Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  6, N o . 3 ,  Sep t em b e r   2015 , pp . 42 9 ~ 43 I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 29     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Droop Characteristics of Doubly Fed Induction Generator  Energy Storage Systems within Micro Grids        K.L. Sireesha,  G. Kes a va Rao  Departm e nt o f  E l ec tric al  a nd  Electronics Engin e ering, K  L Univ er sity , Guntur , Ind i     Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Feb 13, 2015  Rev i sed  Ju l 1 ,  2 015  Accepte J u l 20, 2015      This article presen ts the oper a tio n of DFIG  Dou b ly  f e d inductio n generato r   and a componen t  energ y  storag e (ES) within micro grids (MG). The aim of  this proposal is  to contro l voltage a nd fr equency  of wind f a rm micro grid   shared b y  th e Doubly  fed  induction g e ner a tor (DFIG) th rough droop  c h a r ac te ri st ic s.  T h i s  pa pe r i s  ma i n ly   concerned  with the operatio n of islanded  micro grids.  The proposed  control meth ods are preten d b y  using   Matlab/sim u link .   Keyword:  D oub ly f e d  indu ctio n g e n e r a to Droop cha r acteristics  Ener gy  st ora g e   M i cro gri d s   W i n d  farm   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r K.L .  Siree s ha   Depa rt m e nt   of El ect ri cal   and  El ect roni cs   E n gi nee r i n g, K  L  Uni v ersi t y , Gu nt u r , In di a.   Em a il: lsirish a 9 @ g m ail.co     1.   INTRODUCTION  In  re newa bl ener gy  re so urc e s,  wi n d  i s  a n  im port a nt  s o urce  f o r  h u m a bei n g as  t h e  re newa bl e   en erg y  of p e netratio n  in creases, th p r o b l e m s wh ich  are  m a in ly cau sed  b y  th e i n term i tten t  n a tu re of  rene wa ble ene r gy. T o  achie ve this, each  com pone nt  m u st  react to local inform ation suc h  as volt a ge and   fre que ncy  t o  c o r r ect l y  chan g e  i t s  operat i o n  poi nt It  i s  also desi rabl e t o  ensu re t h at  n o  com pon ent  ( e .g. ,  a  master cont roll er) is  critical for m i cr o g rid op eration .  An  effectiv way t o  ach iev e  lo cal  co n t ro witho u t fast- centralized com m unication is to control active and  r eactive power injection to/ f rom  each com pone nt utilizing  freq u e n c y and   v o ltag e   d r o o p s  resp ectiv ely.  Du e to th is  p r o b l em , th e syste m   m a y lo se th eir stab ility. Th at’s  wh y, t h e system req u i red  an   en erg y  b a ck -up  to  im p r ov th e stab ility o f  t h e system  an d  also  red u ce  grid  lo sses  [1] .  T h e m i crog ri ds a r e an  i n t e grat ed e n ergy  del i v e r y  sy st em . The  m i crogri d  c o nsi s t s  of  uni fi ed D G   (di s t r i but e d  ge nerat o rs ) an d c ont rol l a bl e l o a d s. It  o p e r ates in  p a rallel with  th e m a in  p o w er  g r id. Micro g rids  can  are  u s efu l   to  custo m ers by p r ov id es  un in terrup tib le   p o wer, im p r o v i ng   reliab ility, red u c i n g th e lo sses  of  transm ission a n d sustai ning  local volta ge and  freque ncy  [2]. To obtain  this eac DG m u st react to local   i n f o rm at i on  su ch  as v o l t a ge and   f r eq ue ncy   t o  pr ope rl y   c h an ge  i t s  o p er at i ng poi nt . A hel p ful  way   t o   at t a i n   local control without  fast ce nt ralized   c o m m u n ication is  to c ont rol active   a n d reactive  power  injection to/from   each  DG by  utilizing freque nc y an d voltage  droops c o rrespondi ngly.  