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.  4, D e c e m ber   201 9,  pp.  1781~ 17 96  ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 4.pp1781-1796          1781     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   Pow er compe n sation for vecto r-based current control of a  modular multilevel conv erter (MMC) ba sed   STATCOM       A.   U .  L a wa n  1 ,  S . Babani  2 ,  A .   A b d ul k a ri m 3 ,  G .   S .  S h e h u 4 ,  Y.  J i b ril M,  5   I . S .   M a du gu 6  1  Dep a rt m e nt  o f E l ectrical & El e ct ro nic   En gin e e r in g,  Un i ve rsity o f   N o tti ngh am, Malay si a.   2  Dep a rt m e nt of E l ect rical Eng ineerin g, Bay ero U n iv eris ty Kan o ,   1 0 Gwarzo   Road , Nigeri a   3, 4, 5   D e p a rtm e n t  o f   El ectri cal E ngineeri n g ,  Ah m ad u   Bell o   U n i v eristy  Z ari a , Nigeri a.  6  D e p a rtm e n t  o f El ectri cal E ng in eeri n g , Kan o U n i v ers i ty  of S c ienc e  and  Techn o l o g y , Nig eria       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e ce i v e d  Mar  21,  2 0 1 9   Re vise d A p r  21,  201 9  Ac ce p t ed  J un  2 0 ,  2 019      T h i s  p a p e r  s t u d i e s  t h e  s u i t a b i l i t y  o f   a   v e c t o r  b a s e d  c u r r e n t  c o ntro l  wh ic h  i s   m o stl y   e m p lo ye d  f o r  its   f a s t er  r es po nse  in   t h e   r ea cti v e  current   a pp lic a t io ns  o f  st ati c   c o m p n es ato r s  (S TA T C O M s).   T h e  current   c o n t r ol  i s  mo s t ly   a c h i e ve d  us in g  pro p o r tio n a l - integral   ( PI)  co ntro ll ers  becau se  o f   th e  adv antage  o f   thei r   go od   t rack in g  a n d  sm all   v a riation s .   Ho wever,   d u e   t o   t h e  d e pen d e n c y  of  P I  con t ro llers   on   t he  m od ul ar  m u l t i l e vel  co nv ert e r  (MM C )  s y st em  d y na mic s ,   p e rform a nc e   va ria t io ns  a rise   d ur in g  ste a d y-sta t e   S T ATCO M  no n-id eal  op erati ons .  T h i s   p aper p resen t s a n  i m p rov e d MMC based  S TATCO M  c ont ro l  with   a   d -q  c om pe n s at io n  al go rit h m   ad ded   t o   t he  v ect or  b ased   c ur re nt  c on tro l .  Th e  alg o rit h m   i s   d eriv ed  t o   t a ck le  t he  e ff ects  of  t he  d yn amics   o f  t h e  M M C   and   th e  S T ATCOM   ideal   v ari a ti on s  wit hou t  the  use  of   a ny  ad di tio nal  con t ro ller.   Th e  co ntro l  is   achi e ved   by   p rovi d i ng   a   p ow er  c om p e n sation  in  t he  d-q   axi s   w hi ch  i nj ec t s   c u rrent s  at   t h e   i n put  o f  the  P I   c on troll ers  in   o rd er  t o   im p r ove  t h e   s t eady-s t at e  perf o r m a n ce  of   t he  S TAT C OM  c o n trol.   K eyw ord s :   d-q p o w e r  algo rithm   DSTA TC OM  P o w e r qua lit y ( P Q )    Un iv ersal   po wer  q u a li t y   conditioner (UPQC)   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:   Ab du rrah m an  Umar   Lawan ,    D e pa rtem ent o f   E lectr i c a l E n gi nee r in g,   U n i v ersi ty o f  N o tti n gham , Ma l ays i a Cam pus,  435 0 0   S eme n y i h.  Mala ysi a   E-m a il:ke c x4a ua @ n ott i n g h a m .edu. my       1.   I N TR OD U C TI O N   P o w e r  quali ty  can  b e  a f fe cte d   b y  ma ny  t ype s  of  d i s tur b an c e s  w h i ch  c a n   a ffec t  o r   p re ci sel y   r e duc e   gri d   pow er  p e r form anc e   [ 1].   D e pe nd i n g   o n   t he   i ss ues  ar i s in g  suc h  as   d ist o rt io ns,   vo l t a g e   t r an sie n ts,   sags,  fl ic ker s ,   sw e l ls , un b ala n c e s   a m ong  vo lta ge s,  a n d  in t e rrup t i ons.  C ustom   powe r  dev ices  (CPDs) t e ch no l o g y  has   bee n   u s e d  t o   m it i g at e  p o w e r  p r o b le ms  a n d   i mprove   pow er  qua l i t y   ( P Q )   [ 1- 3].  S o me   o f  the s e  de vices   s uch   as   the   u n i v e r¬sa l  p o w e r  q u al i t y   c ond i t i one r  (U P Q C),  stat ic   c om pe ns at o r   ( S T ATCOM ) ,  an d   dyn ami c   v olt a ge  restore r  (D V R )  c a n be i m p le m e nted in v o l t a ge  s o u rc e mul t i l e v e l   con v e rte r s  (V S M Cs)  t o pol ogi e s   [ 4 - 6].  S h u n t  dev i ce s  suc h   a s  S T A T CO M   w h i c h  is  a pp lie d  in  d i s tri b ut ion   gri d s  c a l l ed   d i s tri b u t i o n  sta tic  c om p e nsa t o r   (DS T ATC O M)   e xists,  i t’s  m a inly  f or   r ea ct i v e   p o wer  c o m p ensa t i o n ,   f lic k e r  m i t i ga t i o n ,  v o lta ge  r eg ula t io n ,   harm on ic filte r i n g ,   a n d l o a d  v ol ta ge  ba l a n c i n g .   The r e are   se rie s c o nn e c t io n dev i ce s [ 7],   ty pi c a l  one  is dy nam i c   vo lta ge  r e s tore r  (D V R )   commonl y  used  f o r   s t a b i l i za t i o n   o f  vo l t a g e  f o r   c r i t i c a l  e n d   u s e r s .  D V R  n o r m a l l y   com e s  w ith  a n   ene r gy  fac i l i t y  for   st orage   a nd  s h ort  v o lta ge -d ip   c on t r o l   o r  shor t  l o ss  o f   a   g e n e r at io n  pla n t  f r o m   t h e   p o w er  n et wo rk   s o u r ce   [ 7 ] .  Al so ,  t h ere   a r e  co mbi n ed   s hu nt   a n d   se ries  c o nnec t io n  de v i c e s   s u c h  as   u n i v e r ¬ s a l   p o w e r  q u a l i t y  c o n d i t i o n e r  ( U P Q C )   [ 8 , 9 ]   t h a t  c a n  b e   e m p lo yed.  E lec t r i c  d r ives  s uc h  as  d ri v i n g   pump s ,   hi g h -p ow e r   c ons umi ng  b l ow e r s,et c .   n eed  a   h i g h  le ve l   of  e l e c t ric  pow er  c on ve rsio n  for   th eir  opera tio n.   A s  the  p o w e r   le ve l   r eac hes  ma ny  m e ga w a tts,  t h e i r  o p e r¬a t ions  a t  ele c t rica l  m e di um  v ol t a ge  ( MV )  up  to  8   k ilo vo l t   ( kV )  has  bec o m e   a dva n t a g e ous  o p t i o n.  H ow e v er,   ot he r  i ssue s   t ha t  ar e  o f   l ess  im por tanc e   for  low - p o w e r   drive s   b ec om e  is sues  i n  m e diu m -vol t a ge  ope r a tions  [ 1 0 ,  11].  