In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S Vo l .  1 0 , No .  2 , Ju n e  20 1 9 , p p .  1 0 3 4 ~ 1 048  ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 2.pp1034-1048          1034     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   Frequency adaptive Sli di n g  Fourier Transform  for  synchronizing VSI to the  grid      Osama M.   A rafa,   M. E.   A b d a llah ,   G h a da   A . Ab d el Azi D e partm e n t   o Pow e El ectron i cs  a nd   E n e rgy   Conversi o n ,   E lectron i c s Resea r ch Inst i tute,   Egyp     Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Dec   1 9 ,  2 018  Re vise d F e b 20,  201 9   Ac ce p t ed  M ar 8 , 2 0 19      Sl i d i ng  D i screte  F ourier  T ransf o r m   ( SD FT)   is  v ery  efficient  reg ardi ng  com p utatio nal   load  a nd   i p o sses ses  v e ry  f ast  ph ase  an gl d e t ecti o n   w ith   excel lent   h arm o n i reject io at  n om in a l   f requ ency How e ver,  a t   o f f - nomi n al  f r equ e ncy,   S DFT  gen e ra t e errors   i n   b o th  m agnitu de  a nd   p has e   a n gl d u to  sp ectral  l eakag e .   T h i p a per  in trod uces   a   w ork a roun f o F o uri e T r ans f o r m   to   h andl t h is  d is abilit under  o f f-n o m i n al  f requ ency  w h ile  a vo id i ng  vari abl e -rat sam p li ng.   S li di ng  F o u r ier  T r a n sf o r m   (SF T is  u sed   a phas e   d e te c t or   f o r   a   p h a se -loc k e lo o p   w h o se   o utpu fre q ue n c is  u se d   t driv e   the   SFT The  paper  revis i ts   t he  m athem a t i cs   o Fouri e Transf or (F T)   i a   th ree-ph a s s e tt in v i t i m e -do m ain  app r oach   t o   s h o w   a   n ewly   p r op osed   filteri ng  t echnique  f o t h doub l e -f requency  o sci l l a ti on  j u st  b su m m in th F T   s i n e/co si ne  f ilt er  o utp u t s   o f   th th ree  in di vi dual   p h as es.  A l s o ,  t h e  a n a l y s i s   aim s   t determine  and   corre ct  t he  p has e   a n d   m ag nit u d e   e rro r u n de o f f- no m i n a f r eq uency   o p erati o n .   T h e   p rop o s e t echn i qu (S FT-PL L i tes t ed  i real  t i m o n   d S P A CE   D S 1 2 0 2   D S u s in v o lt age  vect ors  t h at  a re   p re- generated  to  s imulate  the  mos t   a dverse  g ri cond itions.  T h tes t i ng  scen arios   com p are   th e   perf orm a n ce  of   t he  S F T -P LL  wit h   t ha t   o f   t he  D ecou p l ed   S t atio nary  R e f erence  F r am P L (d αβ P L L ) T h resu lts   p r ov th at  S F T -PLL  i s   s up e r io r   to   d αβ PLL. K eyw ord s :   Discret e  f our i e r  transf o rm     Fourie r tra n sfo r Re new a b l e   ene r gy so urc e s   S lid ing  d i sc re t e   f ourie trans f or m   S ync hr on i z a t i o n   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t 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:   Osam M . A r a f a ,   D e pa rtme nt   o P o w e r Elec tro n i c s and  Ener g y   C on ver s io n,    Elec tron ics  R e se arc h  Insti t u te , D o k k i,  Egy p t Em ail:  oara fa2 0 0 4 @ ya h oo. co m       1.   