W i nd  en erg y  ch ang e  with  time an d  d i fficu lt to  d e term in e.  Elu c id ation  for th e in ter m it te n c y an d  the  sho r t  t e rm  changea b l e  nat u re  associ at ed wi t h  wi n d  ene r gy   gene rat i o n can  be com p ensat e d pa rt i a l l y  by usi n g   Ener gy  st o r ag e  (ES )  sy st em s. The c o m b i n at i on  of t h e ES  sy st em  i n t o  wi nd e n e r gy   gen e rat i on ca be  very   usef ul  t o  t h e p o we r sy st em  i n   m a ny  way s :  such as sm oot hi ng t h wi n d  p o w er  u c tu ations th roug h  cap tiv ating  its flu c tu atio n s  an d  prov id es  activ e p o wer balan c in g, In  or der t o  su p p o r t  t h e l o cal  gri d  f r eq ue ncy  cont r o l  b y   p r ov id ing  sp inn i ng  reserv e,  an d th e l o w vo ltag e   rid e  t h ro ugh  cap a b ility b y  serv ing  as a po wer si n k  du ri n g  low  syste m  v o ltag e  [3 -6 ].    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S   Vo l.  6, No . 3, Sep t em b e r  2 015  :   42 9 – 432  43 0 2.   CO NTR O L O F  DF IG   Th Doub ly fed   indu ctio n g e n e rat o r’s (DFIGs)  con t ro l is  typ i cally b y   el d o r i e nt at i o n  of  t h gri d   vol t a ge . T h i s  cont rol  m e t hod i s  cal l e d di r ect  st at or  u x  ori e nt at i on (D SFO ). DF IGs can  nei t h er be   sim p l y   in teg r ated  with in  m i cro - grids n o r b e  connected  to  weak  g r i d s, as th ey can no t con t ro l th e g r id   v o ltag e  and  fre que ncy .   Wh en t h e wi nd e n ergy  pe net r at i o n l e vel  i s  hi gh , it  may b e  essen tial fo wind   g e n e ration s  to   h a v e   cont rol   gri d  f u nct i o n s  re g u l a r l y  associ at ed  wi t h   usual   p o w er  ge nerat i o n  uni t s .  Thi s   p r obl em  becom e s m o re  critical in  an  iso l ated  power syste m  l i k e  th at o f  a  rem o te area wh ich  h a s po or ab ility o f  po wer regu latio n .   new   wi n d  par k  usi n g DF I G m a y i n  fut u r e  be req u i r ed  t o  gi ve ad va n ced gri d  su pp ort  f o r t h e co nt r o l  of   activ po w e r   f r eq u e n c an d r e activ e po w e r  an d vo ltag e The reactive  power voltage   support can be  ac hieve   an d / o r  b y  con t ro lling  th q-ax is curren o f  th g r i d -si d con v e rter. Th g r id  frequ e n c y is m a in tain  in  a  DSFO  direct stator  u x  o r i e nt at i o n cont rol l e d  D F I G  t h r o ug h a re serve act i v p o w er a v ai l a bl e b y  operat i ng  bel o w t h e   m a xim u m  pow er p o i n t ,  c o m m onl y  referre d  t o  as “del oa di ng” [ 7 ] .  It  i s  do ne by  pi t c he s cont rol  an d/ or  t o r que   cont rol   (i .e. ,  i n ert i a l  ene r gy   st ora g e) Apa r t  fr om  t h e fact  that these  m e thods  nee d  a  non m a xim u m   powe poi nt  o p erat i o n ,  t h e de gree  of  fre que ncy  su p p o r t  i s  l i m i t e d.  It is also  p o ssib l e to   m a in tai n  th e grid   frequ en cy   t h r o u g h  u s i n t h e ene r gy  st o r ed i n  a n  e x t e r n al  ES,  i n  al l   t h ese m e t hods,  h o we ver ,  a n   ext e r n al  v o l t a g e  an freq u e n c y sou r ce is still requ ired as th e DFIGs  u s el d o r i e nt at i on o f   t h e  vol t a ge   s o u r ce.     