Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   1 2 ,  No.   2 ,  Jun   202 1 ,  pp.  772 ~ 7 82   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI:   10 .11 591/ ij peds . v 1 2 .i 2 . pp 7 72 - 7 82       772       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Detailed  analysis  of grid c onnecte d and isla nded operati on  modes b ased on  P/U an d Q/f  droo p charac ter i stics       Qusa y  Sa le m 1 , K h aled  Alza areer 2   1 Depa rtment of  El e ct ri ca l   Eng in ee ring ,   Prin ce ss   Sumaya   Univ ersit y  for   T ec hnolo gy,   Jordan   2 Depa rtment of  El e ct ri ca l   Eng in ee ring ,   Queb ec  Univer sity, Montre a l  Québ ec,  Ca nada       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   30 , 20 20   Re vised  A pr   7 ,  20 21   Accepte d  Apr   20 , 20 21       Thi s  pape r  pr ese nts  a  thorough  c ontrol   struc ture   of  the   distr ibut e d  gene ra tors   inside  the  m ic r ogrid  dur ing  b oth  gr id - connec te d   and   isl anded  oper at ion   mode s.  The se   c ontrol   stru ct ur es  of  the  DG s  volt ag e  sourc e  in ver te rs   are   im plemented  in   synchronous  re fer ence  fr am e   ( SR F)  and  cont r oll ed  using   li ne ar  PI   con troller s.   By   im p le m ent ing   th e   cont r ol  stru ct ure s ,   the  desir ed   re a l   and  r eact iv e   po wer  c an   be   ef ficien tl y   tra nsferr e d  to   th e   local   lo ads  and   the  uti lity  lo ad  by   the   mi cro gr id  g ene ra ti ng  un it s.   A  modi f ie d   dr oop  cont ro l   te chn ique  is  int r oduce d   to   fa ci l itate  th e  mi c r ogri d  per for ma nc e   d uring  both   mode s  of  oper a ti on.   The   active  and  re active  p ower  sharing  o f  the   loa d   dem and  b et we en   the   u ti l it y  gr id  and  the  microgri d  ca n  b e  pe rfor me d  by  thi s  droop  con trol  technique  during   t he  isla nded   mod e.  The  sys tem  p erf orma n c e   during  i nte n ti on al  isla nd ing  event  and  u ti l it y   lo ad  inc re ase   is   i nvesti gated.   The   eff e ct iv enes s  of  the  offe r e d  cont ro l  stru ctures  is  conf irmed  through   simul ation  r esults   during  both   mo des  of  op era t ion.   Ke yw or d s :   Distrib uted Ge ner at or s   Droop c ontr ol   Gr i d  c onnected   an d Islan ded  M odes   M ic r ogrid   Vo lt age  s ource  inv e rter   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 :   Qu sa y Sal em   Dep a rtme nt of  Ele ct rical   Eng i neer i ng   Pr inces s S um a ya Un i ver sit y f or Tech nolo gy   Amm a n, J orda n   Emai l:  q .salem @p s ut.e du.jo       1.   INTROD U CTION   M ic r ogrids  are   ene rgy  netw orks   w hich   ha ve   small - scal e  a nd  low - vo lt a ge   featu re.   The y  are   util iz ed  to  guara ntee   th e  distrib utio n  a nd   ge ner at io n   l ocall y  in   t he  a utonomo us   or  re mo te   s ociet ie s  [1] . M ic r ogri ds   ca n   be  interc onne ct ed  with  la r ge   powe r  sy ste ms  thr ough  powe r  el ect roni c  conve rters  and   ca n  e ven  work   auto nomousl y  [2],   [ 3] .  I n  t he   nor mal  ope rati on   w her e   the  micro gr i d  is  c onnected   to   th e  massive   gri d ,  D G s   in to   the  powe r  netw ork  ca n   tr ack   the  gr i d  en ergy  fl ow   a nd o pe rate  with ou t  con tr ol  re qu i r ment .  In   t he  ev ent  of   sh ort   ci rc uit  or  pla nn e d  inte r ruptio n,   the  m ic rogr id  can  be   disco nnect ed   from  t he  la r ge   gr i d  to  op e r at e  in   auto nomous   m od e   w he re  pro per  co ntr ol  me thods  a re  a pp li ed  in   or der   t o  ens ur e  sta bili ty   of   powe r  [4] ,  [ 5] .  The  a uton omo us   functi onal it y   ca n  pro vid e   more  el act ic it y   to  t he   DGs  in vo l veme nt  a nd  bri ng  a   m or e   e ff ic ie nt   powe r  s upply .  Howe ver,   aut onomo us   micr ogri ds   mi gh t  ha ve   power le ss   c onditi on  tha n  c onve ntion al   m assive   gr i ds   because   of l imi te d  capa ci ti es  of  th e  D Gs   [6] .     The  micr ogrid   noti on  ad voca te s  co ordinate d  c on t ro l  w here  retrie v in g  tr us tw or t hy  an d  high - qual it y   energ y  can  be  ens ur e d  to  c us tome rs   by  DG s   coopera ti on   [7] .  