I N TR OD U C TI O N    F u el  c el ls  a nd   o the r   R e n e w able  E nerg S ourc e (RES ),  s uch  a s   P V   s ys t e ms  a nd  W i n d   E nerg y   C o n v e r t e r s   ( W E C S ) ,  u s e  i n v e r t e r s  t o   i n j e c t   t h e  c a p t u r e d   e n e r g y   i n to   t he  u ti lit y   g r id   [ 1 ] Th e   s u cc essf ul   in t e grat io of  t he se   s ourc e t o   t he  e lec t ric a l   g ri i s   s t i ll  ha v i n g  a  l o t  o f   i s s u e s  a n d   t e c h n i c a l   c h a l l e n g e s   [ 1 ] .   O n o f  the   m o s cr it ica l  issue s   o f the s e inte gr ati ons  i the   sy n c h r oni z a t io of   t h e   g ri d - si de  c on v e rt e r   ( G S C)  t t h e   el e c t r i cal   g ri d   [2 ].  T h e   s yn ch ro ni z a t i on   o f   t h GSC   t o   t h e   e l ec trica l   g r i c a n   b def i ne as  t he   p r o cess  o f   minim i z i n g   t he   d iffe renc in  pha se   a ng l e fr e que nc a n d   v o l t a g e   b e t w e e n   t he   G S C   o ut p u a nd  t h ut il i t gr id   wave form   [ 3].   Th is  s yn c h ro n i z a ti o n   p r o cess   has  to  b re al iz ed  b ef ore  t h c o n n ec t i o n   b et wee n   t he   R ES  o t h e   G S C a nd the  u til i t gr id ta k e s   p lace t h e n  i t   is  t o be  m a i n t a i n ed  af t e r  t he co n n ecti o n   is es t ablishe d .   In   [ 4 ] t h id eal   s yn ch ron i z a t i on   t echn i qu mu st   i n s t a n t ly  r e s p o nd  t o   a n y   g r i c h a n g e s ,   e ffi c ien t ly   trac t h phas e   a ng le  o t h e   elec t r i c al  g r i d,   c ompe t e n t l y   d e t ec an va ria t i on  i n   t h e   g rid  fr equ e n c y   a n d   com p ete n t l e lim i n a t ha rm o n i c   c omp o n en t s   a n d   d i s t u rba n ce   from   t h e fu ndam e n t a l   w av e f orm .   T here   a re  l o t s   of  m et ho ds  u s e f o trac k i n g   t he  p ha se   a ng le  o the  gri d   v ol t a g s u ch   a z e ro- c rossi ng  de tect i on  me t h o d   (ZCD),   S pace  V ector  (S V)  m et hod,   K a l m a n   fi lter,   p ha se -loc ked  l o o p   m etho ds  ( P LL)  a nd  D i sc re te   F o u r i e r   Tran sfo r (D FT) .   T h e   p ro bl e m   i s   non e   of  t h e se  m e t ho ds  c o m p l e t e l s a t i sfies  t h fu l l   r equ i rem e nt s   of  a n   idea l sy nc hron iz ati o n tec h n i qu e   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       Freq uenc a d a p t i ve  sl idi n g fo ur ier tr ansf o r m  for  sy nch r o n i z i n g  VSI  to t h e   gri d   (O sam a   M.  Arafa)   1 035 Ze ro-Cross ing   D e tecti o (ZCD is  t he   s i m ples t   a n gl e   s ync hro n i za tio met h od Th e   z e ro -cro ssi ng  po int   i s  de t ec t e tw ice   e v er s i n g l c y c l e   a n t h e inte r v al   b e t w een   e a c h   tw s u cce ssi ve  c r o ss in gs   i s   m e a s ured   to  a n y   d es i r ed  r esol uti on.  T his  me t h o d   i ve ry  s im p l e   b u t   i ca be  u se on l y   i the   in put  s i gna is  a   s tab l e   sinus o i da si g n a l   a i t   i v e ry  s e n si t i v e   t harm on ics  a n d   n o is w h ic ca ca use   mult i p le   c on t i guo us     zero crossi ngs  [5].  