I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em s   ( I J P E DS )   Vo l.   1 2 No .   3 Sep tem b er   202 1 ,   p p .   16 4 4 ~ 16 58   I SS N:  2088 - 8 6 9 4 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / ijp ed s . v 1 2 .i 3 . pp 16 4 4 - 16 58           1644       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Using  Y - so urce  n etwork as  a co nn e ctor be twee n  t ur b ine and  network i n t he st r ucture  of va ria ble  speed  wind  turbi ne       M a hm o ud   Z a deh ba g heri 1 ,   T o le  Su t ik no 2 ,   Ra him   I lda ra ba di 3   1 De p a rtme n o El e c tri c a E n g i n e e rin g ,   Isla m ic Az a d   Un i v e rsity ,   Y a so o Bra n c h ,   Ya so o j ,   Ira n     2 De p a rtme n o El e c tri c a E n g i n e e rin g ,   U n iv e rsitas   Ah m a d   Da h lan ,   Yo g y a k a rta,  I n d o n e sia   2 Emb e d d e d   S y ste m   a n d   P o we El e c tro n ics   Re se a rc h   G ro u p ,   Yo g y a k a rta,  In d o n e sia   3 De p a rtme n o El e c tri c a E n g i n e e rin g ,   Ha k im S a b z e v a ri  Un iv e rsit y ,   S a b z e v a r,   Ira n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   2 6 ,   2 0 2 1   R ev is ed   J u n   2 7 ,   2 0 2 1   Acc ep ted   J u l 8 ,   2 0 2 1       En v ir o n m e n tal   fa c to rs  su c h   a a i p o ll u t io n   a n d   i n c re a se   in   g lo b a wa rm in g   b y   u si n g   p o ll u ti n g   f u e ls  a re   th e   m o st  imp o rtan re a so n o u sin g   re n e wa b le   a n d   c lea n   e n e rg y   t h a r u n s   in   g lo b a c o m m u n it y .   W in d   e n e r g y   is  o n e   o th e   m o st  su it a b le  a n d   wid e l y   u se d   k i n d   o f   re n e wa b le   e n e rg y   w h ich   h a d   b e e n   i n   c o n sid e ra ti o n   so   we ll .   Th is  p a p e in tro d u c e a n   e lec tri c   p o we g e n e ra ti o n   sy ste m   o win d   b a se d   o n   Y - s o u rc e   a n d   imp ro v e d   Y - so u rc e   in v e rter   to   d e li v e o p ti m a e lec tri c a p o we t o   th e   n e two rk .   Th is  n e c o n v e rter  is  fro m   imp e d a n c e   so u rc e   c o n v e rters   fa m il y .   T h is  p re se n ted   c o n v e rt e h a m o re   d e g re e o fre e d o m   t o   a d ju st  v o l t a g e   g a in   a n d   m o d u latio n .   Also ,   b y   li m it i n g   th e   ra n g e   o sim u lt a n e o u c o n t ro (sh o o ti n g   t h ro u g h wh il e   it   m a i n tain t h e   h ig h e st  p o we o m a x imiz e r,   it   c a n   o p e ra te  in   h ig h e m o d u lati o n   r a n g e .   T h is  c a u se th e   re d u c e   o stre ss   in   sw it c h in g   a n d   th u it   will   imp ro v e   t h e   q u a li t y   o o u t p u t .   Re c o m m e n d e d   sy ste m   h a d   b e e n   sim u late d   in   M ATLA B/S imu li n k   a n d   sh o wn   re su lt s in d ica te ac c u ra te fu n c ti o n a li t y .   K ey w o r d s :   PMSG   Po wer   g en er atio n   s y s tem   R en ewa b le  en er g y   W in d   en er g y   W in d   tu r b in e   Y - s o u r ce   in v er te r   Y - s o u r ce   n etwo r k     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma h m o u d   Z ad eh b ag h e r   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g     I s lam ic  Aza d   Un iv er s ity ,   Yaso o j Bra n ch ,   Yaso o j,   I r an   E m ail: m za d eh b a g h er i@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Usi n g   clea n   an d   r en ewa b le  en er g y   h a d   b ee n   m ajo r   co n ce r n   f o r   g l o b al  co m m u n ities   an d   b ee n   in tr o d u ce d   as  an   im p o r ta n an d   v ital  m atter .   E n v ir o n m en t al  f ac to r s   s u ch   as  air   p o llu tio n   an d   in cr ea s in   g lo b al  war m in g   b y   u s in g   p o ll u tin g   f u els  ar th m o s im p o r tan r ea s o n s   o f   u s in g   r en ewa b l an d   clea n   en er g y .   An o th er   ad v an tag o f   u s in g   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s   is   m in im izin g   th s ize  o f   p o wer   p r o d u ctio n   u n its   an d   in cr ea s in g   th e   d is tr ib u ted   g e n er atio n   u n its ,   th e   p r o x im ity   o f   t h u n its   o f   p r o d u ctio n   a n d   co n s u m p tio n   o f   elec tr ic  p o wer   an d   th u s   r ed u ce   lo s s es   an d   in cr ea s ef f icien cy   [ 1 ] [ 2 2 ] .   On o f   th h ig h ly   u s ed   r en ewa b le  en er g y   th at  h ad   b ee n   in   co n s id er ati o n   is   win d   en er g y   [ 1 ] ,   [ 4 ] ,   [ 1 4 ] ,   [ 1 6 ] ,   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   Usi n g   win d   en er g y   s p ec ially   in   win d y   ar e as  in   ad d itio n   to   th ec o n o m ic  s av in g ,   in cr ea s ed   q u ality   wi ll  also   b d eliv er ed .   