F o r  i n s t a n c e ,  a t   h i g h   po wer  a n d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 8 1  – 1 796  1 782 h i g h - vo l t a g e   l e v el s,  t e c h n i cal   i ssu es  l i k e,  b i d i¬ re ct io n a l   p o we r  ex ch a nge   c apa b i lit y  or  e l e c t rom a gne t i c   brak in g  i n   e lec t ric  dr ive   sy ste m   i s  nee d ed  w hen  a   la rge  qu ant i t y  of  k i n et i c   pow er   i s  pla c e d   i n  t h e  rota t i o n ar y   b odi es.  Th e s e   te c h ni cal   i ssu e s  ca n   b e   m i t ig ate d   b y   t h e  u s e   of   m ult i l e v el  c o nver t ¬ers  due  t o  t h eir  ca pa bi li ty  t o   pro duce   less  d i s t or t e d  c u rr ents  a n d   s m a l l   s tep p e d   v o l ta ge   w ave f orm s   w it h  a  fa ster   s w i t c hin g .   M u l tile ve l   in verter s  ha ve  a pp l i ca ti o n s  w h ic h  i n c l u d e   i n   f lex i b l e  A . C  trans m i ss ion  syst ems  (FACTs ) .   T hese   a pp lic ati ons   are   p o ss ib le  d u e   t o  m u lt ile v e l  co nv erte rs’  po w e r  sw it c h e s   b a l a n c i n g   a n d   d is trib u t e d   v ol ta ge  s tress  tha t   a re   share d   a m o n g   t he   p ow e r   s w i t c he s.  T h e   m u l t i l e ve l  na t u r e   s i g n i fie s   pr od uc i n g   ne ar ly   s te ppe d   s i n u s o ida l   o u t pu t   AC  v olta ge  w a v efor ms  w ith   r educe d   h arm o n i cs.  The i r  p r i n c i p l es  a re   b ased  o n  gene r a ti n g   s ma ll  casc a d e   vo lta ge  s te ps  f or  b e t te r  p o w er  qua lit y,  t hus,  o p e r at in g   at  a   r e duce d   s w itch i ng  fre que nc y  w i t h   r e duc e d   sw it c h i n g  losse s,  sm a ll vo l t a g e r i se  cha nge  a nd be tter   ele c tr om agne t i c  compa t ibi l ity  [ 12].   Th ere   a r e  many   t i m e   d o mai n   b as e d   c on t r ol  s c h emes   s u c h  a s   d i r ec t   a n d   i n -d ire c t  c o nt rol,  pow e r   syn c hro n i za ti o n ,  and  d-q  vect or  c on tro l   m e t h o ds.   A m ong  the s e,  m ost  co m m only  em p l o y e d   a re  d irec t  p-q  a n d   d-q  vec t o r   c on tro l   m eth ods  i n  st ud y i ng  t h e  pe rform a n c e  o f   S TA TC OMs  an d   VS Is.  S T ATCOM   appl icat i o n s   for  pow er  f ac tor  sup por t   a n d   sta b ili ty   s t u die s   h a v e  bee n   e mplo y e d   i n   [ 13- 17]  b a s e d   o n   d i ffe ren t   c on t r ol   schem e s.   G rid  in te gra t i o n  a n d  V A R   s up p o rt  o f  MM C  i n v e rter   h as  b e e n  a   cha l le nge   [ 1 8 ] .   L a w an  e t  a l .  [1 9]   and  M u sta p h a   e t  al.[2 0 ]   ha v e   e m p l o ye d  t h e  dire c t   ( p-q)  a ppr oa ch   t o  i m prove  t he  g rid  P C C  p o w e r   fact or s   us i n g  M M C   b ase d   S TA TCO M   a p p l ica t i ons .  The o ret i cal l y ,  no  p o w e r  l os s  i n   a n  idea l   S T ATC O M   system .   R e su l t i n g   i n  n o a c t iv e   po we r tra n sf er  t h r o ugh i t .  In  th i s s t at e   t h e  STATCO M   i s lo ssl e ss,  i t s   out put  AC vo lt a g e   w ill be i n p h as e w ith t h e   g r i d A C   v o l t a ge.   B u t t h e d- ax is  c ur re nt c om pon e n ts co n t ro l is im por tan t   c ons ider i n g   the  fac t s  tha t   dur ing  tra n s i e n t   opera t i o n s   of  t he   S TATCO M ,   d u e  to  c har g i n g  an d  d i schar g in g   of  t he  ca paci t o rs,  the r e  is  a l w a y s  a  varia t i o n  i n   t he   a ct iv e   p o wer  ou t pu t   of  t he   S TA TCO M s.   I n   othe r  w o rds  t h ere   i s   ac t i ve  pow e r   t ra nsfer   be t w een  t he  g ri d  a n d   the  S T A T CO M.   I n  pr ac tica l ,   a  sma l l  am oun t   o f   p ow e r   l oss  is   assoc i ate d   w i t h   t he   p roce ss   [ 2 1 ] .   S pe cifi ca l l y  in  t he   MMC  b ase d   I nve r t ers  an d  S T A T CO Ms  s t r uc tural   t o p o l og i e s.  E ach   s ub   m od ul e s   ( S M )  h a s  c e l l   c a p aci to r  with   a n   a c t i ve   e n e rgy  s t ore d   i n  it   o r  dc-l i n k   v o l t a g e   source s  t r ans f e r red  to  t hem .   W i t ho u t   t he  p rope r  ca pac i t o rs  v o l t a g e  ba l a n c in g  a nd  e n erg y   t ra n s fer,   t he  M M C   base d  i nver t e r s  o r   S TA TCO M s  w ill  a l w a y s   h ave   s o m e   v aria tio ns  i n   t he ir  o u t pu t s   pow er ,  low   l i fe   t im e  of  t he   ce l l s  c a pa c i t o r s   d ue  t o  vo lta ge   u n b ala n c i ng  an d  str e ss  e t c. [22- 2 4 ] .   O t h e r   v a r iat i ons  a nd  /or   osc i ll a t ions   c an  occ u r  d u e  t o   s w i t c hin g   o r  from   no n  –ide a l   n at ure  c a pac i t o r s   a n d   b uffe r   induc t o r s   [ 2 5 ].  A   good  t u ned  P I   con t ro l l er  c ou l d  yie l d  a  re s ponse   w i t h  a  z e r o or m i n im um  s te ady  s tate  er r or w i t hi n a   ver y  sm a ll   r ise  t i m e .   B u t  w i t h   h ig h  set t l i ng  tim e  a nd  ove rs ho o t s  (i.e .  high e r   o s c illa t i o n   p e r io d  a nd  a   lo n g er  r espo nse )   [ 26- 36]  a nd   a   b it  p o o r   d y n a m ics   and   t r a n sie n t  r e sp onse   t y pica l  e x a m ple   i s   i n   [3 7].  A n o t her  op t i o n   i s  t h e  use   of  P - c o nt roll e r s,  e ven   t hou gh   i s  simp l e r  in   i mp l e men t at ion ,   i t   ha s  a   p rob l em   o f  a n   i ncr ease d   over   s h oo ts   c om par e d   to  P I  con t ro ll e r s.  T hi s  i n cr ease d   o versh o o t  cou l d  be  s e e n   i n  [3 7]   w here   it  w a s  e m pl o y e d  t o   s y n c h r o n i ze   t he  g r id   volt a g e   a nd   S TATCO M   o utp u t   vo lt a g e   u s i n g   d eco upl ed   c u rren t  c o n tr ol. T h e vec t or con tro l   a l s o e m pl o y s   the   c a sca d e  c o n t ro l  pri n ci p l e.   