P h ase  loc k e d   l oo i s   a   w e ll-e s t a blis hed  tec hni que  a nd  th er are   a   l ot   o im ple m e n t a ti ons  o P L L   syn c hro n i za ti o n Ea ch  i mp le m e nta t i o d i f f er from   t h e   othe fro m   the  p o i n t   o f   v ie w   of  s impl ic ity,   imm unit y   to  d is t u r b a n ce robu stne ss  i c a se  o gri d   f a u lts,   fa s t   c on v e rg ence   t the   gr id  a n g l e,   a n d   h ow  it  deal s   wi t h   di st urba nces.   S ync hr on o u F r ame   P LL  (S F - P LL)  t e c hn i que  i w i de l use d   i t h re e-pha se   g ri d-c o nne cte d   pow er   c on ver t e r for  i t s i m p le   i m p lem e n t atio n,   f a s t   a n d   a ccur a te   e s t i m atio n   o f   t he  pha se  a ng le   o t h gri d   [6].   U nder  i d ea gr id  c ond i t i ons,   w i t h ou a ny  d i s t ur b a nc e s   o h arm o n i cs,  t h is  t ec h n i q ue  e xh i b i t fa st-tra cki n g.  H o w e ve r,  i t   is  n o t  a  g o od s o l u ti o n  in t h pres e n ce  of  u n b a l a n ce d   gr id v o lta ges  [7].   Rea l   a n d   i ma g i na r y   p ow er  p ha se -l ocke lo op  (P Q - P LL)  i robu st   d i g i t al  P LL  a l g o r i t h m   based  o n   the  i n st a n t a ne ous  r e a l   a n d   i m a ginar y   p ow e r Thi s   a lgor ithm   is  i nt roduc ed   t o   mai n t a i n   s yn ch ro ni zati o n   in  prese n ce  of har m oni c s  an d   n e g at i v e se qu enc e   u nba la n c es.   Ano t her  al g o r ith m wh i c h   can  d ea wit h  un b al an c e gri d   v o l t a ges  i s   t he   D o u b l S ynchr on o u F r a m P LL  (D S F - P LL).   It   i a   very  s u ita ble  so l u ti on   f or   g rid- con n ec ted c o n v erter s   t ha t o p e r a te  i u n st a b l e  fr e quenc y   gri d  a n d   unb a l an c e d   co ndi tion s   [ 8 ].  S i n u s oid a l   si gn al   i nt e g ra t o PLL  a l go rith (S SI-PLL)  h a s   t h e   a d va n t ag e   of  o pera ti ng   w ell  u n d e r   un ba lanc e d   a n d   d is t o rte d   g r i [ 8 ].  A no t h e r   a dva n t a g o f   t h i a l gor i t hm   i th a t   i t   can   b e   use d   f or  t he  s i n g l e- pha se  s y s tem   w i t h   a   s m a l l   m odi fica ti on.   E n h ance pha se-loc ke d   l o o p   (EP LL)   i fr eque nc y-ad apt i v e   no n l i n ea te ch ni q u e.  E P LL  s h ow a   hi gh  de gree   o ro bus tne ss  to  th e   h a rmo n i c,  n o i se an unb a l an ced   g rid  [9].   T h i al g o ri t h m   can be use d   f or  s i n g l e ph ase  ap pl ica t i o n s .   Q u a d rature   P LL  (QP LL)   i ba sed on  es ti ma ti n g   the   i n -p hase  a nd  t h e   qua dra t ur p h ase   val u of  t he  f u nda m e ntal   c o mpon e n t   o f   t h e   i npu t   vol t a g e   s ig na l .   T hi me tho d   i g o o d   s o l uti o for  dis t ri bute d   g e n era t i o [1 0 ] Pr ed ict i ve  P ha se-Loc ke d   Loo p   ( P P LL)  is  a   com p le sy nc hro n iza t io m e th o d H o w e v e r,   P P L ha a   w i de -ra n g e   sy nc hro n i za ti on  c a p a b il i t and  t h e   syn c hro n i za ti o n   i n f orm a ti on  c a be   t a k en   o u t   w ith i n   t w o   v o lta ge   c yc le un de t h w o r s c a se.   