E lectr ic  p o wer   g e n er atio n   s y s tem   f r o m   win d   en e r g y   h as  b ee n   d iv id e d   in to   4   p ar ts i)   win d   tu r b in e,   ii)  elec tr ic  g en er ato r s ,   iii)  p o wer   elec tr ic   d ev ices,  an d   iv )   co n t r o llin g   s y s tem s .   W h ich   b y   in cr ea s in   th is   in d u s tr y   an d   tech n o lo g y   th er h as  b ee n   m u ch   p r o g r ess   in   th ese  s ec tio n s   an d   p o wer   elec tr ic  d ev ices,  d if f er en g e n er ato r s   an d   co n tr o l   s y s tem s   h ad   b ee n   p r esen ted   [ 2 5 ] .   Fo r   e x am p l e,   with   p r o g r ess   in   m ater ials   s cien ce   an d   f u r th e r   s h o win g   o f f   th p er m an en m ag n et  m ac h i n es,  u s in g   win d   e n er g y   in   d if f er en s p ee d   with o u g ea r b o x   is   h i g h ly   r eg ar d e d .   T h u s ,   s tu d y   o f   th e   elec tr ical  p o wer   g e n er ato r   s y s tem s   f r o m   win d   en er g y   b a s ed   o n   s tim u latin g   co n v er ter s   with   p e r m an e n t m a g n et  is   ess en tial f r o m   d if f e r en t   p o in ts   o f   v iew.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2088 - 8 694       Usi n g   Y - s o u r ce   n etw o r a s   a   co n n ec to r   b etw ee n   tu r b in a n d   n etw o r k   in   th   ( Ma h mo u d   Za d eh b a g h eri )   1645   I n   th e   f ield   o f   p o wer   elec tr o n ic  d e v ices,  th er e   h a d   b ee n   m o r d if f er e n s u g g esti o n s   w ith   u n i q u f ea tu r es  p r esen ted   wh ich   th m o s im p o r tan o n is   u s in g   o n b o o s co n v er ter   an d   s o u r ce   v o ltag in v er ter .   E lect r ic  p o wer   g en e r atio n   s y s tem s   f r o m   win d   e n er g y   with   d i f f er en s p ee d   h as  m an y   p o s itiv f ea tu r es  s u ch   as:  s m all  s ize,   h ig h   ef f icien cy ,   l o wer   in s tallatio n   co s t a n d   lo wer   m ain ten an ce   co s t,  c o m p ar t o   s y s tem s   with   f ix ed   s p ee d .   C o n s id er in g   p er m a n e n m ag n et  g en er a to r s   ( PMGs)  th at  ca n   c o n n ec t o   th n e two r k   d ir ec tly   an d   with o u u s in g   g ea r b o x ,   h as  at tr ac ted   m o r e   atten tio n   [ 2 6 ] [ 3 1 ] .   Hen ce ,   th p u r p o s o f   th is   p ap er   co n s id er in g   th im p o r tan ce   o f   th e   p o wer   e lectr ic  d ev ices  in   d eliv e r in g   el ec tr ic  p o wer   to   th e   n etwo r k   ( co n n ec to r   b etwe en   win d   tu r b in e   an d   th n etwo r k ) ,   is   to   s u g g est  u s in g   Y - s o u r c n etwo r k   i n   v ar ia b le  s p ee d   w in d   tu r b i n s y s tem s   b ased   o n   p er m an en m a g n et  m ac h in es  as  elec tr o n ic  co n v er te r .   Ma i n ly   v o ltag s o u r ce   in v er ter s   o n ly   ca n   s h o w   b u ck   p er f o r m an ce   ( r ed u cin g )   as  r esu lt,  th AC   o u tp u v o l tag will  b lim ited   b y   DC   v o ltag s o u r ce .   Als o ,   in   r en ewa b le   en er g y   ap p licati o n s   in p u DC   v o ltag e   f lu ctu at es  in   wid e   r an g an d   s o   th er is   n ee d   f o r   b u ck - b o o s f u n ctio n .   T o   o v er c o m th is   p r o b lem ,   f ir s tly   we  u s DC / DC   co n v er ter   wh ich   it  is   p lace d   b etwe en   th e   s o u r ce   an d   in v e r ter .   B y   ad d in g   DC / DC   co n v er ter   th s tr u ctu r will  h av two   s tag es.  I n   two   s tag es  s tr u ctu r e   d u to   th lack   o f   o p tim u m   c o m b in atio n ,   e f f icien cy   o f   th s y s tem   an d   its   p er f o r m an ce   wil ex tr em ely   r ed u ce .   T o   f ix   th ese  p r o b lem s ,   im p e d an ce   s o u r ce   in v er ter   h a d   b ee n   in tr o d u ce d ,   wh ile  th ey   a r s in g le - s tag d u to   th e   r em o v al  d ea d   tim s o lv i n g   th DC   b ass   s h o r co n n ec tio n   p r o b lem ,   th e y   h a v h ig h   r e liab il ity .   B y   in tr o d u cin g   th ese  co n v er ter s   s tu d y   f ield   o f   m an y   s u c h   as  m o d u latio n ,   m o d elin g ,   c o n tr o is   p r o v id e d   f o r   th c o n v e r ter s   [ 3 2 ] .   