T he  co ntr olled  volt age  s ource  co nverters - base d  powe r  el ect ron ic   i nterf aces   ar e  util iz ed  wi de ly  to  c onnect  t he  DG s   to  t he  po i nt  of  c omm on  co upli ng  of   the  netw ork.  M ore ov e r,  tw o  mai n  cat e gories   of  micr ogrid   c ontr ol  met hods  are  e xisted   whic h  a re  div i de d  i nto  ei ther  ce ntrali zed  c on t ro l  or  de centrali zed  c ontr ol  meth ods   [8 ] - [ 10] .  A  high  band width  c om m unic at ion  li nk   is   employe d  i n  c entrali zed   co nt ro l  meth ods  t o  tra ns fe r  fee dback  a nd  c ontr ol  sig nals   bet ween  the   ce ntr al iz ed  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       Detaile d a na ly sis of  gr id  con nected  and i sla nd e d o per ation m od es  base d o n  P/ U  …   ( Q usay  Sa le m )   773   con t ro ll er  a nd  the  D Gs.   Ce nt rali zed  co ntr ol le rs  are  fou nd   to  be  le ss  reli able  since  s ys te m  instabil it y  migh t  app ea r   due   to   an y  co mm un i cat ion   i nter rup ti on   besi de  t he   co mm un ic at i on  s ys te m   hi gher   c os ts   [11 ] - [ 14] .  That’s   why   de centrali zed   co ntr ol  met hods  are  c onside red  m or e   fea sible   as  pe rformi ng  t he   sy ste m   on li ne   mainte na nce   a nd  ac hieving   sel f - orga nizing  ca n  be   ac com plishe d   easi ly   [15 ] ,  [ 16] .   T he  methods   of  decen t rali zed  c on t ro l   em ploy  −   &   −   dro op  c ha racteri sti cs  to   re gula te   the  flo w  of  real   a nd  reac ti ve   powe r   in  t he  micro gr i d .  Th ese  dro op  ch a racteri sti cs  are   base d  on   hi ghly  i nductive  netw orks  w he re  the  decou pling   of  real   an d  reacti ve  po wer   flo w   equ at io ns   ca n  be  ap plied .  Slo w  dy namics  a nd  volt age  dr i fts  with  load  c hange  a re  some   featu res  of  these  dro op   c har act erist ic s  wh ic h  are   com pat bile   with  the  ne twork   impeda nce   hi gh  /   rati o  an d  la rg e   ine rtia   in  c onve ntion al   po wer  syst ems   [ 17 ] ,  [ 18] .   H oweve r,  since   li ne   impeda nces   in   micr ogrids  ar e  resist ive   at   mo st ,   D Gs   ha ve  s mall   ine rtia   an d  pe rsiste nt  loa d  va riat ion s   ma y   happe n .  The   /   rati o  in  mic rogri ds   is  no t  la r ge   li ke  the  ca se  i n  c onve ntion al   powe r  s ys te m s.  Co ns e qu e ntl y,  the  act ive   an d  reacti ve   powe r  flo w  is   de pe nd e nt  on    a nd    as  the y  are   highly   co uple d.  T hat’s   w hy  t he   tradit ion al   dr oop   te c hn i qu e   wh ic h  em ploy s  decou pled   −   &   −   dro ops   bri ng  ou t  wea k  pe rformance.   Diff e re nt  co ntr ollers  ha ve  bee n  pr opos e d  in  t his  co ntext  where  [ 19]   int rod uces  a  virtu al   r esi sta nce  so   t ha t  the  sy ste m  act s   in  a  resist ive  man ner  w her e     and    mig ht   be  regulat ed  by  res pe ct ively  droopi ng    an d  .  [ 20 ]   and  [ 21]   hav e   introd uced  a  vi rtual  reacta nc e  an d  a  virtu al   P Q  met hod,  r especti vely   to   mimi c  the   in duct ive  sy ste m  by  inc r easi ng  the  /   rat io.  T he  −   &   −   dro op   sche me  ha s  t he  disad va ntag e  of  ex hib it ing   powe r  qual it y  pro blems  in   te rms  of  f reque nc y  a nd  volt a ge   de viati on s .  Re placi ng  the  −   dr oop  by  −   dro op   ca n  el i minate   the  fr e qu e nc y  dev ia ti on s   pro blem  wh e re  a  globa l  po sit io ning  s ys te m  is  int rodu ce d  t o  sy nc hro nize  th e  DG   unit s   [ 22] .  E.  R okr ok   and   M.  G ols ha n  [ 23]   ha ve  int rod uced   a n  a da ptive  vo lt age  dro op   method  for  im pro ving  the  r e gu la ti on   of  vo l ta ge  at   PCC   and   mit igati ng   t he  co upli ng  be tween     and     dro op   con t ro ll ers .  I n  [24] ,  sync hro ni zi ng   the  globa l  fr eq ue ncy   t o  a  nominal  val ue   with  bette r  di sturb a nce  reject ion   pro per ti es  has  been  reali zed   by  c on si de ri ng  a  finite - ti me  c on t ro l  protoc ol   for  fr e quenc y  resto rati on,  ba sed  on  feedbac k  li nea rizat ion .   D G  s el f - f reque ncy  r est or at io n  c ontrol  has  c orrect ed  the   f re qu e nc y  dev ia ti on  by  dro op   com pensat ion  without  t he  ne ed  of  util iz ing   a  seco ndar y  co ntr oller   [25] .  