ouplin g  co ntr ol  meth od  f or   t he   act ive  an d  rea ct ive  po wer s .  Howe ver,  the   influ e nce  of  di ff e ren t  l oad  ty pes  on  t he  gr i d  a nd  powe r  qual it y  accor ding   to   t he   loa ds  co nn ect ed  t o  t he   ge ner at or  DF I G   ha s  not  be e n  a ddresse d.  T his  pa per  pr es ents  a   com pr e he ns ive   simulat ion   st udy  of   t he  va riat ion s  of   r eact ive  powe r   on   t he  gri d  unde r  dif fer e nt   load   conditi ons  ( res ist ive,  in du ct iv e  an d  ca pacit ive)  an d  a naly se s  the  in flue nce   of  these  l oads   on  the  DFIG   powe r  factor w hic h re flect s the  qual it y  of t he power  g e ner at e d.   The  main  a dva ntage  of  usi ng  DF I Gs   in  wind   tur bin es   is  tha t  they  c onnect  directl y  t o  the   netw ork  via  the  th ree - ph a se   sta tor  windin gs  an d  do  not  r e qu i re  a dd it io na l  conve rters.   T his  co nfi gurati on  has   bec ome   no w  v er y  po pu la r   f or  var ia ble - spe ed  wind   tu rb i ne s  [ 14] .  T his   is  mai nly  beca us e   the   po wer  el ect ronic  c on ver te r   mu st  handle  only  a   f racti on  of  20%   to  30%  of   t he  total   power   ge ner at e d  by  the  DFIG   [ 14,  15].   The refor e ,  the   losses  in  t he  powe r  el ect ronic  co nverter  ca n  be  re duce d.   T oday ,  the   DFIG  is  t he  mo st  c om m on ly  us e d  var ia ble - s peed  machine  in  produ ct io n u nits a bove 1  MW.   This  pa per  pre sents  a   stu dy  of  a  DFI G  dual - powe red  ge ner at or  co nnec te d  with  i ndust rial   loads   to   le arn  t he  im pa ct  o n t he q ualit y of v oltage a nd c u r ren t  by a pplyin g  i nductiv e or ca pacit ive  loads .   The  ai m  of  this  pap e r  is   t o  desig n  an   i nd i rect  ve ct or  co ntr ol  decoup li ng   strat eg y  t o  ac hieve   ind e pende nt  co ntr ol  of  the   act ive  an d  reacti ve   powe rs  of  th e  DFIG - WT  c onve rsion  s ys t em.  A  detai le d  mode l   of  the   DF I G  is use d  to  d esi gn an d  e valuate  t he   pro pose d  c ontrol  strat e gies.  Th e  a utho rs  present  a   te ch nique o f   the  sta tor  qu a drat ur e  flu x  al ong  t he  axis  to  con t ro l  the  act i ve  an d  reacti ve   powers  of  the  DF I G.   The  pro po s ed   con t ro l  a ppr oa ch  is  e valuate d  under  resist i v e,  i nductive  a nd  capaci ti ve  l oads  co nnect e d  betwee n  the   DFIG   and the  gri d.   The   rest   of   th e  pa pe r  is   org anized   as   f ollo ws:  Sect ion  2  introd uces   the   ove rall   sim ulati on  m od el   structu re   inclu ding  mathemat ic al   models  of  the  wind  t urbine.  Th e  pro po s ed  M P PT   meth o d  us ed   in   the   mode l   is  al so   prese nt ed.   Sect ion  3  of   t he  pap e r  presents  t he  m odel   of  the   D F IG   a nd  it s  in di rect  vecto r  c ontr ol   scheme  us i ng  Par k  tra ns f orm at ion ,  t he  c on t ro l  of   t he  DC  side  volt age .  Finall y,   t he  si mu la ti on  res ul ts  and   con cl us io ns  a r e summariz e d  i n  Sect io n 4 a nd  5 resp ect ivel y.       2.   PROP OSE D WIN D  E NER GY CO N VER SION S YS TE M MO DEL   The   pr opos e d  ci rcu it   is   s how n  i n  Fig ure1 .  I t  co ns ist s   of   a  three - blad e  wi nd  t urbine   c onnected   to   a   var ia ble - s peed  DF I G.   