I n  MMC   vol ta ge   s ourc e   i n v er t e rs,   t h e   s w i t c hi ng   fre qu en cy   i s  c r u c i a l   an d  restric t s   how   q uic k   t he  V S I   can  r esp o nd  t o   c han g es  f rom   one   o pe ra t i ng  con d iti on   t o  a n o t her,   t here fo re   t h e   op tim al  a n d   a c h ie va bl e  in ne r  c u rre nt   c ont rol  ba nd  w h ic h  is  a l s o   r estr icte d  b y   t he  e m p lo ye d  sw itc hin g   fre que nc y.   T h a t   is,   t h e  c o n t rol l er  b a n dw i d th  s h o w s   h ow   acc urate   a nd  fast  a   c o n tro l   s i gna l  c o u l d  cha nge  i n   t i me ,  h e n c e  ho w   ac cu ra t e   a n d   f a s t   th e   MMC  s y s t e m  re sponse   c oul d   b e   [3 8].   The  M M C  base d  in verte r   b ase d   o n  t h e   c a s c a d e  c o n t r o l  h a s  t h e   c u r r e n t  v e c t o r  c o n t r o l  a s   t h e   i n ner   c u rre nt  c ontro l  (I CC),  a nd  t h e  o u ter  c o n t r o l   tha t   c om prises   t he   a c t ive   an d   re ac t i ve  pow e r   c ontro l.   O n  t h e  o t her  h a nd,   t he   a ct i v e  p o w er   c ontro l  is  u su a l l y   t h e  a c t i v e   p o w e r   r e f eren ce   o r  vo lt a g e   ref e ren c e  b a sed   co nt rol .   The  re ac t i ve   p ow er   c o n t ro l  is  e m p loy e d  in   term s  of   a   r efe r enc e   r ea ct ive   pow e r   o r  re fere nce  A C   v ol ta ge  t o  pro v i de   t he   d es ire d   i nne r  c u rr ent.  T he   adva n t a g e  o f   t he  c ascade d   s c h em es  i s  the   i n c r ea se d  de gre e   of  f r ee dom   f or  t he  c o n tro l   o f  the  s y ste m   b an d  w i d t h  due   t o  t h e  co ntro lle d   tim e  sepa rati o n   of  t he  l oo ps.   The  c o n tr o l ler s   o f  the   i n n e r  cur r ent  co n t ro l   ar e   usu a l l y  used i n   V S I  are propo r t i ona l-i n tegra l –der i va t i ve ( P I D ) ,   hyste resi s and  ram p   t im e  curre nt co n tr ol lers.     The   P I D   and  hys ter e s i s  are   t h e   m o st   c om m on  [3 8].   The   hyster e s i s   c urre nt  c on tro l   i s  the   fa ste s t  con t ro l  i n   t e r m s   o f  d ynam i c  respo n se  h o w ever   g i v es  m or e  di s t ort i ons  d ue  t o   th e   l o w   or de r  h a rm oni c s ,  varia b l e   s w itc h i n g   f r e que nc y   an d  e f fec t   o f  dea d   tim e  [ 3 7 - 38].  I n  the   ot h e r  w o r d ,  P I -c urrent  c o n tr oller s   h a v e   ma int a ine d   s w itc h i n g   fre que nc y  b u t  t h a t   a t  the   e x pe nse  of  a   s lo wer  response.   The  P I-controller  h as  its  dy nam i c s  de p e n d i ng  o n t h e dyna mic   o f   t he  s ys tem   he nc e ha s m o re  co ntro lle d c o up lin g e ffe c t  tha t  give s   be tte r   di st ort i o n .  B u t   t h e   h y s t e r esis  c on tro l   d oes  n o t  depe n d   o n  the   d y n a m i c s  o f   t h e   s y s t e m  p l a n t s ,  h e n c e  h a s   h i g h   di st ort i o n s  [3 7 - 38]  c om pare d   to  t he ir  P I- contr o l  c o u n t er pa rts.  Thi s   p r o pose d   d ,q- c om pen s at i on  a l go rit h m  in t r od uc es  a   t r a ns ien t   s up por t s   b a s ed  o n  t h e   c once p ts  o f  a  tra n s i en t  im pa cts  a nd  a p pl i e d  t h e   c onc e p ts  o f  t h e   S T A T CO M  pa ra me ter  var i ations  t o  pro duce   a n   a lg ori t hm s  t h a t   e n h a nce s   t he  c o n t r ol   o f  t h e  S T A T CO M.   T he   in t r od uc ed  d , q - t ra n s ien t   c om pe nsa t or se r vi ng  onl y   d u ri ng t h e  t r a n si en t   op era t i o n s .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Po we r c o mp ensat i on   f o r  v ecto r -ba s e d   c u r r e n t  c ont ro l  of  a   mo du la r  mul t i l ev e l  …  (A.  U.  La wan )   1 783 2.   VECT OR  C O N TROL   F OR  MODULAR  MULT I LE VEL CONVERTER ( MM C) I NVERTE R   I n   t he   v ec tor   c o n t ro l  sc hem e   d ep ic ted   i n   F igur e  1,  t he   V S C   b a s e d  MMC   s ys tem   in  t he   t h r ee   pha se  vo lta ge s  a n d  c u rrents  are   tra n sf orm e d  in to  a   d ire c t -qua dr at u r e  (d-q)   r o t a ti n g   f ra me .  F r om   F igure  1  a nd  F i g u re   2  w h i c h  pr ese n t s   t he  v ec t o r   c o n t r o l   sc he me ,  appl y i n g   K irchh o f f ’ s  v o lta ge   p r i nc i p l e s,   a nd  ba se d   on  t h e   Lap l ac e  trans f or m,   t he  r e l a t i ons h i p  be tw ee n  the   grid   A C   vo lta ge   fdq V  a n d   t h e  M M C  s y s t e m   v o l t a g e   cd q V  o f   F i gure   1 c a n  b e  w r i tten  as fo llow s   [ 39-4 1 ]:      T d q c dq f d q T dq T d q f ff sL I V V R I j L I                                                                                                                           (1)     W h ere:    T R   is the  e ffec t i ve   r esistance   be t w e e n the  M M C sys t em  a nd t h e gr id     T L  i s t h e   e f fe cti v e i n du c t an ce  b e t we en  t h e  M MC  sy s t e m a n d   th e   g r i d.   f dq V   i s  t h e   P C C ve ctor v ol ta ge.   cd q V is t he  MMC o u t p u t   v ec tor   for m   o f the  vo lta ge   dq f I  is the  o u tp ut v e c tor form  of  the   c u rre n t   a t t h e  PCC   and  is t he  fu n d am enta l   line   fr eq ue nc y.       + + ‐ DC                DC ‐        + ‐       + ‐         + un c V + ‐ up i wp i vp i 1 SM 1 SM 1 SM 2 SM 2 SM 2 SM SM N S M N SM N cwp V cv p V cu p V r L r L r R r R f R s R s L f L s V GRI D u i w i v i r L r R r R r R r R U V W r L r L r L ci r u i ci r v i ci r w i 1 SM N 1 SM N 1 SM N 2 SM N 2 SM N 2 SM N 3 SM N 3 SM N 3 SM N cwn V cu n V cv n V un i vn i wn i in V SM 2 Vdc 2 Vdc SM ip V PC C     F i gure  1.  T he thre e   p ha se i nt e r na l circ u itry  o f   a  MM C  base d   S TA TCO M  c on nec t e d   t o t h e thre e  phase  g rid  sys t em .      