An ot he r co nt r o l   m e t hod f o D F IG s i s  cal l e d i ndi rect  st at o r   ux  orien t ation  (ISFO). Th is co n t ro l th stator  ux  is no  lo ng er d e termin ed  b y  th e grid  vo ltag e  bu t  b y  th e ro tor ex citatio n  curren t  th e stato r   ux  ang l is set thr oug f r e e ru nn ing in tegr atio n of  t h r e f e r e n c e st ato r   vo ltag e   f r eq u e n c Fs *.   Th e stator  vo ltag e  is  cont rol l e t h r o ug re g u l a t i ng t h r o t o r  d - a x i s  cu rre nt  i rd . DF IG a ppe ars l i k e  a vol t a ge a n fre que ncy  s o u r ce i n   th e po wer syste m  b y  th e ISFO-con tro lled.  By th e lo ad   itself, no w t h e po wer d e li v e red is d e term in ed  an d  i s   efficiently user de ned. The r e  is no  direct electrical torque  T e  co n t ro o f  t h e DFIG. Th is is a q u a lity o f  ISFO  cont rol beca us e the  q-com p on ent of stator  current  i sq   is set b y  th e lo ad . It is actu a lity  t o  m a in tain  th eld  ori e nt at i on o f   t h e DF IG   t h q - com p onent of  ro tor current i rq  pr op ort i o nal  t o   i sq.  Th e m a i n  ch alleng e in  micro   gri d  (M G) is  associated wit h  islande d   operation.  Whe n  the m i cro  gri d s a r e c o nnect ed to m a in grid, the   refe rence  v o l t a ge an fre qu en cy  are fi xe by  gri d . I n  t h e ca se of i s l a nde ope rat i o n, es pe ci al l y  for hi gh  wi n d   ener gy   penet r a t i on, t h e l o cal   gri d   vol t a ge  an fre que ncy  c o nt r o l  i s  q u i t e   di ffi cul t  as  Fi g u r e  1.           Fig u r e   1 .  A stud y on  Micro   grid  conf igu r ation      2. a. Dr oo p Co ntr o l   o f   Ge ner a t o rs   The d r oo p m e tho d  i s  t h e m o st  wel l - kn o w m e t hod f o r l o a d  sha r i n g i n  m i cro g ri d s . D r o op c ont rol  o f   gene rato rs is n ecessary  fo r re al and reactive  po wers  s h ari n g dem a nded  b e t w een sev e ral  generat o r s o u r ces as  Fig u re 2 .   In  m i crog ri d s , th ere h a s b e en  m u ch  resear ch  ad dressin g  system  s t ab ility an d  p e rform a n ce relia b ility  u n d e r h a rm o n i c an d   un b a lanced  cond itio n s . In  th e case  of in term itten t  r e n e wab l e so urces. Very little  work  has been  for  the case of droop cont ro l in  wh ich  each DG sou r ce  ou tpu t  is v a riab le and ,  in   gen e ral ,   i nde pen d e n t  o f  one a not her .   The rat i n of  p o we r an d e n er gy  an ES  fo r a wi n d  fa rm  empl oy i n g d r o o p   cont rol   is d i scu ssed  in   wh ich  real  wind  profile and  PSCAD  sim u lat i o n .   Furth e r an altern ativ e droo p  con t ro l in   wh ich   th e dr oop  slope r e ect s t h e t r ansm i t t e d shaft  po we r.  A va ri ous  D f i g  sy st e m s operat e w i t h  dr o op c o nt r o l  al so  d i scu s sed [4 -5 ].     2 . b.  V a ria b le D r oo Co nt rol  Dr oo p  co nt r o l   i s  de vel o ped  f o r  va ri o u DF I G s.  The   DFI G s f r eq ue ncy  a n out p u t  p o w er  o f   DF IGs  i s   i nve rsel y  pr op ort i o nal .  T h e i n p u t  p o we r t o   t h e dr o op c ont rol  i s  n o  l o n g e r  a  m u t u al  co m ponent  o f  t h e l o ad   po we but  i s   pa rt i a l  by  t h p r e s ent e d  wi nd  an d E S   po wer .   W h ere  as i n  a st a nda r d   dr oo p c o nt r o l .