Alth o u g h   b u ck - b o o s co n v er ter   to p o lo g y   wh ich   is   u s ed   to   co n v er DC /AC   as  th eo r y   ca n   b o o s th v o ltag to   an y   d esire d   v al u e,   b u th ab ilit y   o f   th ese  co n v e r ter s   b o o s tin g   will  b lim ited   b y   p ass iv elem en ts   an d   all  th f ac to r s   [ 3 3 ] .   Sp ec ially   in   h ig h   d u ties   o f   s elf - c h ar g in g   cu r r en ca u s m ass iv lo s s es  in   p ass iv e   elem en ts   an d   th is   ca u s in s ta b ilit y   an d   lim itin g   t h b o o s o f   v o ltag e.   I m p e d an ce   n etwo r k s   co v e r   th e   en tire   r an g e   o f   p o wer   elec tr o n ics,  co n v er tin g   c o m p letely   f r o m   co n v er ter   an d   r ec tifie r   to   co n v er tin g   p h ase  an d   f r eq u e n cy .   T h er h a v b ee n   m an y   d if f er en s tr u ctu r es  to   s o lv lim itatio n s   an d   p r o b lem s   o f   tr ad itio n al   s tr u ctu r es  o f   v o ltag e   s o u r ce   a n d   c u r r en t   s o u r ce   f o r   im p ed an ce   n etwo r k   co n v er ter s   in   [ 4 ] [ 3 4 ] [ 3 7 ] .   Placem en t   an d   p r o p er   im p lem e n tatio n   o f   th im p ed an ce   s u p p ly   n etw o r k   with   s witch in g   an d   th a p p r o p r iate  s ettin g ,   r ed u ce   th p o wer   co n v er tin g   lev els  in   p o wer   s y s tem   ch ain s .   T h is   im p r o v es  r eliab ilit y ,   s tab ilit y   an d   im p r o v em e n an d   also   ef f ici en cy .   T h e   g en e r al  s ch em o f   im p ed a n ce   s o u r c co n v er ter s   s tr u ctu r with   d if f er en t switch   f o r   d if f er en t a p p licatio n s   is   s h o wn   in   Fig u r e   1   [ 3 2 ] ,   [ 3 8 ] .           Fig u r 1 .   Gen e r al  s ch em o f   i m p ed an ce   s o u r ce   co n v er ter s   s t r u ctu r with   d if f er en t switch   f o r   d if f e r en ap p licatio n s   [ 3 ]       So   f ar ,   th er h as  b ee n   m an y   i m p ed an ce   s o u r ce   n etwo r k s   with   th ab ilit y   o f   m ax im izin g   wh ich   th m o s im p o r tan o n is   Z - s o u r c [ 3 9 ] [ 4 6 ] .   Featu r es  o f   th is   co n v er ter   let  r esear ch er s   to   th in k   ab o u s o lv i n g   th e   p r o b lem s   o f   th is   s tr u ctu r es   a n d   p r esen s tr u ctu r es  lik e   q u a s i - Z ,   em b ed d ed - Z ,   tap p ed - i n d u cto r ,   T - s o u r ce ,   - s o u r ce   im p ed a n ce   s o u r ce .   Y - s o u r ce   co n v er ter   h as  b ee n   i n tr o d u ce d   r ec en tly   an d   is   u s ed   as  DC / DC   an d   AC / DC   with   th r ee   co ils   wh i ch   h ad   b ee n   co u p led   [ 3 4 ] .   T h is   co n v er ter   h as  m an y   d if f e r en f ea tu r es.  T h e   in ter est  o f   th is   co n v er ter   i n   eq u al  d u ties   is   d if f er en to   o t h er   co n v er ter s   an d   h as  m o r e   f r ee d o m   to   ( th n u m b e r   o f   tu r n s   o f   co ils   an d   s witch   ti m in g   (  ) )   ad ju s th in ter est  o f   v o ltag co m p ar e   to   class ic  i m p ed an ce   s o u r ce   co n v er ter s   [ 3 4 ] ,   [ 4 7 ] .   T h eo r eti ca p o in o f   v iew,   b y   ad ju s tin g   th n u m b er   o f   tu r n s   in   co ils    t o   an y   v alu e,   we   ca n   s ee   th in cr ea s in   v o ltag e   [ 2 3 ] .   I n   th f o llo win g   p r o p o s ed   s y s tem ,   v ar iab le  s p ee d   win d   tu r b i n b ased   o n   Y - s o u r ce   in v er te r   h as b ee n   in v esti g ated   a n d   th r esu lts   h av e   b ee n   p r o v id e d .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t ,   Vo l.  12 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1   :   16 4 4     16 58   1646   2.   T H E   P RO P O SE WI N T URBI NE   S YST E M     Pro p o s ed   s y s tem   b ased   o n   Y - s o u r ce   in v er ter   an d   p er m a n en t   m ag n et   s y n ch r o n o u s   g e n er ato r   ( PMSG)   s h o wn   in   Fig u r 2 .   I n   th f o llo win g ,   we  will d is cu s s   d if f er en t p ar ts   o f   th p r o p o s ed   s y s tem .         P MS G Gr i d Y - S ou r c e  I n ve r te r R e c ti fi e r     Fig u r 2 .   p r o p o s ed   s y s tem   s ch em e       2 . 1 .   M o dellin g   o f   wind   t ur bin   T o   o b tain   p r o p er   ex p r ess io n   o f   win d   en er g y ,   th is   en e r g y   m u s b m ea s u r ed   in   s o m way .   C alcu latin g   th is   en er g y   with   s im p le  r u les  o f   class ical  p h y s ics,  t h k in etic  en er g y   o f   win d   will  b ca lcu lated   as   ( 1 ) .     = 1 2 2     ( 1 )     I n   th is   eq u atio n   m   is   eq u iv ale n to   m ass   o f   v o lu m o f   air   p ass in g   th r o u g h   th tu r b in e.   