I f   a   c ons t a n t   p ow er   g r i d  sys t e m   i s   a s s u m e d,   t he n  th e  resu lta n t   syst e m   c oul d  be   l i n ea r  a n d  a u ton o m ou s.  H en c e   th e   sy st em  i s  ass u me d  t o   b e  an   i nd ep end e n t   v a ria b le  t ha t  i s   i n d e p en de nt  o f  tim e. Thi s   assum p ti o n   i s  va li d  s i n c e   ver y   s m a l l   d ev ia ti ons  o f  fre q u e n c y  ar e  ex pe c t e d   i n  a  hea lth y  and   n o rm al  o p e ra tion   of  a   g ri d  p o w e r  system .  The s e  sm all  va riat ions  c a n   o n l y  hap p e n e d   as  g ri d   is  e xp e c t e d  t o   h av e   a  cons t a n t   vo lta ge.  F r om  F igure  2  (a ),  a   t ransfe r  fu nc ti o n   f or  t he  M M C   b as e d  V I S  q - a x i s   v o l t a g e   c a n   b e  w r i t t e n  a s   fo l l ow s :     2 2 2 2 1 (2 ) () 1 () fq T T TT T cq T TT T IR s L Rs L L V R s Rs L L        Whe r e  fq I is  t he   o ut p u t   A C   c u r rent   a t   t h e   poi nt   o f  c o upl in g  (P CC)  i n  the  q- a x i s   a n d cq V   i s  the  MMC  system   ou tpu t   vol ta ge  in t h e  q-ax is.  F r om   ( 2),  the   po l e s   o f   t he   g rid   c o n n e c t ed   M MC   s yste m  w i l l   b e   ro o t s  o f   t he   s yst e m  c h ar acte r ist i cs   equa t i o n   ( de no m i nat o r  of  ( 2):    2 2 / TT sR L  ,  f o r   2, f  w h e r e f  i s   t h e   A C  n e t w o r k  f r e q u e n c y   assum e d  50H z ,   t hese   p o l es  o f  the   n o n   – fee dba ck  s ys t e m  w i l l   b e   c omple x   i n  na t u re,   henc e   t h e   sy stem   w ill  be   osc illa t o r y .  In   o t h er  w or ds,   the   grid   – c o nn ecte d   M M C   s ys tem   w i l l   h a v e   a   b ad   d yn ami c   p e r fo rma n ce   a nd   po orl y  dam pe d .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 8 1  – 1 796  1 784 To  s o l ve  t hi s  c o n t ro l  pro b l e m   of  t he   n o n -fe e dbac k   M M C   s yste m,   t he   g rid - con n e c te d  M M C   c urrent   a t   t h e  P C C  ( i . e .   fd I  a n d fq I )  has  to   b e   fe d  bac k   t o  t h e  d q - c o n tr ol l e rs  s o  a s   t o  clo s e  the   c u r re n t   l oop s.  T hi s  con t ro l  i m pro v e me nt   i s  show n  i n   F ig ure  2  (b) .   T he  f e e d b a c k   c o n t ro l   l oops  w i l l   i m p r ov e   t h e  syst e m   r e s p o n s e   by  s h if tin g  th e   po les  of  t he  s ys t e m  ope n  l o op  tra n sfer  f unc tio n   o f  F i gure   2  (a )  tow a r d s  t h e  re al   a xi s,  t h e re by  pus hi ng   t he  s ystem   t o   h a v e  a  crit ical l y   d am pe d  resp o n se[3 2 ] .   A s sum i ng   t h e   d q-c o nt r o ller   to  b e  a   simp le   g a i n   con t ro l l er  ( P- c o n t ro l l e r   w i t h () P Cs K ),  t h e n   b l o c k   d ia gram   o f  F i g u r e   2  (b)  can   b e  in  a   t r a ns fer   func tio n  form  w i t h o u te r   fe edba ck l o o p s g i ve n b y :   1 1 (3 ) 1 1/ 1 P P TT PT T T P P TT K K Rs L KR s L s L K K Rs L       A ssum i ng  the   in n e r  c u rre nt   c on t r o lle r  gai n   i s  m u ch  m or e  h i g h er   tha n   t he  v a l ue   o f  t h e  effect i v e  resista n ce   b et we en  t he  M M C   s yste m  a n d  the  gri d   ( i . e. P T KR ),  t he n  the  e qui v a le n t   r epre se nt ati on  o f   t h e   gri d   c on nec t e d   MMC  s ystem   i n  bl o c k   d ia gra m   w i ll  be   a s  sh ow n  in  figure  3   t herefore  i t   is   poss i ble  to  d er ive  a  q-ax is  c ur rent  t rans fe r  func t i on  give n  b y   ( 4)  a nd  (5) .   W he re  * fq I   i s  the  grid  – co n n ec t e d  MM C  sys t em   q -a xis  reference  curr ent  for  the  inne r  cur r ent  con t rol  sc he me .The   s am e   p rinci p l e s  a p p lies  t o   t heir  c orre spon di n g   d - axis current.     * 22 2 2 1 11 (4 ) 1 11 1 TT fq PP fq TT T PP P T P LL ss I KK I LL L s KK K L s K                  + ‐ + ‐ ‐ + ‐ + ‐ + ‐ ‐ + ‐ + ‐ + ‐ + ‐ 1 TT s LR 1 TT s LR T L T L T L T L 1 TT s LR 1 TT s LR fq V fq V fq V * cq V * cq V * cd V * cd V fd V fd V fd V fd I fd I fq I fq I * fd I fd I fq I * fq I () Cs () Cs () a () b     F i gure  2. Bl o c k  dia gram  re p re se n t a t ion  o f  t he  M M C   b a s e d  V S I   i n  a  sta t e   spac e e qua ti o n  (a )  w ith ou t fe edbac k   con t ro l l er  ( b) with  f ee d b ac k  con t ro l l e r         * 1 1 (5 ) 1 11 T fq P T TT TT fq P PP PP L s I K L LL LL I s ss K KK KK           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Po we r c o mp ensat i on   f o r  v ecto r -ba s e d   c u r r e n t  c ont ro l  of  a   mo du la r  mul t i l ev e l  …  (A.  U.  La wan )   1 785 + + ‐ + + 1 1 T P L s K 1 1 T P L s K T P L K T P L K + f d P V K f q P V K f d I f q I * f d I * f q I     F i gure   3.  Bloc k  dia gra m   r epresen t at i on o f   t he  M MC  b ase d   V SI  in  a   state  spa c e   equa t i o n  w i t h de co u p l e d  in ner  curr ent v e c t or c ontro l l er .      The   s y s t em   o bta i ned   from   t he   ( 5)  i s  a   f i rst   orde r  s y s t e m ,  hence  e m p l o y i n g  a  P - c o n t r o l l e r   w i l l   impro v e   the   s y ste m   r espo ns e  an d  he lps  i n   t he   s t e ad y  s t ate   by   e l i m i n atin g  t h e  cros s  c o uple d   i nte r ac tio n   betw ee n  the   d-a x is  a nd   q -a xis   o f   t he   s y s tem .   T he   c o n t ro ller   w i l l   al so   r e duce   t h e  e f f ect   o f  th e  v a ri at i o n s   i n   the  AC  out p u t   vo lt a g e  at   t h e   P CC[13 ] .  Du ri ng   t h e   s t ead y  sta t e   co ndi ti o n   ( i.e . 0 s ) ,   f o r  t h e  b l o c k  d i a g r a m   show n in fi gur e   3,  it ca n gi ve  ( 6) a s:  * * 22 2 1 11 1, , & ( 6 ) 11 1 T fq fq fq T PP fq fq P f d P TT T PP P L II I L KK IV K I K LL L KK K              Whe r e fq V   i s  t h e   A C  v ol ta ge  a t th e   P CC in t he  q -axis a n d  * fd I  is th e  A C   c ur rent a t   the P C C  in  t he  d-a xis.   