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Dro o p  C har act e ri st i c s of  D o u b l y  Fe d I n duct i on  Ge ner a t o r   Ener gy  St or a g e  Syst e m s w i t h i n  …   ( K .L. Sire esha)   43 1 2.c St a n d a rd  D r oo Co nt rol   Th e f-P  droop   g a in  is set as  m= f/P no m  ( i s  t h e m a xim u m  freq u e n cy  d e vi at i on  w h i c h  i s  kept  e q ual   fo r all gene rators a nd  P nom   i s  t h e rat i ng  of t h e ge nerat o r ) As a res u lt, th e d e m a n d  sh ared  is p r op ortio n to  th gene rator rating. B u t it  m a y not be t h e fi nest shari n m e thod for an i n term ittent generati on like  wind energy To  exp l ain  th is, co nsid er a situ atio n, in  wh ich  th e ex t r act ab l e  wi nd  po wer  i n  one  of t h DFI G  (e .g ., D F IG 2 )   d r op b e low t h e co n t ri bu tion  requ ired . B y  th e actio o f  its  d r oo p co n t ro ller, th is  redu ction  cau s es th e   ope rat i o nal  fre que ncy  t o  i n c r ease fr om  f op to  f  1 o p . Du e to   th is, th e o t h e DFIG  p o wers is redu ced  to  co m p ly   with   th e n e w op eration a frequ e n c y (i.e., f  1 o p ). Th is  o p e ratio n a l d e ficien cy is feasib le  o n l y if th e syst e m  h a an alternative  powe r source  (the  AG i n  thi s  case) to  t a ke  ove r t h p o w e r i rres p ect i v e  of t h e wi nd  po we r   av ailab l e to th e o t h e DFIGs [5 ].  On of th e m a in  so l u tio ns for th is  d i fficu lty is to  m a k e  t h e dro o p  co efficien ts reflect th e availab l w i nd  pow er.  O u t p u t   po w e r o f   Df ig s can stay sa m e   o r  it  m a y in crease (it is subj ect to  th wind p o wer   accessibility) following the  wind power reduction in the DFIG2.   This can be  achieved if the droop  coefficients change as a c u bic function of  ω r, i.e.,m = f/k opt ω r 3 , whe r e k op t   i s  a gi ve n co nst a nt  f o r m a xim u m   po we r t r acki n g o f  wi n d  p o w er . The m a i n  adva nt age  o f   t h e va ri abl e  d r oo gai n  i s  t h at  t h e po we r r e qui red   from  the AG s i gnifica ntly decreases since t h e DFIGs wi t h  th e v a r i ab le dr oop  ch ar acteri s tics can com p ensate  fo r the  di ffe ren tial powe r .         Fi gu re  2.  F- d r o o p i n g c h arac t e ri st i c s of  DF I G s       3.   R E SU LTS AN D CONC LUSIONS  Thi s  pa per m a i n l y  conce n t r at es on i s l a nde m i crogri d  ap pl i cat i on. T h e sh ari n g o f  p o w e r  i n  a wi n d   farm  i s  al one opt i m al  by  pro v i d i n g t h Dfi g s t h ro u gh t h e  dr oo p c h aract eri s t i c s. To a d j u st  t h e D F I G out put   po we r acc or di ng  t o  t h e  wi nd  p o we r,  a  vari abl e   dr oo p  an d  st an dar d   d r o o p  c h aract e r i s t i c  are  nee d e d   m e t hods   as Figure 3. T h ere f ore, the  DFIGs ca n com p ensate for each othe r which res u lts in signi ca nt  re duc t i on i n   po we r dem a nd ed f r om  AG Thi s   pape r c o m p ares t h e pe rf orm a nce wi t h  t h va ri abl e  an d st an dar d  dr o o p   ch aracteristics o f  Dfig s. Th e syste m  stab ilit y may b e  a ffected  b y   th e u s of th v a riab le dro o p   m e th o d .         Figu re (a)       Figu re (b )   0 0. 0 2 0. 04 0. 0 6 0. 08 0. 1 0. 12 0. 14 0. 1 6 0. 18 0 1 2 3 4 5 6 7 T i m e | ( se c) D F IG  ra ti n g s  (p .u ) 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 Ti m e D fi g  R at i n g ( p u) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S   Vo l.  6, No . 