T he  st at or   ci rc uit  of  the  DFIG  is  directl y  c onne ct ed  to  the  gr i d,   wh e reas  the   ro to r   windin g  is   c onnected   to   the   gri d  via   tw o  P W M - c on t ro l le d  IG BT - c onve rters.   T he  t wo  conve rters   are   coupled   thr ough a  DC l ink  ca pacit or.    The   r otor - si de   co nverter   c ontrols  si mu lt ane ou sl y  t he  a ct iv e  an d  reacti ve   po wer s   by  a dj us ti ng  the   amplit ude,   f requen c y  an d  pha se  of  the   r otor   vo lt age s.   T he  a im  of   the   gri d - sid e  c onve rter   is  to   re gu la te   the  DC   li nk   vo lt a ge.   T he  in puts  to   th e  co ntr ol  syst em  are   the  volt ages  a nd  c urrent s  on  the   sou rc e  side  a nd  the   vo lt age   on   t he  DC  si de .  These  quantit ie s  are  trans f ormed  int o  their  d  an d  q  co mpo nen ts .  A  phase - loc ked   l oop  ci rcu it   is   us e d  to  s yn c hro nize the  fr e qu e nc y of t he  s ys te m  with t he netw ork fre que ncy.       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       Mo deling, sim ula ti on  and  c ontrol  of  a do ubly - fe d  in duct io n  …   ( B oumeri d  Be nsah il a M ed  El A mine )   1199     I ndu c t i on G e ne r a t or W i nd T ur bi ne DC AC AC R f L f   AC / DC / A C   c o n v e r t e r       C gri d   C ro t o r P s Q s P m C ont r ol v r a b c v g a b c T hr e e  phas e G r i d G e a r box   R ot or S t a t or i n d u st r i a l   l o a d     Figure 1.   Win d t urbine   with   a   DF I G         2.1 Mo deli ng   t he w in d turbi ne  wi th   MPP T  str at e gy   The   relat io nship   bet ween  the   wind   sp ee d  a nd  the  aer odyna mic  mecha nical   power   e xtract ed  f rom  the   wind ca n be  de scribe d  as  foll ows  [16 ,  17 ]:     23 1 . . . ( , ) . 2 mp P R C v =   (1)     Pm: is t he  mec han ic al   powe r of t he win d  t urbine [ W] ,   β: i s the  or ie ntati on  a ng le  of t he blades  [ ° ].   The  po wer   c oe ff ic ie nt  Cp  de fines   the  ae r odynamic   ef fici ency   of   t he   wind  tur bin e .   It  dep e nds  on  the  char act e risti c of the  turbine  a nd is a  fun ct io n of t he  s pee d rati o  λ   a nd the  ori entat ion   an gle  β of the  b la de:     ( ) ( ) 5 2 1 3 4 6 , i C p i C C C C C e C −  = − − +     (2)     The val ues  use d for the   coe ff i ci ents C1  -   C 6 are  giv e n  in  Ta ble 1 [ 18]:       Table  1  Coe ff i ci ents of the  tu rb i ne   C 1   C 2   C 3   C 4   C 5   C 6   0 .51 7 6   116   0 .4   5   21   0 .00 6 8       With     3 1 1 0 . 0 3 5 0 . 0 8 1 i =− + +   (3)     λ is d e fine d  as   the r at io  of t he l inear  velocit y at  the end o f  th e b la de  and is   giv e n by :     m R v =   (4)   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 .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    11 97   –   12 10   1200     It  can   be  obser ved  f r om   Fig ure  2  that  t he  power  coe ff ic ie nt   reac hes  a   ma xi mu m   f or  a  pitch  a ngle   o f   0°   a nd   a   pa rtic ular  value  λ nom  =  8.1  of   t he  vel ocity  rat io.  T he  po wer  coeffic ie nt  va lue  co rr es pond ing   to   λnom is C pm a x  =  0.4 8.           Figure  2 .  Cha r act erist ic  o f  t he   powe r  c oeffi ci ent   as a  funct ion   of   λ       Dep e ndin g  on  the  wind  aer odynamic   c onditi on s ,  the re  exists  an   opti mal  operati ng   point  wh ic h  al lows   t he  ma ximum  powe r  to  be   ext racted   from   the  t urbi ne.   