I t   is   as s u m ed   th at  th to tal  v o lu m o f   win d   m o v i n g   at  th s am s p ee d   o f   .   W in d   s p ee d   u n it  is   m eter   p er   s ec o n d   m /s   ass u m in g   co n s tan s p ee d   o f   v o l u m o f   win d   h itti n g   tu r b in b lad es,  an d   p er io d   o f   tim t.  W ca n   d ef in th m ass   as  ( 2 ) .     =  =  2     ( 2 )       wh ich   ρ   is   air   d en s ity ,   th e   ar ea   s wep b y   th tu r b in b lad es  a n d   R   is   th r ad iu s   o f   th tu r b in b lad e .   Su b s titu tin g   ( 2 )   in   r elatio n   ( 1 )   to   th k in etic  en e r g y   o f   th e   win d   will b ex p r ess ed   as ( 3 ) .     = 1 3  2 3     ( 3 )     Usi n g   ( 3 ) ,   th e   r ea l p o we r   in   w in d   p o wer   in   ev e r y   m o m en t o f   tim will b ca lcu lated   as ( 4 ) .     = = 1 2  2 3     ( 4 )     T h is   ( 4 )   s h o ws  th at  win d   en e r g y   is   h ea v ily   d ep e n d en t   o n   t h win d   s p ee d .   T h e   af f iliatio n   with   th e   cu b o f   win d   s p ee d   is   s p ec if i ed .   So ,   s lig h t   ch an g i n   wi n d   s p ee d   will  cr ea te   s ig n if ica n ch a n g i n   win d   en er g y .   Als o ,   it  is   p o s s ib le  to   g et  m o r en e r g y   f r o m   th e   win d   b y   in cr ea s in g   th r ad i u s   o f   t h tu r b in b lad es.   Ho wev er ,   ca lcu lated   p o wer   in   ( 4 )   is   th p o ten tial  o f   win d   p o wer   wh ich   is   b ee n   ca lcu lated   in   win d   s p ee d     an d   R   r ad i u s   o f   tu r b i n b l ad e .   Fro m   th is   am o u n t,   o n l y   p o r tio n   o f   th at  is   co n v er ted   in to   m ec h an ical  en e r g y .   T h is   p er ce n tag will  b ca lcu lated   as  Alb er B etz  d eter m in ed   in   1 9 1 9   b y   p r esen tin g   th is   m eth o d   [ 4 8 ] .   B ased   o n   th is   m et h o d ,   wh en   th e   tu r b in b la d es  ar i n   win d   d ir ec tio n ,   th e   win d   s p ee d   r ed u ce ,   as  r esu lt  r ec eiv e d   en e r g y   b y   tu r b in will  b less   th an   m ax im u m   en er g y   in   th e   win d   s p ee d .   T h r elatio n s h ip   b etwe en   r ec eiv ed   en er g y   b y   tu r b in e,   P turbine ,   an d   m ax im u m   e n er g y   o f   win d ,   P wind ,   an d   p o wer   f ac to r   o f   win d   tu r b i n e,   C p ,   is   as  ( 5 ) .     =      ( 5 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2088 - 8 694       Usi n g   Y - s o u r ce   n etw o r a s   a   co n n ec to r   b etw ee n   tu r b in a n d   n etw o r k   in   th   ( Ma h mo u d   Za d eh b a g h eri )   1647   T h i s   r atio   is   ca lcu lated   as [ 7 ] :     = 1 ( 2 1 3 4 5 ) 6 1     ( 6 )     1 = 1 + 0 / 08 0 / 035 1 + 3     ( 7 )     =     ( 8 )     I n   ( 6 ) ,   ( 7 )   a n d   ( 8 ) ,     is   th an g l o f   r o to r   b lad wh ic h   is   s h o w n   in   th e   Fig u r 3 .     is   th s ev er ity   r ate  o f   s p ee d   o f   win d   tu r b in an d     is   an g u lar   v elo city   o f   th g e n er ato r   an d   win d   tu r b in e .   C o n s tan v alu es  ( c 1   an d   c 6 )   d ep en d   o n   ty p o f   tu r b in e   [ 4 9 ] .   I n   th an g le  = 0   m ax im u m   p o wer   is   av ailab le.   At  th en d   th e q u atio n   o f   tu r b in b lad is   as ( 9 ) .     = 1 2  2 ( , ) 3     ( 9 )     T u r b in m ec h an ical  to r q u e,   ,   is   o b tain ed   f r o m   ( 1 0 ) .     = 1 2  2 ( , ) 3     ( 1 0 )     T h f o llo win g   will  b th s im u latio n   o f   win d ,   th e f f ec o f     o n   C p   h as  b ee n   i n v esti g ated   an d   r atio   o f   h ig h ly   o p tim ized   s p ee d   opt ,   wh ich     is   p r o d u ce d   b ec a u s o f   th at,   h ad   b ee n   ca lcu lated .   T o   g ain   t h is   g o al  C 1   to   C 6   p ar am eter s   as  T ab le  1 .   T o   s i m u late  th win d ,   in   h e r we  h av u s ed   lin ea r   f o r m   w h ich   is   lik in cr ea s in g   an d   d ec r ea s in g   o f   g r ad ien t.           Fig u r 3 .   T u r b in e   b lad e’ s   an g l d iag r am .       T ab le  1 .   C 1   to   C 6   c o n s tan ts   C 1   C 2   C 3   C 4   C 5   C 6   0 / 5   1 1 6   0 / 5   0   5   21       2 . 2 .   M o dellin g   o f   perm a nent  m a g net   s y nchro no us   g ener a t o ( P M SG )   T h d y n am ic   m o d el   o f   elec tr i m ac h in es  is   n ec ess ar y   f o r   i n v esti g atin g   th e   d y n am ic  c o n d itio n s   an d   p o ten tial  er r o r s .   Dy n am ic  m o d ellin g   b ased   is   o n   v o ltag eq u atio n s ,   f lo w,   f lu x - f lo w   an d   p ar k   co n v er s io n .   