H ow e ve r,   resist ive  li ne   im ped a nce  i n  low  volt age   mi crogr i ds   ca us e s  po wer  co upli ng  in   −   dro op  c on t ro l  w hich   ha sn ’t   bee n  co nsi der e d  a nd  wa s   on l y  a pp li e d  to  h ig h o r  me dium v oltage  net works.     The  c urre nt   c om m unic at ion - le ss  micr ogrid   co ntr ol  meth od s   ha ve  util i zed  −   &   −   dro op  char act e risti cs.  A n  al te rn at iv e  appr oach   is  pro po se d  in   th is  pap e r  wh e re   a  −   an d  −   droop   con t rol   te chn iq ue   is   pr opos e d  f or  a   micro gr i d  co nnect ed   to   th e  util it y   or   main   gri d.   The   c on trol  st ru ct ur es   that  are   impleme nted   t o  e xecu te   the  gr i d - c onnecte d  an d  isl an de d  op e rati ons  of  DG s   are   in vest igate d .   A n  i ntention al   isl and in g  c on diti on  is  pe r f ormed   to  i nv est igate   the  pe rformance   of   the  micr ogrid  c on t ro l  struc tures.  M ore ov e r,   a  st ep  cha nge  in  t he  util it y  loa d  has  been   pro pose d  to  prov e   the  co ntr ol  str uctu res  pe rfo r mance .  The  propose d  con t ro l  strat e gies  can  c on t ro l  the   volt age  a nd   po wer   of  the   DGs  in  a dd it i on   t o  s har i ng   t he  loa d  dema nd  durin g  al l  modes   of  op e rati on.  T he   main   co ntri buti on   of  this   w ork   is  acc ompli sh e d  by  co ns i de r ing  the abo veme ntion e d  iss ues .    The  orga niz at ion  of  the  pa per  is  div i ded   i nto  five  sect i on s .  At  first  is  t he  i ntr oductio n,   t he n  sect io n  2  pr ese nts   the   ge ner al   sc hema ti c  diag ram   of  the   pro po se d  micr ogri d   m od el .  T he   re al   a nd  reacti ve   powe r  gen e rati on  in   r el a ti on   to   the  pro posed   dr oop  con t ro l  meth odology  is  int rod uced  in   sect ion  3.  Sect io n  4  s ho w s   the  s im ulati on  resu lt s   w hich   a re  perf or me d   t o  c onfir m   t he   a pp li cabil it y  an d  e ff ic ie ncy  of  the  pro po se d  c on t ro l   structu res .  Fin al ly,  sect io n 5 prese nts t he  c oncl us i o n   of the  prop os ed  wo r k.         2.   T HE PR OPO SED  NETWO RK   D ES CRIP TIO N   Figure  1  s how s  a   sin gle - li ne   diag ram   of  th e  pro posed   mi crogr i d  m odel   wh ic h  ca n  op e rate  in  gr i d  connecte d  a nd   isl an ded  m od es .  All  the   distrib uted   ge nerat or s   ar e  s uppos ed  t o  i nject   th e  re quired   act i v e  a nd  reacti ve  po wer  to  suppo rt  the ir  own  loa ds   a nd   t he  util it y  load  t hen   t he  r emna nt   of  po wer   m oves  ou t   to  the   main  util it y  gri d.   A   ci rcu it   breake r  is  place d  in  t he  s ys te m   ei ther   t o  ma intai n   the  mic r ogrid  onli ne  w it h  the   main  gr id   or   to   isol at e  the  f aulty  sect io ns   from  th e  micr ogrid  i n  case  of   s hort  ci rc ui ts .  A  util it y  load  is   connecte d dire ct ly  to   the  p oi nt   of  c ommo n  c ouplin g  (P CC )  to  be   sup porte d  by   real   an d  r eact ive p ower   i n  both   modes  of ope r at ion .     2.1.   Model ing   and  co n tr ol of  grid - c on nec ted D C/A C vo lt age  so urce  inver te r    Var ia bles  in   s ynch r onous  ref e ren ce   f rame   (SR F)   a re  us e d  f or  the  c ontr ol  of  gri d  co nnect ed  i nv e rters   in  w hich   the y  descr i bed  as  DC  qu a ntit ie s.  Fig ure   2  de pi ct s  the  ci rc uit  diag ram  of  the   three - ph ase   volt ag e   so urce  i nv e rter   co nn ect e d  to   the  gr i d.    ,  ,    are  t he   inv e rter  outp ut  volt ages ,   ,  ,    ar e  the   ou t put   vo lt age s   of  th e  gri d .  T he   in du ct a nce  of  t he   in ver te r   is  denoted   by     a nd     is  the   in duct ance   of   the   gr i d .    ,  ,    are the  inj ect ed  cu rrents i n  the   main   gr id .    The   e quat ion o f  the   dia gr a m   de picte d  i n  Fi g ure   2  is   form ulate d diff e re ntial l y  as   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   7 72   –   78 2   774     [   ]  = [ ]  − [ ]  − [ ]      (1)     Wh e re,   the   tot al   inducta nce   of  the   in ve rter  i s  de note d  by   ,  wh ic h  mean s  =  +  .  