This  ca n  be   achiev ed   by  ei ther  c on t ro ll ing  th e   ro ta ti onal   s pee d  of  the  t urbin e  or  the   po wer  of  the  t urbine .  Seve ral  MPPT   meth ods  ca n  be   us e d  ei the r  w it h  or  without  the  knowle dge  of   t he  wi nd   t urbi ne  cha racteri st ic s  [19].  I n  th is  study,  the   f irst  method  ha s  bee n  app li ed .   T he  opti mu m   r otati on  Ω m,  opt  f or  the  mecha nic al   trans missi on  of  the  maxi mu m   wi nd  tu r bin e  is   giv e n by [ 20]:     , nom m o p t v R =   (5)     the foll owin g  r el at ion  ca n be  deduce d:     3 , m a x , , m p o p t m o p t PK =   (6)     wh e re:     5 , , m a x 3 1 2 p op t p nom R KC =   (7)     thu s , th e  corres pondin g op ti m um  t orq ue  is:     , m a x 2 , , , , m m o p t p o p t m o p t m o p t P TK = =   (8)     On  the   po wer  char act e risti c  of  a   tur bine   (F ig ur e   3),   the   loc us  of  t he  point  r epr ese ntin g  t he   ma ximum  powe r  is  ob ta i ned by a da ptin g  the  s peed o f  t he  t ur bin e  (thic k  c urve) t o  t hat  of the  w i nd spee d.         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       Mo deling, sim ula ti on  and  c ontrol  of  a do ubly - fe d  in duct io n  …   ( B oumeri d  Be nsah il a M ed  El A mine )   1201       Figure  3.   The  c har act erist ic s   of   s ys te m   opti mu m t urbine       2.2 Mo deli ng   of t he  DFIG   The Par k  m ode l of the  DFIG  is g i ven by t he follo wing set  of e qu at io ns   [ 21]:     ( ) ( ) ds d s s d s s q s qs q s s q s s d s dr d r r d r s r q r qr q r r q r s r d r d v R i dt d v R i dt d v R i dt d v R i dt   = − + = + + = − − + = + − +   (9)     The  sta to r flu x equ at io ns are:     d s s d s m d r q s s q s m q r L i L i L i L i =+ =+   (11)     Simi la rly,  t he r otor f l ux equat ion s  are:     d r r d r m d s q r r q r m q s L i L i L i L i =+ =+   (12)     In  these   e qu at ion s ,  Rs,   Rr ,  Ls  a nd  L r  de note   r especti vel y  t he  resist anc es  an d  in du ct a nces  of  t he   sta tor  windin gs  an d  r otor,   L m  is  the  c yclic   mu t ual  in duct ance,  ω r  =  P.Ωr  is  the  ro t or   sp ee d  (w it h  P  th e   numb e r  of  po l e  pair s)   an d  ωs   is  the   s yn c hro nous  an gula r   s peed.  vds,   vqs,   vdr ,  vqr,  ids ,  i qs ,   id r,   i qr,  øds ,  øq s ,   ødr  a nd  øqr   are   res pecti vely   t he  direct  a nd  quad rati c  c omp on e nts  of  vo lt a ges,  cu rr e nts  a nd  fl ux e s  in   th e  sta tor   and r otor.   The   act ive and  reac ti ve  powe rs o f t he  sta tor  and  roto r  are  obtai ne d  as:     ( ) ( ) 3 .. 2 3 .. 2 s d s d s q s q s s q s d s d s q s P v i v i Q v i v i =+ =−   (13)     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 .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    11 97   –   12 10   1202   ( ) ( ) 3 .. 2 3 .. 2 r dr dr qr qr r qr dr dr qr P v i v i Q v i v i =+ =−   (14)     The me cha nica l and el ect rom agn et ic  t orqu e   are  giv e n by th e f ollow i ng equati ons:      r m e m r d T T J f dt = + +   (15)   ( ) .. m e m q s d r d s q r s L T P i i L  = − +   (16)     Wh e re J i s the   mo me nt  of ine rtia  and f is  the  v isc ou s  fric ti on  c oeffici ent.       3.   