I n   el ec tr ic  m ac h in es  d ep en d s   o n   in p u an d   o u tp u v ar iab les,  d if f er en m o d els  ca n   b s im u late d .   I n   h er b ased   o n   th f u n ctio n ality   o f   th is   g en e r ato r   in   co m b in atio n   with   win d   tu r b in e   an d   s elec ted   c o n tr o l   s y s tem ,   th s p ee d   o f   m ac h in as  e n ter in g   an d   th r ee - p h ase  cu r r en o f   m ac h in es  as   o u tp u is   co n s id er e d   f o r   tu r b i n e - g en e r ato r .   T h u s ,   th eq u atio n s   will c h an g as ( 1 1 ) ,   ( 1 2 )   an d   ( 1 3 )   [ 5 0 ] ,   [ 5 1 ] .      = 1 (   +  )     ( 1 1 )      = 1 (   + )     ( 1 2 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t ,   Vo l.  12 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1   :   16 4 4     16 58   1648   =  2 +  2     ( 1 3 )     T h p o wer   d eliv er ed   to   th lo a d   ca n   b e   ca lcu lated   b y   ( 1 4 )   an d   ( 1 5 ) .     = = 3 2     ( 1 4 )     = = 3 2     ( 1 5 )     2 . 3 .   Co ntr o l sy s t em     T h in v er te r   co n t r o s y s tem   is   u s ed   to   co n tr o ac tiv p o wer   an d   r ea cti v p o wer   in je cted   to   th n etwo r k   an d   m ax im u m   co n tr o is   s h o wn   in   Fig u r 4 .   T h e   co n tr o s y s tem   h as  two   p ar t s i)   MPPT,   an d   ii)  ac tiv an d   r ea ctiv e   p o wer   c o n t r o l o f   t h ex ch a n g with   th e   n etwo r k .     2 . 3 . 1 .   M P P T   co ntr o l sy s t em     T h er is   n ee d   f o r   MPPT  co n tr o f o r   ad j u s tin g   th s p ee d   o f   r o to r   to   g et  th h ig h est  p o wer   f r o m   win d   tu r b in [ 5 2 ] [ 6 1 ] .   B ec au s th o u tp u v o ltag is   n o co n s tan an d   it  b ec o m s h o r t - cir cu it  b ec au s o f   th e   s witch es so m etim es,  f o r   co n tr o llin g   s ig n al  we  u s ca p ac ito r   v o ltag wh ich   is   co n s tan t.            Fig u r 4 .   T h co n tr o l sy s tem   c o n s id er ed   f o r   th e   p r o p o s ed   wi n d   tu r b in s y s tem       T h eq u atio n   ( 1 6 )   s h o ws th r elatio n s h ip   b etwe en   ca p ac ito r   ( C 2 )   an d   o u t p u t v o ltag e   [ 5 1 ] ,   [ 6 2 ] ,   [ 6 3 ] .     2 = ( 1 )     ( 1 6 )     An d   ac co r d in g   to   th e q u atio n   = 1 1 ( 1 + 1 + 21 / 1 32 )  =    an d   p lace m en i n   th e   ab o v e   eq u atio n ,   th e   r elatio n   b etwe en   th ca p ac ito r   v o ltag C 2   an d   th in p u t v o lta g is   as ( 1 7 ) .     2 = ( 1 ) 1 1 ( 1 + 1 + 21 / 1 32 )    2 = ( 1 ) 1 1       ( 1 7 )     T h u s ,   th s ig n al  co n tr o ller   ac c o r d in g   to   th n u m b e r   o f   co u r s es in ten d ed   f o r   th win d in g s   is   ca lcu lated   as ( 1 8 ) .      =  2  2     ( 1 8 )     2 . 3 . 2 .   Co ntr o l o f   a ct iv a nd   re a ct iv po wer   deliv er ed  t o   t he  net wo rk     Activ p o wer   ( P)  a n d   r ea ctiv e   p o wer   ( Q)   o b tain ed   f r o m   ( 1 9 )   an d   ( 2 0 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2088 - 8 694       Usi n g   Y - s o u r ce   n etw o r a s   a   co n n ec to r   b etw ee n   tu r b in a n d   n etw o r k   in   th   ( Ma h mo u d   Za d eh b a g h eri )   1649   = 3 2 ( + )   ( 1 9 )     = 3 2 ( + )   ( 2 0 )       is   n etwo r k   v o ltag e,   ,       in jecte d   cu r r e n to   th e   n etwo r k   in   th f r am o f   r ef e r en ce   d - q .   I f   th e   r ef er en ce   v o lta g b ec o m as  n etwo r k   v o ltag e,   th e n   v q =0 .   T h u s ,   th eq u atio n s   ( 1 9 )   an d   ( 2 0 )   will  ch an g to   ( 2 1 )   a n d   ( 2 2 )   [ 5 1 ] ,   [ 6 4 ] [ 6 7 ] .       = 3 2   ( 2 1 )     = 3 2   ( 2 2 )     Fro m   th ( 2 1 )   an d   ( 2 2 ) ,   we  r ea lize  th at  we  ca n   co n tr o ac tiv an d   r ea ctiv in jecte d   p o w er s   to   th e   n etwo r k   b y   co n tr o llin g   id   an d   iq .   T o   d o   th at  th er ar two   d i r ec tio n s   o f   co n tr o will  b co n s id er ed .   I n   th f ir s d ir ec tio n   b y   ad d in g   th am o u n o f   r ef er e n ce   f o r   r ea ctiv e   p o wer ,   i d   will  b ad ju s ted   an d   th a m o u n t   o f   r ef er en ce   o f   id   to   r ea c h   p o we r   f ac to r   th u n it  will  b co n s id er ed   as  ze r o .   I n   th n e x d ir ec tio n   b y   ca p ac ito r   v o ltag in   in v er ter   m o d e   o r   o u tp u v o ltag e   in   c o n v e r ter   m o d f o r   c o n tr o llin g   th e   o u tp u t   a ctiv p o wer ,   iq   will  b ad ju s ted   [ 6 2 ] ,   [ 6 6 ] ,   [ 6 8 ] .       