If   = 2  ,  wh e re    is t he  f re qu e nc y   of the  gr i d , t hen ( 1) can  b e   form ulate d   i n  s yn c hro nous re f eren ce  frame a s:      ,  =    + ( +  )  +      (2)           Figur e 1:  The  propose d  microgr id  model           Figur e 2:  Thr ee phase   D C/A C voltage so urce  converter  conne cted to  grid       The n  the  r eal   pa rt  an d  t he  ima gin a ry p a rt of  ( 2) can  b e  writ te n  as     ,  =   + −  +     (3)     ,  =   + +  +     (4)     Dep e ndin g  on ( 3)  an d  ( 4)   t he  arr a ng e ment  of  the  gr i d  co nne ct ed  volt age  source  in ve rter   c urren t  c on tr ol  in  dq - ref e ren ce   f ram e  is  il lustrate d  as  s how n  i n  Fig ure   3.  W her e,   ,  , ,    are   the   dq   re f eren ce   c urren ts .  A  PL L   is  us ed  for  tra ckin g  th e  ph a s e  ang le   of   t he   gr i d  to  be  synch r on iz e d  wit h  D Gs.   PI   c on trolle rs  are  use d  to  com pensat e th e volt age  dro p ca us e d by the l ine impe da nce.     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       Detaile d a na ly sis of  gr id  con nected  and i sla nd e d o per ation m od es  base d o n  P/ U  …   ( Q usay  Sa le m )   775       Figure  3 .   Bl oc k diag ram of  VSI c urre nt cont ro l       The  c ontrol  eq uations f or  ,    an d  ,    are as   the  f ollow in g:     ,  = −  + ( + ) ( ,  − )     (5)     ,  = −  + ( + ) ( ,  − )     (6)     Hen ce , th e   f ormulas  of  act ive  and  reacti ve p ow e r  a re  wr it te n  in  s yn c hro nous   ref e ren ce  fr ame as:     = 3 2 ( ,    + ,    )     (7)     = 3 2 ( ,    − ,    )     (8)     It  can  be  seen   from   ( 7)  an d  (8)  that   a   m utu al   co uple d  volt age  e xists  be tween  t he  d   and  q  axis  qu antit ie s .  Howe ver,   t his  couplin g  will   no t   cau se  i nd e pende nt  c on t rol   of  P  a nd  Q .  I n  oth e r   w ords ,   if   the   delive re d  real   powe r   cha ng e s ,  the  reacti ve   power   will   change  acc ordi ng l y .  T he  el imi na ti on   of   th is  mu tual  co upli ng   is   achieve d by c onside rin g   ,  = 0 .   He nc e,   the  modifie d real   an d react ive po wer  can   be writt en  as :     = 3 2 ,        (9)     = 3 2 ,      (10)     Con se quently ,   the  d - axis   cu rr e nt  m onit or s   directl y  the   a ct ive  po wer  a nd  the   q - a xis  current   m on it ors  t he   reacti ve powe r .     2.2.   Contr ol  of   D C /AC v olt ag e  s ou rce i n ver ter  in isl anded m od e   On ce   t he  main   util it y  gri d  is  seper at e d   f rom   the   mic rogr i d,   eve r y   DG   i ns i de  t he   micr ogr id   will   lose   sta bili ty  in   te r ms  of  very  high  values   of  c urren t  or  volt age   tran sie nts.   I n  isl and  m ode,  t he   g rid   fee ding   powe r  conve rters  ca n  not  w ork  unle ss   if  a  gr i d  f ormin g   or  gr i d  suppo rting  po wer   c onve rter   is  existe d  s o  t hat  the   vo lt age  a mp li tud e  a nd  freq ue ncy   of   t he  ac  micro gr i d   can  be  adj us te d   [26] .  I n  this  pa pe r,   a  po wer   c onve rte r   wh ic h  is   gri d  f ormin g   one   is   act ivate d  at   P CC   w hen  the   micro gr i d  bec ome s  isl an de d.  The   ci rcu it   dia gr a m  of   the grid  formi ng  powe r  c onve rter in i sla nded  mode is  d e picte d  in  Fig ure   4.     T he  ref e re nce  values   of   t he  f r equ e nc y   a nd  volt age   is  deter mined  by   a   re f eren ce   sine wa ve  gen e rato r .  This  is  becau s e  the  micr ogri d  has  no   phys i cal   connecti on  with  the  main  gr i d.   T hus,  t he   DG  re fer e nce  vo lt age   in isla nded  m ode  is e xtracte d   as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   7 72   –   78 2   776   {   =   sin   (  )   =   sin   (  − 2 3 )   =   sin   (  + 2 3 )   }     (11)           Figure  4 .   Ci rcui t diagr a m  of grid  formi ng po wer co nverter  in  isl an de d  m od e       The   volt age   a nd  c urre nt  c ontrol  ci rcu it   f or  the   gr i d  f or m ing  power  c on ver te r   i n  isl a nded   mode   is   sh ow n  i n  Fi g ure   5.  I n  t he  isl a nd e d  mode,   th e  existi ng  c on t ro l   act s   as  vo lt age   c on t ro l   t hroug h  c ompen s at ion   of  current.  The co ntr ol   unit  emp l oy s   volt age   re gula tors   to  e xtra ct  the d esi red   c urren t  ref e re nc es.   A fter t hat,  us in g  pro per   PI   c ontrolle rs,     an d    will   su ccess f ully  trac k  thei r  re fer e nces.   