CONTR OL S CHE ME OF   THE  GENE R ATOR A N D CO NV E RTERS   3.1.   Control of  th e R otor  Sid e  Conver te r     The  sta to r  flu x  vect or   is  c hose n  to  be  al ign e d  with  the   q - a xis  Pa rk   r efere nce  f rame .  The  gr i d  is   assume d  t o be  sta ble and t herefo re  øsq is c onsta nt.  Th e  r esi sta nce Rs  of th e D F IG stat or i s n e glect ed.     0 ds ds q s s s v  = =   (17)   0 d s s qs vV v = =   (18)     Wh e re  Vs re presents the  r.m. s.  va lue  of the  gr i d vo lt age . T he  to r qu e   ( 16) beco mes:     3 22 m e m q s d r s L P Ti L =−   (19)     The  sta to r flu x equ at io ns ( 11) beco me:     0 s d s m d r q s s q s m q r L i L i L i L i =+ =+   (20)     Fr om  (20 ),  t he e qu at io ns l ink i ng the  sta tor an d ro t or  c u rr e nts ar e:     m d s d r s qs m q s q r ss L ii L L ii LL =− =−   (21)     The  act ive  and  reacti ve powe r s of the  DFI G give n by ( 18)  a re r e - wr it te n  as :     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       Mo deling, sim ula ti on  and  c ontrol  of  a do ubly - fe d  in duct io n  …   ( B oumeri d  Be nsah il a M ed  El A mine )   1203   2 33 22 33 22 m s s d s s d r s s m s s s q s r q s s s L P V i V i L V L V Q V i i LL = = −  = = −     (22)     The n  the  roto r vo lt age s ca n b e wri tt en  as:     ' ' m d r d r slip q s r q r s q r q r slip r d r L v v L i L v v L i   = − +   =+   (23)   ' ' dr d r r d r r qr q r r q r r di v R i L dt di v R i L dt =+ =+   (24)     Wh e re t he  sli p  angular  v el ocity ωsli p,  a nd tot al  leakage  co e f fici ent σ a re  giv en  by:     2 ,1 m sl i p s r sr L LL = − = −     The rot or side  con t ro ll er  co nsi sti ng   of  t he  ac ti ve  an d react ive  powe r  c on tr ollers is s how n i n  Fi gure  4.       D F I G D C  l i n k C T r a ns f or m e r   T hr e e  pha s e G r i d e nc ode r   θ r PI PI PI PI P o w e r   C o n t r o l ( S l ow e r   C ont r ol  L oop ) ( F a st   C o n t r o l   Lo o p ) R o t o r   C u r r e n t C o n t r o l a bc dq i s abc v s abc P L L i dqs v dqs a bc dq i dqr i r abc ω s d / dt ω r ω s l i p + - + + - - - - + + ω s l i p P * Q * Pme as Q m e as i d r * i q r * i d r i q r ω s l i p   σ   Lr   i d r ω s l i p ( Lm / Ls . øqs + σ L r i dr ) + - + + a b c dq v d r ’ v q r ’ P W M ω s l i p v a b c r * v d r * v q r * 6 C a l c ul a t e  a c t i ve   a nd r e a c t i ve   pow e r  ba s e d on  dq  c om pone nt s P m e as Q m e as     Figure  4.   Roto r  side c ontrolle r   f or  t he   DFIG       3.2  Contr ol  of t he   grid  side  converter   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 .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    11 97   –   12 10   1204   The  gri d  si de   conve rter   can  al so   be  us e d   to  co ntr ol   the  powe r  facto r  of   the  sy ste m  by   a ddin g  a   con t ro l  l oop  f or  the  reacti ve   powe r  via  t he   q - axis   cu rr e nt .  I n  t he  s ys te m,  t he  qu a drat ic   com pone nt  of  the   ref e ren ce   cu rr e nt  is  set   to   zer o  in   ord er  mainta in  a  unit y  powe r  facto r.   A   simi la r  co ntr ol   strat egy  wa s  app li ed   to  the   gr id   sid e  co nverter ,  si nce  t he  act ive   and  rea ct ive  powe rs   of  t he  gri d  side   co nver te r  ca n  be  c ontrolle d   ind e pende ntly   by  act in g  on   t he  d  a nd   q  co mpon e nts  of  the  gri d  side  volt age  [ 5].  