3, Sep t em b e r  2 015  :   42 9 – 432  43 2   Figu re (c)        Figure  (d)     Fi gu re  3.  The  c o m p ari s on of  dr o o p  cha r act e r i s t i c s per f o rm ances  DF IGs  r e duce  t h spee of  wi nd .       REFERE NC ES   [1]   Meghdad Fazel i, Greg M. Asher Christian Klum pner, Li angzhon g Yao, a nd Masoud Bazargan ,  “ N ovel Integra tio of W i ndGenerat orEnerg y  S t orag e S y s t em s  withi n  M i crogrids I EEE transact i on s on smart grid , vol. 3, no . 2, June  2012.  [2]   R.  H.  L a sse te r and P.  Pia g i,  “ Extended microgrid  using di s t r i buted ener gy r e s ources ”, pr es ented a t  the P o wer Eng.   Soc. Gen .  Meet., 2007.  [3]   Z. Jiang and  R. A. Dougal, “ Hierarchica l  micr ogrid paradigm for inte gration o f distributed energy resources ”,   presented  at th Power Ener g y  S o c. G e n. Meet.,  2008.  [4]   C. Wang and  M. H. Nehrir , “Analy tical   appr oaches  for op ti m a l plac em ent  of  distributed g e neration sources in   power s y s t em s ,  IEEE Trans. Po wer Syst. , vo l. 1 9 , pp . 2068–207 6, Nov. 2004   [5]   R.  Majumder,  G.  Ledwich,  A.  Ghos h, S. Chak rabarti, and F. Zare , “Droop control of converter-interfaced micr o   sources  in rural distributed   gen e r a tion IEEE Trans. Power  Del. vol. 25 , pp . 2768 –2778,Oct. 2010 [6]   R. Majumder, B .  Chaudhuri, A.  Ghosh,  R. Majumder, and G. Ledwich,“Improve ment of stability and load sharin g   in an  autonomou s micro grid using  supplementar y  droop  con t rol loop”,  IEEE Trans.  Powe r Sy st. vol. 25 , pp . 796 808, May   2010.  [7]   M.  Sha h a b i,  M. R.  Ha ghifa m,  M.   Mohamadian, and S. A. Nabavi-Niak i , “Microgrid d y n a mic performance  improvement using a doubly  fe d Induction wind generator”,  IEEE Trans. Energy Converters.  vol. 24, pp. 137–145,  Mar. 2009     BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       K.L.  S i re es h a  Received B . Tech in Elec trical  and Electronics Engi neer ing in P.V.P Siddhartha  engineering col l ege, Vijay a w a da, in 2009 and  M.Tech in  Sasi institute of technolog y,   Tadep lligud em, in 2012.Now currently  workin g to wards PH. D  degree in the Department of   power s y s t em s   in K L UNIVERS ITY, Guntu r  Res ear ch in te res t ed  areas   are  facts ,  power  s y s t em s ,  Ren e wable  en erg y  s our ces .           G. Kesava Rao  awarded  Ph.D.  in Electrical Po wer S y st ems at  Moscow Powe r Engg. Institute,  Moscow, U. S.  S. R. in 1973,  M.Sc (Engg.) in  Electrical Machine Design at  Guind y  Engg College, Chenn a i, 1963 and  B.E. (Elec.) at Govt . College of En gineer ing, Kak i nada (Andhra  Universit y ), 196 0. He has 41  y ears of tea c hing  experien ce  at  various institu te s like BHUIT,  Varanasi, VVIT,  Nambur LBR C  college of  Engineer ing,  M y lavaram, Vignan s  engineering  College  &  Vign ans Universit y ,   Vadlamudi. He  published 32  Inte rnational Journals, 12Nation a Journals, 8  Inter n ation a l Conf ere n ces  and  21 N a ti onal Conf eren ce s .     0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 t i m e ( pu) d fi g  ra ti n g (p u )     0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 0 0. 2 0. 8 0. 6 0. 8 ti m e ( s e c ) D f i g  ra t i n g   (p u ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.