The  ou t pu t   c urre nt  re fer e nce s   ,    and  ,    are  com pa red   with    an d  ,   an d  the  dif fere nce  is  in serte d  to   an oth e r  P I   co ntro ll er .  Fi na ll y,   the  resu lt ant   outp ut  of  the   c urre nt  lo op  pe rforms  a s  a   vo lt a ge  ref e re nce  si gn al   w hich   is   de li ver ed   to   the   gating  sign al s  of the   three - phase  po wer co nverter .       3.   REAL  A ND  REA CTIVE  P OWER  BASE D  O N D ROOP C ONT ROL  TE CHNIQ U E   Giving  c onsid er at ion  to   t he  conve rter  as   a  volt age  s ourc e   w hich   is  co ntr ollable   an d  ta king  i nt o  account   that  t he   co nverte r  is   at ta ched   to   the   mai n  gr i d  via   a  li ne   impe da nc e  as   il lustrate d  i n  Fig ure   6  ( a),   the n  the tra ns mit te d real   a nd r eact i ve powe r  to  th e  main  gri d  ca n be  form ulate d   as:     =   2 + 2 [ ( −    ) +  ]     (12)     =   2 + 2 [ − (    ) + ( −  ) ]     (13)     Wh e re,   t he  r ea l   and   reacti ve  powe r  pa ssin g   to  the  gr i d  f rom  the  powe r  c onve rter   are   de no te d  by     and  ,  the  volt ag es  of   the   tw o  powe r  c onver t ers   a re  denote d  by  , ,   the  phas e  an gle  diff e re nce  betwee n  bo t h   c onve rter   volt ages   is  de no te d  by  ,   th e   li ne  impe da nc e   is  denoted   by   = +    an d  the   im ped a nce  ang le   is  de no te d  by  .  T hus,   a s  = .    an d  = .  ,  t he  vect or  re presentat ion  of   the   gi ve n   model  can  be   represe nted   i n  Fi g ure   6 (b).   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       Detaile d a na ly sis of  gr id  con nected  and i sla nd e d o per ation m od es  base d o n  P/ U  …   ( Q usay  Sa le m )   777       Figure  5 .   V oltage a nd curre nt  con t ro l   of the  pow e r  c onve rter   in  the   isl an ded mode         (a)   (b)     Figure  6 .   Mo de ll ing  of  powe r  conv e rter c on nected t o  t he dist ribu ti on  netw ork.    (a)   Eq uiv al e nt  ci rcu it  (b) p has or d ia gr am       I n  low - volt age   netw orks ,  t he   impeda nce  of  the  gr i d   is  pri ncipall y   resist ive  an d  th us   t he   inducti ve  par t   can   a ppr oximat el y  be   ne glect ed.  I f   we   assume   a   small   val ue   of   t he  phase   an gle  ,  t he n  ( 12)  a nd   ( 13)   ca n   be rew ritt en  as :     =   ( −  )   = ≫   −   ≈     (14)     =   − .    = ≫   =   −     (15)     Ba sed  on  the  pr e vious  t wo  e qu at io ns,  it   ca n  be  no ti ced   that  the  volt age   mag nitu de   in   low - volt age   distrib ution  ne tworks   an d   t he   real   powe r   are  dep e ndent   to  eac h  oth e r .  Als o,  the   re act ive  po wer   and  the   fr e qu e nc y  a re   inf l uen ce d  by  eac h  oth e r .  Fr om  (14)  an d  ( 15) ,  the   ex pr essi ons  of   t he  dro op   co nt ro l  a re   dem onstrat ed   a s:     − = − ( − )     (16)     − = ( − )     (17)     The  cha racteri sti cs  of   the  propose d  dr oop  con t ro l  are   il lustrate d   i n  Fig ure   7.   T he  ch aracte risti cs   dem onstrat e  th at   the  volt age  mag nitud e   a nd  the   act ive  po wer  are   mai nly   de pe nd e nt.   O n  t he  oth e r  ha nd,  it   i s   cl ear that the  fr equ e nc y  a nd th e  reacti ve p ower   are  also  d e pe nd e nt  on eac h othe r.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   7 72   –   78 2   778       Figur e 7 .   P/U  and Q/f   droop  control  character i stics       4.   DISCU SSI ON OF  SIMUL A TION  RES UL TS   Re al iz at ion   an d  r obust ness   of  the  pro posed   dro op  co ntr ol   strat egies  i n  the  mic rogr i d  model  ha ve   been  ass essed   in   ste ad y  sta te   an d  tra ns ie nt  operati ng   c onditi ons   e mpl oy in g   ‘ SimP owerS ys te m s’   l ibrary   too lb ox  i n  M at la b /Si mu li nk.   The   pa rameter s  of  the   sin gle   li ne  diagr a m   s how n  i n  Fig ure  1  a re  gi ven  i n  Table   1.  T wo  sce nar i os  ha ve   bee n  e valuated   t hrough  sim ulati ons  to   e xami ne   t he   s ys te m  be ha vio r .  T he   fir st  sc enar i o  is  wh e n  a n  i ntention al   isl a nding   c onditi on  t akes  place .  T he   oth e r  sce nar i o  is  wh e n  t he  util it y  load  i nc reases   durin g  the   isl and i ng  per i od.   