Th e  gr id  si de  co nv e rte r   model i n Par k coor din at es s yst em is [ 22 - 25]:   1 f s f d d d o d q q q o q f f s f R L i i v v d i i v v R d t L L  −  −  =+  −  −−     (25)     Wh e re:   R f   an d  Lf   a re   res pect ively   the   resist ance   an d  the   le akag e   i nductan ce  of  the   gr i d - side  t ran s f or m er,   vd   and  vq  a re  t he   s ource  volt age  c omp onent s  a nd  voq  vo d  a re   the   in ve rter  volt ages.   Using   the   dec ouplin g  method  by c ompe ns at io n,  t he  inv e rter  volt ages ca n be  wr it te n  a s:     1 1 o d o d o d o q o q o q v e v v e v =− =−   (26)     With the  c on tr ol co e ff ic ie nts:     1 1 d od f q oq f di vL dt di vL dt = =   (27)     And  t he  c oeffici ents of c omp ensati on are  ob ta ined  as:     o d f d f s q d o q f s d f q q e R i L i v e L i R i v = − + + = − − +   (28)     Neg le ct in g  th e   co nv e rter  l osse s,  the   DC  bus  vo lt a ge  vdc  va ries  wit h  the  po wer   exc hange d  betwe en  the   tur bin e a nd the  n et w ork  and is  g ive n b y:     __ dc d c d c r o to r d c g r ille dv C I I I dt = = −   (29)     The  pr opos e d  con t ro l  strat e gy  f or   t he  DC  li nk   is  dep ic te d  in  Fig ur e  5.   It  include s  tw o  c on t ro l  lo ops,   an  in ner   lo op  and   a n  ou te r  l oop.   T he  ou te r   lo op  co ns ist s  of   a  pro portio nal  an d  integ r al   (P I)   c ontr oller  for  regulat ing  the   DC   li nk  volt age.   T he  outp ut  of  the   DC  volt age   co ntr oller  represe nt s  the   d - a xis  c urrent   ref e ren ce   id ref      from   the   s ource  wh ic h  is   th en  c ompare d  with  t he  mea s ur e d  c urre nt  I dme as.  The   qua dr at ur e   com pone nt  of  the  sou rce  c urren t  i q  is  us ed   to  c on tr ol  th e   flo w  of  reacti ve  power.  As  discusse d  e arli er,  t he   reacti ve powe r  r efe re nce is se t t o  zer o  i n ord er to o btain a  unit y powe r  fact or.       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       Mo deling, sim ula ti on  and  c ontrol  of  a do ubly - fe d  in duct io n  …   ( B oumeri d  Be nsah il a M ed  El A mine )   1205   D C  l i n k Rf Lf P o w e r  n e t w o rk   3 2 3 2 i abc v abc ω s ω s i dq v dq vdc * v dc PI D C  V o l t a g e   c o n t ro l ( S l o w e r   Co n t ro l   L o o p ) PI PI Cu rr e n t   c o n t ro l ( F a s t   Co n t r o l   L o o p ) id * + - P W M 6 + - + - id iq 0 ω s v od 1 * v oq 1 * - Rf . id + Lf . ω s . iq + vd - Lf . ω s . id - Rf . iq + vq + + + + iq * 3 2 v od * v o q * v oab c *     Figure  5.   Co ntr oller   side  of t he   gri d   DFIG       4.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   Figure   6  s hows   the   ove ra ll   model  of  the  WECS   a nd  c on t ro l   sc heme   im plem entat ion  in   M A TLAB/Si m ulink /Si m Pow erS ys te ms.  I n  t he  f ollo wing,  s om e  si mu la ti on  te sts  are   pres ented  t o  il lustr at e  the  performa nce  of the  pro po se d  c on t ro l s ys te m  for t he WECS .           Figure  6.   MAT LAB/Si mu li nk  d ia gram  of   DFIG a nd c ontrol  scheme       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 .