Al so   f ro m  (6 ),  t h e   s ame  p r i n c i pl e   app l i e s  to   i t s   c o rre spond ing   d - axi s   q ua n t i t i e s ,  wh ere   t h ei r  g a i n s  can  be  f ound  by  j us t  s u btitling  t h e   q-axis  q uantities  w i th  t he  d-a x is   o nes.   A na ly z i n g   ( 6),   if  t he   t erm  /1 , TP LK the   MM C  i n ve rter   o u t p u t   d, q - cur r ents  w il l  fo llow   t h e  refe re nce  cur r en ts  ( i.e.   * fq fq II   a nd  * f df d II   )   e xactl y ,  hen c e  th e   effec t s  o f   t he   P CC  A C  vo l t age   va ria t ions  w i l l   b e  da m p ed  b y  t h e  c o n t ro l l e r   ( i.e . / fq fq P IV K ).   A lso  t h e  l a st   t e r m   of  t he   ( 6)   i m p l i es  t ha t   t h e  li ttle   v ari a t i ons   i n  t h e  d-a x i s   c u r ren t   r efe r enc e   ca nno t  affec t   t he  q-a x i s  curre nt i n t h e  gri d  con ne c t ed  M M C .  Fo r  a   g o o d   dyn ami c   p erf o rma n ce ,  i f   c arri er  b a s ed   P WM   i s  e m p l o y e d  (i. e . * / fq T P f d IL K I ),  h e n ce  the  c r o ss  co u p lin g  effect s  o f   t he  d -a x i s  a nd  q-a x i s   a re   c a n cell e d . ,   t he  c lo sed  – l oo p  ban d   w idt h   , cl   s ho ul d   no t  be  g re ater   t ha n  5  time s   t he   s w i t c h i ng  freque ncy , s w   A lso   th is  s w itch i ng   f r e que nc y  (i.e . , s w )  s u pp osed  no t be  l ow e r   t h a n hal f   t he sa m pl i ng fr eq ue nc y  , s i.e.  ( 7)[32]:     (7) 55 ( 2 ) sw s cl       F o r  insta n c e ,   i f   a   s w i tch i ng   f re que nc y  of  2 .5  k H z   o f   CS P W M  w h ic h  is  1 5.7 0 b k ra d / s  (50H z = 31 4   rad/s)  i s  a p p lie d,  t he  h ig he st  b an d  w i d t h   of  t he   s ystem   , cl i s   e st ima t ed   a s  3.1 4kra d /s   ( 5 00H z) .  Then  t h e   r i s e  ti m e ,   , r t  w h i c h   i s   d e f i n e d   i n  a   f i r s t  o r d e r  s y s t e m   a s  a  t i m e   t h e   s y s t e m   o u t p u t   g oes  from   10  to  9 0%  c a n   b e   defi ne d   as  ( 8)[32] :    (9) / ( 8 ) rc l tl n      The   S T ATC O M  d e v i ce  i s   a   s hu n t   d ev ice   h e nc e  c o n n ec te d   in  p ara l l e l   a  w i t h   t he   g ri d  i n   t he  pow er  s y s t e m  v i a  a  s e r i e s   i m p e d a n c e   Z f  wh i c h   co nt ai ns   a   c ou pli n g   in du ctor  a n d   a n  as sume d   n e g l i g i b le   s e ries   resista n ce   a t  t h e   P C C[6].  T h e  s h un t  gri d   c onne c t i on  is  e m p l o ye d   u si ng   t h e   M M C   t o pol o g y   i s   s ho wn  i n   F i gure   1  t o   d e r ive  t h e   pro p o s ed  c o n t ro l  sc he me s.   T he   b a s ic  f u n c t i on  o f   t h e   s h u n t   V A R   c om pe nsa tio n  i s   t o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 8 1  – 1 796  1 786 gi ve  a   p ow e r   f a c t o r  en ha n c e m ent  or  a   v o l t a ge   s up p o rt  b y  re d u ci n g  t h e   v o lta ge   d r op  ac ross  t he   u nc ertai n   cum u la t i ve   b uffe r  a n d   c o u p l i ng  im pe da nc es   Z t .  He n c e  i n c r ea se s  th e   t r an smi ssi b l e  po we r  al on g   t h e  g r id   i n   a  pow er   s yste m.   T he  a m o un t   o f   t he  r eq uire d  pow er   t ha t  w i l l   p ro d u c e   the  r e qu ired  S TA T C O M   c urrent c i  t h a t   fl ow s  thr o u g h   t he   c ou p lin g  im peda nce   f Z   i s   de pen d e n t   on   t h e   d iffe renc e   in  v o l t a ge   b etw e e n   t he   S TA TCO M   A C  ou t put  v olt a ge c V  and  t h e   v o l tage  a t  the  PC C   f V . If  t h e   S T ATCO M   is  l ess i n  vo l tage  t ha n gri d  P CC  f V .  The   S T A T CO M   ab sorb s  rea c ti ve  pow er  f rom   t h e   A C   p ow er  s yste m.   O t he rw ise  it  in j e c t s  re act ive   pow er .  F r om   F ig ure 1, the   cq i   r epresents  the  reactiv e   c u rrent of  the  S T ATCOM  while  cd i   i s t h e  act i v e   cu rren t   use d  in  char gi n g  a nd d i sc har g ing  the   tw o D C -li nk c a pac itor s .     ( 9 ) fc ff c f VV iV V Z        Base d   o n   t he  e qua t i o n   ( 9)  u si ng  t h e  d i a g ram   repr esentat i o n s  of   F i gur e  1  t h e   tra n s f e r   f unc t i o n   equa t i o n s o f   t he  S TA TCO M   i n d,q-  re p rese nt a t i on  is  g i v e n   b y :     22 2 (1 0) c d fd fq fq f q rr r ff f c q f q fd fd f d VV I I I d LR L LR L dt VV I I I                Whe r e f L an d  f R  a r e  t h e  A . C  c o u p l i n g   i n d u c t a n c e   a n d   r e s i s t a n c e  r e s p e c t i v e l y   w h il e r L  a n d r R  a r e  M M C   in verter   b uffe r  in duc ta nc e  a nd  resis t ance .  The   cum u la tive   M M C  i nv e r t e r  t o   g ri d   c o nn ec t i on   i n d u c t a nc e  a n d  resista n ce  is t h en  d efi n ed [2 2 ]  by  (1 1) w he n the  so u r ce  impe danc e is n eg l ect e d .    (1 1 ) 22 rr TT T f f LR ZL R L R      Thi s   i mp li e s   t h a t  th ere   is  t o t al   i mp e d a n ce  ( TT T Z LR )  be t w e e n  the   M M C  o u t put  a n d   t h e   gri d .Inte g ra ti n g   ( 1 0 )  be tw e e n  t h e   pre s e n t  s a m p le  ( k)  a n d   t he  n e xt   s ample   (k +1 )  th e  avera g e  es ti ma t e d   d , q -   varia b l e s ca n b e   a s fol l ow s :      ,1 ,1 ,1 , 1 ( 12) df d c d T f q T f d kk kk kk k k k QVV L I R I      ,1 ,1 , 1 ,1 (1 3 ) qf q c q T f d T f q k k kk kk k k k QV V L I R I        W h ere   th e  re la t i on sh ip   b et we en   r at e s   o f  c h ang e   o f   t h e  MM C   Inv e r ter   ou t p u t   d q  c u r r ents,  the  eff ecti v e   in duc ta nce   i n  w hic h   t h e  c urre n t   c ha n g e s   a n d   d -q va r ia ble s  re s pe cti v e l y is  de f i n e d  in  (14 )  a nd (15) .    ,1 (1 4 ) d fd T Qk k dI dt L     ,1 (1 5 ) q fq T Qk k dI dt L      The   d,q-va ria b les  ,1 d kk Q   a nd  ,1 q kk Q from   t he   p eri o d  of  ( k)  t o  ( k +1)  c a n   b e   g o t  us i ng  P I   con t ro l l ers[2 6 ]   as:       , _ (, ) ( , ) ( , ) _ (, ) ( , ) ( , ) ,1 1 1 (1 6 ) dq P i dq f d q f dq I i dq f d q f d q k k kk kk QK I I K I I d t      The s e   d,q- var i able s  c a n   b e  u s ed  t o  o b ta i n   t h e ir  c or resp on din g   d , q -v ol t a ge  c om p one n t s   at  t he  M M C   in verter  dur in g   the  sam e  sa m p l e  peri od  ((k)  t o   ( k+ 1))  as fo l l o w s:     , 1 ,1 ,1 ,1 (1 7 ) cd f d T f q T fd d kk kk kk k k k VV L I R I Q        , 1 ,1 ,1 ,1 (1 8 ) cq f q T f q T f q q kk k k kk k k k VV L I R I Q        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Po we r c o mp ensat i on   f o r  v ecto r -ba s e d   c u r r e n t  c ont ro l  of  a   mo du la r  mul t i l ev e l  …  (A.  U.  La wan )   1 787 Whe r e  t h e  d,  q   p r o por t i o n al   a nd  i n t e gra l   c ontro l l er s’   g ain s   _(, ) P id q K  a n d _( , ) I id q K  w h i c h  d e p e n d   o n   t h e   MM C b a se d   S T ATCOM   dyna mi cs d u r in g   th e   d , q   c u rre n t   sa mp l e  ra t e s   (, ) id q T   a r e  r espec tive l y  give n by :     _( , ) (, ) (1 9 ) 2 Tf Pi d q id q LR K T      _( , ) _ ( , ) ( , ) (2 0 ) f Ii d q P i d q i d q T R KK T L       The s e  P I   c on trol l e rs  f a s t  re sp onse   ma kes  t h e  S T A T CO M  ou t p u t   d , q   c urr e nt  r efere n ces  a nd  t h e   d,q- PI  v ariab l es   (, ) ,1 dq kk Q   o f  t h e  ne x t   s a m ple  pe ri od  ( i .e. (, ) 1 fd q k I )  m eet  up  w i t h   t h e   c ur rent  s am p l e   d,q   curr ent r e fe ren c es   * ,) ( q fd k I  and  d,q-P I   v ariab l es  (, ) dq k Q   r e s pe cti v e l y as  f ol low s :      * 1 (2 1 ) fd f d kk II    * 1 (2 2 ) fq f q kk II    (, ) ( , ) ,1  ( 2 3 ) dq dq kk k QQ     F o r   a  li ne ar  t r a ns it ion  betw e e n   t he  t w o   s a m pl i n g  peri o d s   o f  (i. e.  1 kt o k .  (21)  a nd  ( 2 2)  c an  f urt h er  b e  repr esente d  in  a n  aver age  for m  ove r the  ti m e k  a s :       * ,1 11 (2 4 ) 22 fd fd f d kk k k II I        ,1 11 (2 5 ) 22 fq lq f q kk k k II I       S ubst i t ut i ng  ( 2 1)  a n d   ( 2 2 )  i n t o   ( 1 6 )  an d  (1 7 )   r espec t i v e l y  a n d   us ing   ( 23)   t o  be   r epre se n t e d   i n  a  se para te   d ,q  for m   a s :             ** _( ) _ ( ) (2 6 ) d P i d fd fd I i d f d f d kk k k k QKI I K I I d t           ** _( ) _ ( ) (2 7 ) q P i q fq fq I i q f q f q kk k k k QKI I K I I d t      D u e   t o   t he  a c t i o n  of  t he   P I  var i a b l e s  repre s ente d  i n   t he   ( 2 4 )   a nd  (25).   The  grid  d ,q  v o l ta ges  an d  t h e   M M C ba sed S T A T CO M o u t p u t  d,q v o l t a g e s   a re a ssum ed  t o  be  t he  :     (, ) ( , ) ,1 (2 8 ) fd q f d q kk k VV    (, ) ( , ) * ,1 (2 9 ) cd q c d q kk k VV      P u tt ing   ( 2 1)-(27)   i n t o   (1 7)  a nd   ( 1 8 )  g i ves  the   d, q  vol tag e   c om p o n e n ts  a t  the   MM C  STA T CO M  in verter ,  whic h  se rve  a s   t he  d ,q  v o l ta ge   r efe r enc e s  em pl o y e d   u s i n g   the  P I  c o n t r o l l e r s .  T h e s e  v o l t a g e  r e f e r e n c e s   a r e   defi ne d   b y :                 ** * _( ) _ ( ) * ( 30) 2 T c d P i d f d f d I i d f d f d fd fq fq T f d kk k k k k k k k L VK I I K I I d t V I I R I              ** * _( ) _ ( ) * (3 1 ) 2 T cq P i q f q f q I i q f q fq fq fd f d T f q kk k k k k k k k L VK I I K I I d t V I I R I     Eq uat i ons  ( 3 0 )   and  (3 1)  w hi ch  r epre sen t   t h e   d ,q  v ol t a ge  r efere n ces  t o  th e  PWM  co n t ro l  m o d u l at or  can  b e   furt her   re prese n t e d  in  t er ms  o f  the   es t i ma te d  d, q  var i ab les   (  i .e.  d k Q   q k Q )  as  p a r t  o f   t he  f ee d  for w ar d   term s[ 26]  as:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 8 1  – 1 796  1 788        * * (3 2) 2 T cd d f d f q T f d fq kk k k k k L VQ V I I R I       * () * (3 3 ) 2 T cq q f q f d f d T f q kk k k k L VQ V I I R I      Wher e    d k Q  a n d  q k Q )  de fi ned  pre v i o us ly  i n  ( 26)  a n d   ( 27)   r espe c t ive l y  repr ese n t  th e  s e tt led   d q   varia b l e s  ( i .e.   d Q  a n d q Q )  gi ve n  in  ( 34)  a n d   ( 35) ,  ob ta ine d   a s  o u t p u t s  o f   t he  d , q -P I  con tro l lers  o f  a  v o l t a g e   con t ro l  d ynam i c  mode l   base d  o n   t he  d eco up le d  inne r  c u rrent  c on t ro l  o f   t he  S TA TC O M   g ri d  c onn e c te d   syste m [2 6 ] ,  show n  i n  F igure   4.     ** _( ) _ ( ) (3 4) d P i d fd fd I i d f d f d QK I I K I I d t    ** _( ) _ ( ) (3 5 ) qP i q f q f q I i q f q f q QK I I K I I d t      The   refere nce  M M C  base d  S T A T CO M  m o du l a tio n  i n dex  m   a nd  pha se   s hi ft  a ngle     t ha t   p r oduc e  the  i nver t e r   t hr e e   pha se  A C  c u rre n t s  ( i .e.   sin k o iI t )   a nd  v o lta ge s  ( sin Ck o VV t )  has  the  subs cript  ( i . e . k )  re prese n t i ng  p h a s e  n u mbe r ,  and    i s  the   pha se   s hi ft  b etw e e n   t he   o u t p u t   c urre nt   a nd  v o l t a g e  in A C for m   g i v e n  by  (3 6) a nd (37)  re s pe cti v e l y a s   f o l lo w s :     ** 22 ( 36) cd cq mV V       * * 1 tan ( 37 ) cq cd V V      F o r  the   MMC   i n t er n a l  c o n t ro l,  it  em p l oye d  the   c o mm on  c ontr o l  c o nce p ts  u se d   i n [2 7][28] [2 4]  t ha t  u t i l i zed   t h e   c on c e pt s  o f   C arri e r   s h i ft e d   p ul se   w i d t h   m od ul ati o n   s chem es   (   C SPWM   )  [6][29][30]  [ 13][12 ] .  A p p l y i ng  the   K i rc hh off’s  t h e o ry,  t h e   A C  vo lta ge  i n t h e  arm   a s  a n  outp u t  c a n  be de r i v ed  a s fol l o w s :     11 (3 8 ) , 22 k kO kn kp r r k cc c di VV V L R i dt      2( 3 9 ) ci r k r r c i r k d c kn kp cc di LR i V V V dt          Where  ci r k i   i s  t h e  circ u l at ing  c u rrent  a n d   dc V   i s  the   cum u l a t i ve   d c   –lin k  v o l t a g e  ac ross  t h e   arm s . r L   is  t he   b u ffe r  a r m   ind u c t ance   o f  eac h  arm .   