The   sig nifica nc e  a nd  novel   a sp ect s   of   the   re su lt s  a re   ob vious   by   the   op e r at ion  of  the  pro pose d  dro op  co ntr ol  te chn i qu e   w her e   the  D Gs  s hare   the  real  power  to  f ulfill   t he  total   load  dema nd   f or   bo t h  sce na rios.  Mo reover ,  t he   obta ine d  res ults  ref le ct   t he  st abili ty  an d  so li dity  of  the   DG  VS I   c on t ro l  str at egy  durin g b oth   gr i d - c onnecte d  a nd isl an de d op e r at ion  m odes.       Table  1 .   Para m et ers  of t he pr opose d m od el   Grid    = 230   ,   = 50      DG 1     =   12    ,   =   4      DG 2     =   14    ,   =   6      DG 3     =   16    ,   =   8      DG 4       =   18    ,   =   10      Utility  L o ad     =   30    ,   =   5      DGs Load s     =   5    ,   =   0      Line im p ed an ce     =   0 . 5   ,   =   0 . 8          4.1.   Int en tional  isl an din g  sc enar io    T he  micr ogrid  is   assu med   to  work  in   gri d - c onnected   m ode   at   ( 0   ≤     ≤   1 )   and  the n  di sconnected   from  t he  util it y  fo ll owin g  a n  i ntentio nal  isl and i ng  co ndit ion   at   PCC   w hic h  is  pr opos e d  a t  = 1   and   la sts  for   1000    ( 1   ≤     ≤   2 ) .  Af te r   that   the   syst em  re gain s   it s  op e rati on   to   relat e  t o  t he   main   gr i d  at   ( 2   ≤     ≤   3 ) .  Fi gure   8  (a ) - ( d)  dep ic ts   th e  micr ogri d  pe rformance   c oncer ning   the   r eal   powe r,  rea ct ive  power,  r ms  vo lt age   an d  frequ e nc y  wh il e   subfigu res  (e ) - (h)  de pict  th e  gr i d  pe rfo r mance  i n  te rm s  of  real  pow er,  r ms   vo lt age , c urre nt  an d f reque nc y.     It  is  noti ced  from   the   res ults  th at   t he  pro posed  dro op  c ontrol  strat egies   a r e  functi onin g   eff ect ivel y  durin g  gr id - c onnecte d  a nd   is la nd e d  m odes.   Further more,  it   can  be  no ti c ed  that  wh e n  i sla nd i ng   occ urs,  the   DG s  sh a re  the  real  powe r  to  f ulfill   the  total   load  dema nd  si nce  the  powe r  su ppl y   o f  the  main  gri d  is  lo st.  As  a  resu lt ,   the   r ms   volt age   of  th e  D Gs   in ve rters  is   inc rease d  ba sed   on  t he  dro op  c har act e risti cs.  T he   re act ive   powe r  an d  fr e quenc y  of  D Gs  inv e rters  s how   a  li tt le   transient  at   the  ti me  of  isl an ding  an d  recon necti on  du e   to  the  ci rc u it   br e aker  op e rati on.   At   the   gri d  si de,  it   can   be  noti ced  t hat  th e   syst em  is   co mp le te ly  isl a nded   at   ( 1   ≤     ≤   2 )   as  t he  gri d  re al   powe r   an d  current   reac h  zero s .  I n  a ddit ion ,   it   is   al so  no ti ced   that   a  small  fluctuati on   on   gr i d  fr e quenc y  is  existe d  at   t he   ti me  of  isl an ding  a nd  rec onnecti on  c on diti on s .  E ve r y  DG  in   the   micro gr i d   is  e quip ped  with   id entic al   dro op  c har act erist ic   is  app li ed   f or  w he re  the  D Gs  re al   powe r  are   s har e d  equ al ly  to sa ti sfy the l ocal loa ds  a nd the  u ti li ty loa d durin g  t he  isl an ding  pe rio d  ( 1   ≤     ≤   2 ) .     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       Detaile d a na ly sis of  gr id  con nected  and i sla nd e d o per ation m od es  base d o n  P/ U  …   ( Q usay  Sa le m )   779       Figur e 8 .   Mic rogr id  and gr id  perf ormance  during  intentional  is landing  scenari o        4.2.   Ut il ity  lo ad  in crease sce na ri o    Fig ure   9  (a ) - (d)  sho ws  the  be hav i or   of   t he  micro gr i d  w he n  the  util it y  load  inc reases.  T he  util it y  loa d  has   bee n  inc re ased   f rom  30    to  50      in  order  to   i nvest igate   the   pe rformance   of  r eal   an d  reacti ve   po wer   sh ari ng   bet wee n  the  gr i d  a nd   micro gr i d  es pe ci al ly  wh e n  th e  sy ste m  is  isl and e d.  It  is  cl e arly  s how n  tha t  the  real  powe r  of  DG s   i nv e rters   in  isl an ding   m od e   have  i ncr e ased   to   co mpe ns at e  t he  short age  of  ge ner at i on  from   the  main   gri d  i n  orde r   to   s upport   the   dema nd  of   util it y  l oad.   