3.   M E T H O D   I n   th is   s ec tio n ,   to   in v esti g ate  win d   tu r b in s y s tem s   th er is   an   o p in io n   b ased   o n   Y - s o u r c in v er ter ,   th s y s tem   s im u lated   is   s h o wn .   W u s ed   MA T L AB /Si m u lin k   f o r   s im u latio n   as  Fig u r 5 .   Simu latio n   p ar am eter s   ar s h o wn   in   T ab l es  2   an d   3 .   Vo ltag cu r v DC   b ase d   o n   r o to r   s p ee d   is   s h o wn   in   Fig u r 6 .   W u s th is   cu r v to   f in d   h ig h est  p o in o f   p o wer   an d   co n tr o in v er ter .   T o   f in d   th is   cu r v f ir s t ly   in   f ew  d if f er e n s p ee d   ( 0 . 6 - 1 . 2 6   p . u )   r o to r   an d   in   h ig h est  p o wer   d eliv er e d   to   th n etwo r k ,   th s p ee d   o f   r o to r   an d   DC   lin k   v o ltag h as  b ee n   m ea s u r ed   w h ich   is   s h o wn   in   r ed   in   th f ig u r e.   T h en   p o ly n o m ial  f u n ctio n   is   g u ess ed   b ased   o n   th at  wh ich   s h o ws  DC   lin k   v o ltag b e h av io r   ch an g wit h   r esp ec to   r o to r   s p ee d   ch a n g es  in   all  th s p ee d s   with   v er y   g o o d   a p p r o x im atio n   an d   l o w   er r o r .   Fo r   co m p ar is o n   th im p r o v ed   Y - So u r ce   co n v er ter   h as  b ee n   s im u lated .   T h s im u lated   cir c u it is   s h o wn   in   Fig u r 7 .         Fig u r 5 .   Simu lated   m o d el  in   MA T L AB /S im u lin k       T ab le  2 .   PM  Gen er ato r   Par am eter s   A mo u n t s   P a r a me t e r s   0 . 9 5 8 5 ( Ω )   R   5 . 2 5 ( mH )   L d ,   L q   4   P   6 3 2 9 ( k g . c m 2 )   J     T ab le  3 .   Simu latio n   Par a m eter s   A mo u n t s   P a r a me t e r s   1 0 ( k H z )   S w i t c h i n g   F r e q u e n c y   ( F s )   7 6 ( v ) )   N e t w o r k   Ef f e c t i v e   V o l t a g e   0 . 5 ( mH )   F i l t e r   C a p a c i t o r   ( C )   2 0 : 4 1 : 2 0   C o n v e r si o n   R a t i o   ( N 1 :N 2 :N 3 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t ,   Vo l.  12 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1   :   16 4 4     16 58   1650       Fig u r 6 .   DC   lin k   v o ltag ch a n g es c u r v b ased   o n   ch an g es in   r o to r   s p ee d       Fig u r 7 .   Simu lated   c o n v e r ter   in   MA T L AB /S im u lin k   s o f twar e       4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   W in d   m o d el  ap p lied   to   th s y s tem   b ased   o n   Fig u r 4   wh ich   th s p ee d   r ed u ce s   f r o m   1 2   to   1 0   m /s .   I n   Fig u r 8 ,   ch a n g es  in   th s p ee d   o f   r o t o r   b y   ch an g in g   win d   s p ee d   is   s h o wn   in   d if f e r en ti m e.   C o n s id er in g   th e   cu r v o f   th ch a n g es  in   r o to r   s p ee d   an d   ch an g es  in   w in d   s p e ed   cu r v e ,   it  is   o b v io u s   th at  th e   s p ee d   o f   r o to r   h as  ch an g ed   f o r   d eliv er in g   th h i g h est  p o wer   f r o m   tu r b in with   th ch an g o f   th e   s p ee d   o f   win d .   T o   k n o th ese  ch an g es,  we   n ee d   to   lo o k   at   Fig u r es  9   an d   1 0 ,   wh ich   in   o r d e r   th ey   s h o w   m ec h a n ical  an d   el ec t r ical  cu r v e .   I t   is   s h o wn   th at  a f ter   a   s h o r p er io d   o f   tim th e   m ec h a n ical  p o wer   cu r v e   o f   tu r b in p r o d u cti o n   h as  r ea ch ed   th e   h ig h est  p o wer   a n d   f o llo wed   it  ( b ased   o n   win d   s p ee d ) .   DC   lin k   v o ltag i n v er ter   an d   i ts   b ig   s ch em e   is   in     Fig u r 1 1 .   As  it  ca n   b u n d e r s to o d   f r o m   Fig u r 1 1 ,   v o ltag e   lev el  ch an g es  f r o m   m ax im u m   to   ze r o   an d   v ice   v er s a,   th r ea s o n   o f   t h ese  ch a n g es  ar s h o r cir c u its   in   th e   in v er ter   b ases   in   tr an s itio n   at  t h s am tim e.   T h u s ,   in   th is   s itu atio n ,   we  u s Y - s o u r ce   c o n v er te r   ca p ac ito r   v o ltag to   c o n t r o MPPT  an d   co n tr o ac tiv e   an d   r ea ctiv p o we r   wh ich   in jecte d   to   th e   n etwo r k .   I n v e r ter   ca p a cito r   ( C 1 ,   C 2 )   v o ltag es  is   s h o wn   in   Fig u r 1 2   a n d   Fig u r 1 3 .           Fig u r 8 .   R o to r   s p ee d   ( p . u )   ac co r d in g   to   v a r iatio n s   in   win d   s p ee d .       Fig u r 9 .   C u r v o f   t u r b in e   m e ch an ical  p o wer         Fig u r 1 0 .   