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :    11 97   –   12 10   1206   The  Side   G rid   Converte r  (SG C)  a dju sts  t he  amplit ude  a nd  fr e qu e nc y  of  t he  si gn al   to   be   sent   to   the   ro t or   of   the  D FI G:  It  act s  on  the   vo lt ages   at   the  te rmina ls  of   the  ro t or  ci rcu it s.  It  va ries  the  sp ee d  of  the   tur bin e a nd th us t he p ow e r  e xtracted.   Figure  7  sho w s  the  res pons es   of  direct  (ir d)  and  qu a dr at ur e   (ir q)  D FIG  r oto r   cu rr e nts  a nd   the  sta t or  act ive  (P s )  an d  reacti ve  ( Qs )  powe rs.   T h e  direct  com pone nt   ird  co ntr ols  t he  act ive  powe r  Ps.  For  a  nominal   powe r  of  P s  =   1.5  MW,  the   require d  f orwa rd   c urre nt  reac hes  a  value   of   1.5  kA.  T he  r eact ive  powe r  Qs  is   con t ro ll ed  by  t he  reacti ve   co mpon e nt  of   c urre nt  irq .  T he  r esults  sho w  a  good  trac king  performa nce  w hen  the   reacti ve powe r  r efe re nce is st epp e d from  0 to  0.5MV AR a nd the n  - 0.5 MVAR.   The   reacti ve   powe r  s upplie d  t o  the   gri d  can  be   c on tr ol le d  by  t he  rea ct ive  power  ge ner at e d  or  abs orbed  by  t he  Rot or   Side   Conve rter  (RSC)  c onnected   to  the  r oto r .  Th e  reacti ve  powe r  is  exc ha ng e d  betwee n  this  conve rter  an d  the  netw ork ,   throu gh  the  gen e rato r.   Ind eed,  it   abs orb s  reacti ve  po wer   t o  com pensat e  f or  m utu al   i nduc ta nces  a nd  le akag e   in du ct a nc es.  T he  c onve rter  c onnecte d  to   the   net work  can   al so   op e rate as  a reacti ve p ower c ompensat or.   It  is  note d  that   any  va riat ion   in  the  r otor  or  ro t or   volt age  fr e qu e nc y  has  a  direct  in flue nce  on  t he   powe r  a nd torq ue.   The  qu a drat ure   com pone nt  of   the  r otor  c urre nt  co ntr ols  the  act ive  powe r,   and  the  direct  com pone nt  con t ro ls   the   re ac ti ve  po wer  e xch a nged   betw een  t he  sta to r  and  the   ne tw ork   as  sho wn  in   Fig ur e   7.   It  c an  be   ob s er ved that  both acti ve  a nd  reacti ve powe r s of the  DFI G f ollow t heir  r e f eren ces .   The  DC  li nk  volt age,  the  a m plit ud e  m odula ti on   in dex   ( M I )  an d  the  vo lt a ge  vra  an d  c urr ent  ira  in   ph a se  A   of  the   ro t or   a re  s ho wn  in  Fi gure  8.  It  ca n  be  note d  that  t he  DC  vo lt age   trac ks   perfect ly  it s  re fer e nce   of 1.5  kV.   Figure  9  sho w s  the  res pons e s  of  t he  el ect r om a gn et ic   t orq ue,   r otor  a ngul ar  s pee d,   t he  s peed  rati o  λ   and  the   po wer  coeffic ie nt  C p.  The   po wer  fac tor  C p  is   ex pec te d  to   reac h  a n  opti mal  val ue  of  0.4 8  a fter   a  sh ort   transient  w hile t he  s pee d  λ  re aches  only t he maxim um   of  8.1.             Figure  7.   Acti ve  and  reacti ve powe rs   of   sta to r   a nd   ro t or   c urre nts     Figure  8.  DC li nk , mo du la ti on  ind e x ( M I ),   c urre nt  and phase   A  volt age  of the  r ot or             Figure  9.  Re spon s e   of  t he  el e ct ro ma gnet ic  torq ue ,  ro t or  a ngula r v el ocity, tip   sp e ed rat io   λ   an d   powe r  coeffic ie nt   C p     Figure  10.  Acti ve  a nd r eact ive  pow e rs   of   the   sta tor   and   r otor   c urre nts   ( resist ive l oa d  c onditi ons)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.