A gai n,  ide ntica l  dro op   cha ra c te risti cs  are   a pp li ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   7 72   –   78 2   780   for  eac h  D G  t o  sat isf y  the   in crease  i n  t he  ut il i ty  loa d  duri ng  the   isl an ding  per i od.  This   was  done   by  s har i ng  the r eal   powe r of al l D Gs  s uc h  that t he uti li t y  loa d  i ncr eas e  is d i vid e d on the  four D Gs eq ually.    Con se quently ,  the   DG s  rm s   volt age   ha s  dec reased  base d  on  the   droop  c ha racteri sti cs.  T he  reacti ve   powe r  a nd  f re quenc y   of D G s r emai n  as b e fore w it h  a   li tt le   t ran sie nt  at   the  ti me  of  isl an din g  a nd  rec onne ct ion.   Howe ver,  it   ca n  be   see n  f rom   s ubfig ur e s  (e) - ( h)  that   the   m ai n  gr i d  real   p ow e r   an d  c urre nt  a ppr oach e s  zero  as   a  res ult  of  t he   isl and i ng  c onditi on  w hile  th e  volt age   an d  fr e qu e nc y  rem ai n  within  t hei r  permi ssible  l imi ts  durin g b oth   gr i d  c onnected  a nd isl an de d  m od es.             Figur e 9 .   Mic rogr id  and gr id  perf ormance  during  utility  load i ncrease  sc e nario         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       Detaile d a na ly sis of  gr id  con nected  and i sla nd e d o per ation m od es  base d o n  P/ U  …   ( Q usay  Sa le m )   781     5.   CONCL US I O N     The   s ys te m   ef f ic acy   a nd  be ha vior  of  t he   pro po s ed   dro op  c on t ro l   ha ve   be en   in vestigat ed   du rin g  both   gr i d - c onnecte d  an d  isl an ded  modes   by  pro posin g  an   inte ntion al   isl a nd i ng  co ndit ion  at   P CC   an d  by  i ncrea sing   of   t he  util it y  load.   Tw o  c ontr ol  interface s  are  em ploye d  to  desig n  t he   co ntr ol  str at egies,  the  first  one   represe nts  t he  gr i d  c onnecte d  m ode  a nd   the   ot her  one  re presents   the   isl and e d  m ode.   T he   simulat io n  resu lt s   confirme d  that   the  res pons e   of  the   pr opos e d  con t ro l  strat egi es  an d  t he  dro op  c on tr ol  ca n  mainta in  t he  s ys te m   par a me te rs  within  acce ptabl e  li mit s  du ri ng  bot h  m od e s   of   operati on.   The  a ddit ion  of   a nti - isl an ding   al gorithms  or t echn i qu e s to  th e co ntr ol unit s  of the  micro gri d  is a  prope r p at h  of t he  f ut ure w ork.       REFERE NCE S    [1]   C. - S.  Ka rav as,   G.  Kyria k ara kos ,   K.   Arvan it is   an d  G.   Papad aki s,   “A  mu lt i - age nt   dec en tra l ized  en erg y  ma nag eme nt  sys te m  base d  o n  distri but ed  intell ig ence  for  th e  design  and  co ntrol   of  aut ono mous  polyge ner at ion  mi cro gr ids, ”   Ene rgy  Con ve rs i on  and  Manag e ment  ,   v ol .   103 ,   pp.   166 - 179 ,   20 15 ,  DO I:   10 . 101 6/j . enc onm an. 20 15. 06. 021 .    [2]   J.  Li ,   Y .   Li u  and   L.   Wu ,   “Opt imal  Opera ti on  for  Comm unit y - B ase d  Multi - Par ty  Microgr id  in  Gri d - Connec t ed  an d  Islande d  Mode s,”   I EE E   Tr ansacti ons  on  Smar t  Gr id,   vol.   9 ,   no .   2,   pp .   756 - 76 5,   2018 ,   DO I :   10. 1109/T SG . 20 16. 2564645 .    [3]   H.  Ali,   A .   Hus sain,   V.  Bu i  and  H .   Kim ,   “Consens us  Algorit hm - Ba sed  Distribut ed   Opera ti on  of   Mi cro grids  During  Grid - Connec t ed   and   Island e d  Modes,”  I EE E   A ccess ,   vol .   8 ,   p p.   78151 - 7816 5,   2020 ,   DO I:   10. 1109/ACCESS . 2020. 2989457 .     [4]   C.   Dou,   Z .   Zha n g,   D.   Yue   and   H.  Gao ,   “An  Imp r oved  Droop  Con trol   Str at egy   Ba sed  on  Ch angea ble   R efe r ence  in   Low - Volta ge   Mi cro grids, ”   En ergie s ,  vol .   10 ,   pp .   1 - 18,   2017 ,  DO I:   10. 3390 /e n100 81080 .    [5]   Q.  Sal em,  L.  L i u  and   J.   Xie ,   “ Dual  Oper at ion   Mode   of   a   Tr a nsf orme rle ss   H - Bridge  Inve rt er   in  Low - Volta ge   Microgr id,”  I E EE   Tr ansacti on s  on  Industry   Applications,  vol.   55 ,   no.   5 ,   pp .   5289 - 52 99,   2019 ,   DO I:   10. 1109/T IA.20 19. 2917807 .    [6]   X.  Wa ng ,   F.   Blaabje rg   and  Z.  C hen,   “Autonom o us  Control   of  In ver te r - In te rf aced   Distribut e d   Gen era t ion  Units  for   Harm onic  Curre nt  Fil te ring   and   Resonanc e   Dam ping  in   an   Islan ded  Microg rid,”   IEEE  Tr ansactions   on  Industr y   Appl ic a ti ons,   vo l.   50 ,   no .   