Activ an d   r ea ctiv e   p o wer   wh ich   is   d eliv er ed   to   th n etwo r k   u n d er   ch a n g es o f   win d   s p ee d .   0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 Ti m (s eco nds ) R o to Speed  (P u) 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 -1 -0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5         Ex tera cted  M echa ni ca l   P o w er M a x i m um   m echa ni ca l   P o w er 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 500 1000 1500   Ti m (s eco nd)   A cti v a nd  R ea cti v P o w er       A ctv P o w er R ea cti v P o w er Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2088 - 8 694       Usi n g   Y - s o u r ce   n etw o r a s   a   co n n ec to r   b etw ee n   tu r b in a n d   n etw o r k   in   th   ( Ma h mo u d   Za d eh b a g h eri )   1651     ( a)     ( b )     Fig u r 1 1 .   DC   lin k   v o ltag i n v er ter ,   ( a)   I n v e r ter   DC   lin k   v o lt ag e,   ( b )   I n v er ter   DC   lin k   v o ltag in   m ag n if ied   m o d u n d er   c h an g es  o f   win d   s p ee d           Fig u r 1 2 .   C ap ac ito r   v o ltag e   ( C 2 )   u n d er   ch an g es o f   win d   s p ee d       Fig u r 1 3 .   C ap ac ito r   v o ltag e   c u r v ( C 1 )   u n d er   ch an g es o f   win d   s p ee d .       I n jectio n   c u r r e n to   th n etwo r k   is   s h o wn   in   Fig u r 1 4 .   I n   o r d er   to   o b tain   th e   s y s tem   ef f ici en cy   ( η )   at   d if f er en win d   s p ee d s ,   we  will  f ir s t   o b tain   th tr an s m is s io n   p o wer   to   th n etwo r k   an d   th m ax im u m   m ec h an ical  p o wer   at  d if f er en t   s p ee d s ,   a n d   t h en   f r o m   th e   r el atio n   o f   η %= g r id m a x - m e c × 100 ,   we  will  o b tain   th e   s y s tem   ef f i cien cy .   T h p o wer   d eliv er ed   to   t h n etwo r k   at  win d   d if f er e n s p ee d s   an d   th ef f icien cy   o f   th e   p r o p o s ed   s y s tem   ar s h o wn   in   Fig u r 1 5 ,   a n d   Fig u r 1 6 ,   r esp ec tiv ely .   I t is wo r th   n o tin g   th at  th is   s y s tem   co u ld   also   b s im u lated   b ased   o n   th Y - So u r ce   DC - DC   co n v e r ter   o r   th I m p r o v e d   Y - So u r ce   ( DC / DC )   co n v er ter ,   b u th is   h as  led   to   th u s o f   m o r s witch es  an d   in cr ea s e d   lo s s es,  an d   T HD  Als o   in cr ea s es  an d   it  is   n o ec o n o m ically   v iab le.   Fig u r 1 7   an d   Fig u r 1 8   s h o th at  th s y s tem   m et  th r e q u ir em e n ts   f o r   co n n ec tin g   t o   th n etwo r k   b ec au s th e   lev el  o f   ca p ac ito r   v o ltag e   is   k ep in   co n s tan lev el  a n d   r ea ctiv p o wer   ex c h an g e   to   th n etwo r k   is   alm o s t z er o   ( u n ity   p o wer   f ac t o r ) .           Fig u r 1 4 .   I n jectio n   cu r r e n t to   th n etwo r k   b y   th e   p r o p o s ed   s y s tem       Fig u r 1 5 .   Po wer   d eliv er e d   to   th n etwo r k   b y   th e   p r o p o s ed   s y s tem .       0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 50 100 150 200 250 Ti m (s eco nds ) V i nv (V ) 0 . 9 9 8 0 . 9 9 8 2 0 . 9 9 8 4 0 . 9 9 8 6 0 . 9 9 8 8 0 . 9 9 9 0 . 9 9 9 2 0 . 9 9 9 4 0 . 9 9 9 6 0 . 9 9 9 8 1 0 50 100 150 200 250 Ti m (s eco nds ) V i nv (V ) 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 50 100 150 200 250 300 Ti m (s eco nds ) V c2 (V ) 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 40 50 60 70 80 Ti m (s eco nds ) V c1 (V ) 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 -5 0 0 50 Ti m (s eco nds ) I net(A )     P ha s A P ha s B P ha s C 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 200 400 600 800 1000 1200 Wi n d   S p e e d   ( m / s ) E l e c t r i c al   P ow e r   ( w ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t ,   Vo l.  12 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1   :   16 4 4     16 58   1652       Fig u r 1 6 .   Per f o r m a n ce   o f   p r o p o s ed   s y s tem             Fig u r 1 7 .   C ap ac ito r   v o ltag e   o f   Y - So u r ce   c o n v er te r       Fig u r e   1 8 .   R ea ctiv p o wer   ex ch a n g ed   with   th   n etwo r k       4 . 1 .   Sim ula t io n o f   I m pro v ed  Y - S o urce   Her e,   f o r   co m p a r is o n   th im p r o v e d   Y - So u r ce   co n v er ter   h as  b ee n   s im u lated   an d   th r esu lts   ar p r esen ted .   T h e   s im u lated   cir c u it  is   s h o wn   in   Fig u r 7 .   T h e   o u tp u t   v o ltag e   is   p lo tte d   in   Fig u r e   1 9 .   