r R i s   t h e   s eri e s  resi st an ce   a s s o c i a t e d   wit h   e ach   b u ffe r  i ndu c t ance   tha t   i s  usua lly   a ssum e d  ne g l i g i b le [27] .  f L   a nd  f R   a re   t h e   A C   c o upl ing   in duc t a n c e   and   it s  c o rre s p ondi ng  series resis tanc e   re spect ive l y . If the M M C  is con n e c t ed  t o g r id , t he n there   w i l l  be a s our ce impe da nce   s R  a nd  s L   ( i . e .   t h e   A C   s o u r c e   ind u c t an c e   a nd   i t s   c orresp o ndi ng   A C   s o u r c e   s e r i e s  re si st an c e   r esp ect iv el y ) .  Th e  ma them at i c al   r elat i o n s h i p  bet w ee n  the   M M C   o utp u t   curr e n t   o f   e a c h  ph a s e ,   t h e   a rm  u ppe r  a n d  lo we r  cu rre n t s ,  the c i rc ula t in g cur r ent a n d   outp u t  vo l tag e   c o u l d  be  as:      ( 40) kk p k n ii i    1 (4 1 ) 2 ci r k kp kn ii i      1 (4 2 ) 2 kk n k p cc c VV V       Base d   on  ( 3 8)  -   ( 39) ,  the  re gul a t i o n  of  t he   c ircu lat i ng  c u rr ent   ci r k i   a n d   co nt ro l   o f   t h e   out pu t   vol t a ge  k c V   c ou l d   b e  ac h i e v ed  b y  c o n t ro lli ng   t he  u p p er   a nd   l ow er   c urrents  a n d   u p p e r   a nd  l o w e r  v o lta ge s.   I n  ot he r  w o rd,   t o   a c h ie ve   t he  d es ired  o u t pu t  v o l t a ge   a nd   m ai nta i n  the   ba la nce   b e t w ee n  the   e n t i re   D C  vo lta ge   a nd  e a c h   pha se  l eg o u t p u t v o l t a ge,  the  ou t p u t  v ol t a ges   c a n  b e  de f i n e d  a s :    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Po we r c o mp ensat i on   f o r  v ecto r -ba s e d   c u r r e n t  c ont ro l  of  a   mo du la r  mul t i l ev e l  …  (A.  U.  La wan )   1 789 1 (4 3 ) 2 kp d c k cc VV V     1 (4 4 ) 2 kn d c k cc VV V       Whe r e  k c V   i s  t h e   M M C  s y ste m   out pu t v o l t a g e  of t he  cor respo n d i n g   p hase  d e fi ne d  as:    * 1 sin ( 4 5 ) 2 dc ck o k VV M t         3.   T H E PROPOSED COMPENS AT ING D Q   - POWE R  AL GORITHMS   ( dc o m Q  AN D qc o m Q ) FOR  MMC BASED  S T A T C OM  D E C O U PLED C URR E N T CONTROL .   Ma ny  a t t e mp t s   t o  e nha nce  gr id  v o l t a ge   o r  pow e r   f a c t or   w e r e  c ons i d e r ed  u s i ng  e x te r n al  r e act i v e  curr ents   s uch   as  i n   [ 6 ],[31].  The s e   e x t e r n al  c om pe nsa t i ng  re ac t i v e   curre n t s   w e r e  ma d e   fro m  th e  q - axi s   com p o n e n t s   o nl y   a nd  in tro d u ce d  as  a   m ea ns  o f  com p e n s a tin g  the   l i n e  l o ad  r ea ct i v e  c u rrent  r efere n c e s.  B u t   the  d-ax is  c o m pone n t   c omp e nsa tio n  ge ne r a ti o n   w as  n ot  c on si dere d .  G i ven  b y   ( 3 4 )  and  ( 35)  a nd  f i gur e  1,  base d  o n   t he  d , q -   fram e   n a t ur e   of  d ,q-   in ner   c u rre nt   v e c t or  c on tro l   t he re  w il l  a l w a ys   b e   t h e  d-axi s   a n d   q -a x i s  in  its  i m p le me nt a tio n.   A lso  c ons ide r i ng  the   fac t s  tha t   t he   P I  c ontr o lle rs  a r e   i mple me n t e d   i n  d, q  i n depe nde nt   form   t o  c o ntr o l  t h e   ac tiv e  an d  re acti v e  pow er  i nde pe nde n t l y   f or   g e t tin g   a   d e c o u p l e d   dy n a mi c  re sponse [ 2 2 ] ,   th i s   w ork  i n tro duc e d   a n o the r   c om po ne nt s  (i. e .  d-a x i s   a c tive   vec t o r  c o mp e n s a t i on   c o m pon e n t s )  t o   c o m pe n s at e  for  t h e  d-a x i s   s egm e n t   o f  th e   d, q-var i a b l e   ( i.e.   d Q   an d q Q ),  plu s   t he  q -a x i s  re acti v e  vec t or   c ompe n s a t ion   com p o n e n t s ) to c ompe n s a t e f o r th e  q-a x is se g me nt   o f  the   d,q- var ia ble .  Th e  v a ri abl e s  (i .e.  d Q   an d q Q )   w ere  ob ta ine d   a nd  app l i e d  for  t h e   corr espo n d in g  d , q-P I   c on trol ler s   of  t he  d ,q- i n n e r   c urrent  c on trol lers. T his  ex t e rna l   c ompe nsa tio n   i s  im po r t a n t  c o n s i d er in g  t h e  fac t s  t h at   a ll  V S I  in verter s  have   e it her   a  dc  l i n k  ca pac i tor(s)  or  s o u r ce  of  d c-li nk  v o l t a g es   t ha t   nee d   a n   ac tive   pow er   c ontr o l   whic h  ar e  mos t l y   car rie d   o u t   b y   ei t h er  fro m   se t   o f   a   r ef ere n ce  a c t i ve   pow er  o r  by  t h e  use  o f   a   r e f e r enc e   vo lta ge     t o  c o n t r o l   the   dc  l i n k   v o lta ge   a s  a   m e a n s  o f   c on tro l l i n g   t he   a c t ive   po w e r.   I n  ot he r  w o rd,   t h e  var i a t ion   o f   t h e  M M C   b a s e d  S T A T C O M  a c t i v e   p o w e r  w i t h i n  i t s  c e l l s  i s   a l s o   t ackle d  us in g  t h e   d- a x is  c ompo ne nts  com p en sat i on i n   t hi s  w o r k ,  c o ns i d e r i n g  t h e w i de ned ca use s  and f orm s   o f S T A T CO M va riat io ns. O n   t h e  othe r   han d ,  gi ve n  by   ( 4 0 )   a n d  (1 4)   a nd  F i gur e  8.   I t  c a n   b e   se en   t ha t  the   ex trac t i on   o f  the   q-a x is  c ur ren t   c omp one n t s   (i.e .  load   r e act i v e  c u r r ent  lq k I )  i s   r e q ui re d  in   m ain t a i n i ng   t h e   g ri d  vol t a g e   o r  c o rrec t   t h e   p o w e r   fa ct or   o f  th e   power   s ys tem   at  t he  P CC.  T h i s  i s   u se d  as  t he   r ea cti v e  cur r ent  r ef e r en c e    * fq k I in  o rder  t o  e f fe c tive l y  c o ntr o l   the  varia t i o ns.  