1 ,   pp .   4 52  -   461 ,   2014 ,   DO I:   10. 1109/TI A.2013. 2268734 .    [7]   M.  S.   Golsorkhi  and  D.   D.   C.   Lu,  “A   Control  Met hod  for   Inve rt er - Based  Isl ande d   Microgr ids  B ase d  on  V - I   Droop   Chara c te rist ic s, ”   IEEE  Tr ansacti ons  on   Pow er  Delive ry ,   v ol.   30 ,   no .   3 ,   pp.   1196 - 120 4,   2015 ,   DO I:   10. 1109/T PWR D.2014. 2357471 .    [8]   E.   Espina,  J.   L l anos,   C .   Burgos - Mell ado ,   R .   C á rde nas - Dobs on ,   M.  Martí n ez - Gó me z   and   D.  S áez,   “Distri bu te d  Control   Stra te gi es  for  Microgr i ds:  An  Overvi ew, ”  I EE E  Acc ess,  vol.   8 ,   pp .   193412 - 19344 8,   2020 ,   DO I:   10. 1109/ACCESS . 2020. 3032378 .    [9]   Q.  Sal em  and   J.   Xie ,   “De c ent r alize d   power   con t rol  m ana g ement   with   seri es  tra n sforme rle ss   H - b ridge  inve r te r   in   low - volt ag e  sm art   microgrid   b ase d  P/V  droop   cont ro l,”  In te r nati onal   Journa l  of   E lectric a l  Powe r  &   En erg y  Syste ms ,   vol .   99 ,   pp.   500 - 515,   20 18 ,  DO I:   10 . 101 6/j . i je p es. 2018. 0 1. 047 .    [10]   Q.  Sal em  a nd   K.  Alz aa r ee r ,   “ Fault  ride - throu gh  c apa bi li ty   wi th  mut ua l  inductance  in   low - vo lt ag e  sing le - ph a se  mi cro gr id , ”   IET E  Journal   of   Re s earc h,   2020 ,  DO I:   10. 1080 /0377 2063. 2020. 1800 524 .    [11]   Y.  K.   e .   al ,   “On  the  Second ary   Control   Arch itec ture s  of   AC  Mic rogrids:  An  Ov e rvie w,"  in  I EEE   Tra ns ac t ions  on   Pow er  El e ct ron i cs, ”  IEEE  Tr ansacti ons on   Power   El e ct ronics ,   vo l.   35 ,   no .   6 ,   pp .   6 482 - 6500,   2020 .     [12]   Q.  Xu,  J.   Xiao ,   P.  Wa ng   and   C.   We n,   “A  De ce n t ral i ze d  Con trol   Strat egy   for  E co nomi c   Opera t ion   of  Autonomous   AC,  DC,   and   H ybrid   AC/DC  Microgr ids,”  I E EE  Tr ansacti ons  on  Ene rgy   Co nve rs ion,  vol .   3 2,   no .   4,   pp.   13 45 - 1355,   2017 ,   DO I:   10. 1109 /T EC . 2 017. 2696979 .    [13]   J.  Wa ng ,   C .   Ji n  and  P.   Wa ng ,   “A  Unifor m  Control   Stra te g y  for  th e  Int erlinking  Conver ter  in  Hi era rch ica l   Control le d   Hybr id  AC/DC  Micr ogrids, ”  I EE E   Tr ansacti ons  on  I ndustrial  Elec tronic s,  vo l.   65 ,   no.   8,   pp.   6188 - 6197,   2018 ,   DO I:   10. 1109 /T IE . 2 017. 2784349 .    [14]   S .   Ans ari ,   A.   Chande l   and   M.  T ari q ,   “A  Co mpre hensiv e  R e vie w  on   Pow er  Converters  Co ntrol   and  Con tr ol  Strat egies  of   AC/DC  Microgr id , ”  IEEE  A cc ess,   vol.   9 ,   pp .   17998 - 18015,   2021 ,   DO I:   10. 1109/ACCESS . 2020. 3020035 .    [15]   I.   U.   Nutkani,  P.  C.   Loh,  P.  Wa ng  and  F.   B la ab je rg,  “De centra lized   E cono mi c   Dispatc h   Scheme  W it h   Online   Pow er  Reser ve   for  Microgr ids,”  IE EE  Tr ansacti ons  on   Smar t  Gr id,   vol .   8,   n o.   1 ,   pp.   139 - 1 48,   2017 ,   DO I:   10. 1109/T SG . 20 15. 2451133 .    [16]   A.  Vac ca ro ,   V.   Loi a ,   G .   Form ato,  P.   Wa l l  a nd   .   V.   T erz i ja,  “ A   Self - O rga n iz in g  Archi te c ture  f or  Dec ent r al i ze d   Smart   Microgr id s  Synchroniz atio n,   Control,  and  Monitori ng, ”   IE EE   Tr ansacti ons  on  Industrial  I nformatic s ,   vol .   11,   no .   1 ,   pp .   28 9 - 298,   2015 ,   DO I:   10. 1109 /T II . 2 014. 2342876 .    [17]   M.  A.  Aw al,  H .   Yu,  H.   Tu ,   S.   M.  Lukic  and  I .   Hus ai n,   “Hie r ar chi c al   Con trol  f or  Virtual  Os cill at or  B ase d  Grid - Connec t ed  and   I slande d  Mi cro gr ids,”   I EEE  Tr ansacti ons  on  Pow er  Elec troni cs,   v ol.   35 ,   no .   1 ,   pp .   988 - 1001,   2020 ,   DO I:   10. 1109/TP EL . 2019. 29121 52 .    [18]   M.   Nade ri ,   Y .   K haya t ,   Q.   Shafi e e,   T.  Dragi ce vi c ,   H.   Bevra n i  an d  F.  Bl aa bj erg ,   “In te r connect ed   Autonomous  A C   Microgr ids  vi a   Bac k - to - Ba ck   Converters — Part  I :  Sm al l - Si gnal   Mode li ng , ”  IE EE  Tr ansacti ons  on   Pow er   El e ct ronics,   vol .   35,   no.   5,   pp.   47 28 - 4740,   2020 ,   DO I:   10. 1109/TP EL . 2019. 29439 96 .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.