T h e   in p u t   cu r r en o f   th c o n v e r ter   is   p lo t ted   i n   Fig u r 2 0 .           Fig u r 1 9 .   Ou tp u v o ltag o f   I YSI .       Fig u r 2 0 .   I n p u t c u r r en t o f   I Y SI.       T h v o ltag wav e f o r m   o f   th e   ca p ac ito r s   is   d r awn   in   Fig u r e   2 1 .   T h v o ltag e   o f   th e   ca p ac it o r s   is   o b tain e d   as  ( 2 3 )   a n d   ( 2 4 ) .     1 = ( 1 )  = ( 1 0 . 125 ) × 200 100 = 75       ( 2 3 )     2 = ( 1 ) 1 1     = ( 1 0 . 125 ) 1 1 4 × 0 . 125 × 100 = 175       ( 2 4 )       5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 W i nd  Speed   (m / s ) P erfo rm a nce     0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 50 100 150 200 250 300 350 Ti m (s eco nds ) V c(V ) 0 1 2 3 4 -1000 -500 0 500 1000 T i m (seco n d s) R eacti ve  Po wer   (Var ) 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Ti m (s eco nds ) V o (V ) 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ti m (s eco nds ) I i n(A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2088 - 8 694       Usi n g   Y - s o u r ce   n etw o r a s   a   co n n ec to r   b etw ee n   tu r b in a n d   n etw o r k   in   th   ( Ma h mo u d   Za d eh b a g h eri )   1653       Fig u r 2 1 .   C ap ac ito r s   v o ltag o f   I YSI   ( C 1 , C 2 )       4 . 2 .   Co m pa riso n r esu lt s   o f   t he  pro po s ed  s y s t em   wit h o t her  s y s t em s   I n   th is   s ec tio n ,   th r esu lts   o f   t h p r o p o s ed   s y s tem   o f   th is   ar t icle  will  b r ev iewe d   an d   co m p ar ed   with   o th er   s y s tem s .   T h e   p r o p o s ed   c o n v er ter   o f   th is   p ap e r ,   as  m e n tio n ed ,   h as  b etter   f ea t u r es  th a n   th tr a d itio n al  Y - So u r ce   an d   co r r ec ts   its   d is ad v an tag es.  First,  th n u m b er   o f   t h eir   elem en ts   is   li s ted   in   T ab l 4 .   co m p ar is o n   o f   th in p u t c u r r e n ts   o f   th two   in v er ter s   I YS a n d   I YSI   is   s h o wn   in   Fig u r 2 2 .   As ca n   b s ee n   f r o m   th f ig u r e,   th I YSI   in p u s tr ea m   is   co n ti n u o u s   a n d   its   r ip p le   is   n eg lig i b le,   wh ich   is   s p ec ial  f ea t u r alo n g   with   o th er   f ea tu r es  o f   t h YS  f am ily .   I n jectio n   cu r r e n h ar m o n ics  to   th n etwo r k   an d   th co r r esp o n d in g   T HD  b y   t h e   p r o p o s ed   win d   tu r b in s y s tem   in clu d in g   I YSI   an d   win d   tu r b in in clu d in g   YSI   an d   win d   t u r b in s y s tem   b ased   o n   Z - So u r ce   in v er ter   a r s h o wn   in   Fig u r es  2 3 ,   Fig u r e   2 4   an d   2 5 ,   r es p ec tiv ely .   I n jec tio n   cu r r en o f   th e   p r o p o s ed   s y s tem   in   ter m s   o f   h ar m o n ic  s p ec tr u m ,   it  p er f o r m ed   s lig h tly   b etter   th an   th tr ad itio n al  Y - So u r ce   s y s tem   an d   p r o v id ed   b etter   q u ality .   C o m p ar ed   t o   th cu r r en t   h ar m o n ic  s p ec tr u m   o f   a   s y s tem   s im ilar   to   th Z - So u r ce   elec tr o n ic  p o wer   co n v er ter ,   s y s tem s   with   th Y - So u r ce   f am ily   p er f o r m   m u ch   b etter   an d   h a v lo wer   T HD  h ar m o n ic  s p ec tr u m .       T ab le  4 .   Stru ctu r es c o m p ar e   o f   I YSI ,   YSI ,   Z SI.   Tr a n sf o r mer   N u mb e r   o f   i n d u c t a n c e s   N u mb e r   o f   c a p a c i t o r s   S e mi c o n d u c t o r   n u m b e r   C o n v e r t e r   1   1   2   1   I mp r o v e d   Y - S o u r c e   i n v e r t e r   1   0   1   1   Y - S o u r c e   i n v e r t e r   0   2   2   1   Z - S o u r c e   i n v e r t e r         IY S I   ( z o o m)     ( IY S I)     YSI   ( zo o m)     (YSI )     Fig u r e   22.   C o m p ar is o n   of   th e   in p u t   cu r r en t   of   I YSI   an d   win d   tu r b in e   s y s tem   in clu d in g   YSI .       0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 -1 0 0 -5 0 0 50 100 150 200 250 Ti m (s eco nds ) V c1 (V ) 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 50 100 150 200 250 300 Ti m (s eco nds ) V c2 (V ) 0 . 9 9 9 8 0 . 9 9 9 9 1 0 5 10 15 20 Ti m (s eco nds ) I i n(A ) 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ti m (s eco nds ) I i n(A ) 0 . 9 9 9 8 0 . 9 9 9 9 1 -1 0 -5 0 5 10 15 20 Ti m (s eco nds ) I i n-Y -s o urce (A ) 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 Ti m (s eco nds ) I i n-Y -s o urce (A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.