The  pro p o s ed   pow e r   a lg ori t hm   ( dc o m Q   a nd  qc o m Q )   w a s  derive d  t o   b asica l l y   t o  pr o duc e  a n   op p o site  d ,q-  pow er  c om ma nds  t o   t h e  d, q-  P I  c ontro lle r’s  o u t pu t  v a r i a b l e s  ( d Q  a n d q Q )  i n   r espo n s e  t o   t h e   STA T CO M  ac t i ve   a n d   r ea c tive   c u rr ents  v a r iat i o n   d ur ing   the   s t ead y   sta t e  o p er at ion.   A ssumi ng   t ha t  in  t h e   S T A T CO M  n on- ide a l  ope rat i on,  t he  o ut p u t  c u rre n t   h a s   not   o n l y th e  rea c t i v e  c u rre nt   c om po ne nt s  f q I   b ut   a l s o  has a   ve ry sm a ll a c t i ve  c urren t   c ompo ne n t s[5]  in i t  its o per a ti on s f d I   t ha t   ha s som e   v ariat i on s.  Th is  s m a l l   a c t i v e   c u rre nt  v a r iat i o n   w as   c ons i d er ed   d ue   t o  a   ver y  sm all  re al   pow er   e xc ha n g e  assum i ng  a   st ea dy  s t a t e   o p e r a tion  of  t he   S TA TCO M .  Ther efor e,  d u r i n g   t he  t ra n s i e n t s  (i. e .  F i gure  5) ,  the  ac t i ve  c urrent  f d I flow s  in  o r d e r   t o  m a in ta i n   t he   capa c i t o rs  v o l t a ge s  duri n g  c h ar g ing  a n d  d i s c har g i n g.   H en ce,  a   smal l   int e rn al   a cti v e  po we r  l o ss   i s  ass o c i a t e d   a c r o ss  t h e   re s is t a nce T R .   A l so   a ssum i n g   t h e   pow e r   l os s  due   t o   the  v o lta ge   d r o p  L v   a cro ss  th e   c u mu l a ti ve   i n duct a n c e  T L   c o n si d e rin g   t he   S TA TCO M   o pe rat i on  i n   q uadra n t   I  and  qu adra n t   I I   r e gion s  o f   F i gure  5.  I n  t h es e  tw o  re gi o n s,  t h e   STA T CO M  i n jec t s  po si tive   re ac tive  p o w er   t o   the   gr id  a n d   a bsor b  a   ver y   n egl i g ib le   a m o u n t   o f   a c t i v e  po w e r  fo r  t h e   d c   v olt a g e   m ai n t en a n c e   r esp e cti v ely .   Th en   t h e   S TATC OM  c a n   a tt ai n   a   st e a d y   st a t e,  w h e n   comp en sat e d   an d   it’s  t h e  d- ax i s   a n d   q -a xis  c u rrent   com p o n e n t s   f d I  a n d f q I   i n  (34)  a n d   ( 35)  r espect i v e l y  w i l l   b e   dri v en  t o  t h e  desir e d  d - ax is  a nd  q-a x i s   c urren t   com p o n e n t s   * fd I and * fq I .  A f ter  the  c o mpe n sat i on,   t ha t  i s   i n  t h e   stead y  s t ate,   t he   r ate   o f   ch ang e   o f   th e  STATCOM current s  f d I  and f q I w i ll  be  ze r o a s :       (, ) 0 ( 46) fd q dI dt      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   1 7 8 1  – 1 796  1 790 Assu mi ng  al s o t h e cu mu la tive   ef f e c tiv e   re si s t a n c e   T R  to be  n egl i g i b le  d urin g the  s t e a d y  sta te , a nd gi ve n b y :     0( 4 7 ) 2 r fT R RR      The n   c urr e nt  c om pone nts  * fd I and * fq I   w ould  ha ve  t h e ir  r e s ulta nt  l i n e  cur r en t  va lu e  f I in  qua dr at ur e   w ith  t he   a va ila ble   A C   vol ta ge   a t   t h e  grid   P CC  as   s how n  i n   f i gur e   1 .   F ro m  t h e  Fi gu re   1   i t   c a n   b e   s een   t hat   t h e  at  t he  s te a d y  sta t e  c o n d it i o n ,   t he  g rid  A C   v olta ge   d V w i l l   a lso  be   i n  pha se   w ith  S TA T C O M   o u t pu t  A C   vo lta ge   c V   a n d   th e   co nt roll er  a t   t h i s   s t a t e ,  will   g e n erat e   th e   d e si red   co mp en sat i ng   volt a ge   c o m man d s  wi t h   t h ei r ma g n itu de s  * fd V   a nd  * fq V  that c a n  be a s:    ** (4 8 ) cd f d T f q VV L I     ** (49 ) cq T f d VL I      C ons ide r i ng  th a t   i n  de c o u p l e d   c ur rent  c on trol,  t h e   v o lta ge   v ect or  i s  a l w a ys  a l i gne d  w ith  t he   d -ax i s,   t h en   g rid   q - axi s   v olt a g e   v ector  f q V   c an  b e   ig nor e d .  H e nce 0 fq V .O n  t h e  o t her   ha nd,   t he   g ri d  d-a x i s   v o l t a ge  vec t or   f q V   i s  d e fin e d  in   i n t e r ns  o f  re su l t a nt   S TATCOM  d -ax i s   vol t a g e   c omm and  * cd V   i n  (4 8)  b ase d   o n   t h e   o ppo si ng   v ol t a g e   d r o p   sign a l   ( i . e . * T fq L I ),  * cq V   i s  the   resul t an t  S T A T CO M   q- ax is  t ha t  e q uals   t he   o p p o s i n g   vo lta ge dr o p   signa l * T fd L I .  If  f rom   ( 48 and   49) the  cor respo n d i ng  des i red  d-ax is a nd q- a x is  STATC OM  cu rre n t s ca n b e  d ef in ed  as:   * * (50 ) cq fd T V I L    * * (5 1 ) cd f d fq T VV I L       Wher e  the   cum u la t i ve  i n t erfac i n g   i nd uc ta nc e  T L  is gi ven  by :     (5 2 ) 2 r Tf L LL      The i r   com p ens a ti n g   s te a d y-st ate  ac t i v e   a nd   r ea ctive  pow e r   v aria ble s   ( dcom Q and qcom Q )   a t  t h e  f i l t e r   PCC bus is a s:    * ** 33 (5 3 ) 22 cq f q d c o m fd fd fd T VV QV I V I L     2 * ** 33 3 (5 4 ) 22 2 cd f d fd q c o m fd fq f d TT VV V QV I V I LL        F r om   ( 9)  s up por ted  by  fi g u re   4 ,  ca n  be   s ee n  t h a t   t he   c um ul a tive   i nd uc ta nce  T L   i s   no t  o n ly   em plo y e d   f or  f il t e ri n g   pur p o se   a nd  c o u p lin g   bu t  is  a ls o  ine v ita b l e  fo r  c r ea t i ng   a   v e r y   smal l   ph a s e  shif t   δ   th a t   w ill  e n a b le   t he   act i v e pow er  e xc ha n g e d u rin g   t he   c a p aci t o rs  t ra n s i e n t s.   O n the   o t he r  ha n d ,  from   t he   ( 9),   it  c a n   be  s een  t hat  the   v o lta ge  d i f fe renc e  be tw e e n  t h e  d-axi s   g ri d  v o l ta ge  a nd  t h e  d-ax is  S TA TCO M   v ol ta ge   repr esents  t he  v o l tage  d iffere nce  * fd cd VV   o v e r  th e   c u mu l a ti ve   i nd uc t a n c e T L .  Re arra ng ing  ( 54)  a s  s how n  in (5 5 ):     2 * 33 (5 5 ) 22 cd fd fd qco m TT VV V Q LL        Th en  t h e  S TATC OM re s ult a n t  out put  v ol t a g e   * c V   i s  give n a s       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.