S t ati o nar y   Fr a m P LL  ( αβ P LL)  i [11],   D e c oup l e D o u b l S ynchr o n o u Re fe renc F r am e   P LL  ( dd srfP L L and   De co up l e d   St a t io n a ry   R ef e r en c e   F ra me   ( d αβ P LL)   t e c hn iq ues   have  t he  w ide s u s e   in  i nd ust r y.   T he  l im it a t ion   of the   αβ P LL  is i t s   d isa b il i t y to t rac k   t he gr i a n g l e   i n  the   c a s e of  u n ba l a nce d  fa u l t s. The  dd srfPL L  te c hn i que   overc ome s   t h i s   lim i t a t i o n   b y   d ec ou pl i n g   the   ne ga ti ve  a n d   t he   p o si ti ve   s e que nce   o f   t he   g ri vol tage   b ut   t he   sever e   d raw b a c o f   t h i tec h ni q u i s   t he   h i gh  o v e r sh oot  i t h e s t i m a te gri d   a ng le   w hen  t h fa ul o c c u rs.  The  d αβ P LL  ove r c om es  t h i d r aw bac k   b u t   it  s p en ds  m ore   t h an  t w o   c yc les  t o   t ra ck  t he   g ri fre q ue ncy  in  c ase   of  f req u e n cy c han g e.   D i scr e te  F our ie t r ansform   me tho d   ( D F T)  i o n e   o f   t he   e arlies t   m e th ods  u se f o pha se  a n g l e   est i ma t i o n . Th i s  m eth od pro v i d es a h igh de gre e   o f im mun i t y   a g a i nst harm onic s   [ 12 ] .  S li ding D i sc rete   F o u rier   Tra n sf orm  (S D F T )   i an  i mpro ve ve rsio n   of  t he   D F T   i w h ich  o p t im ized  u se  o co m put a tio p o w e and  re d u ced   l a t en cy   a re   p ro vi d e b y   u s ing  recursive  form ulation  o t h D F algori t hm H o w e ve r,  i th t i m e   w i n dow   o t h e   S D F T   i not  i den t ica l   w it t h gri d   p e r i o d,   a   pha s e  s h i f t   o c c u r s  b e t w e e n  t h e  e s t i m a t e d  a n g l e   and  t h ac tua l   g ri an gle.   I [12]  s om st r a t e gie s   h a v be e n   r e por t e to  c om pen s ate   for  t h is  pha se  e r r or  s uch   as  t he   u se   o t i m e -va r yi ng  F our ie c o eff i c i ent s   a n d   pol yn om i a re gressi on  a n a l ysis.  In   f ac t ,   t hese   s tr ateg ie s   are   render e w ith  n o t i c eab le  c om ple x i t y.  O the r   f i x i n m e t h o d f or   t he  S D F draw ba ck  a re   p r e sente d   i [1 3 ] H o w e ve r,  t he   p rese n t e d   m et ho ds  i n v o l v t h use   o f   a   P I   con t ro l l er  a nd  N u m e r i call y   C on tro lle O s c i l l a t or  (NCO) .   T h e   m et hod   a do pt v a ri ab l e   s a m pli n g   rat e   o th e   g r id   v o lta ge  c o n tr ol l e b y   t he   N CO .   V a ria b le   r ate  sam p lin a d ds   d i f ficu l t y   t o   e mbe d d i ng   t he   S DF alg o ri th m   in  t he   m a i a ppl i cati on  DS c o n t roll e r   w h i ch   norm a l l ru ns  a fi xed  e x e c u t i o n   r ate.   A l t ho ug the  tw prop ose d   met h od in   [ 13 are   si mpl e t h an   t ho se   o [1 0],   bot me t h o d com p e n s a te  t he  p ha se  e rror   on  cyc l e - by-cyc le  b a s i s ,   w h ic is  r ath e sl ow   p roc e ss.  T he   un des i rab l fe a t ures  o t h S D F T   i the  ca se   o off- nom i n a l   fre que n c are   no o n ly  l i m i t e d   t t h p h ase  er ror  w h ic h is a fu n c tio of t he  f re q u enc y   d e v ia t i o n   b u t  a ls o inc l u d e s a  high-frequency oscilla tion observable in the  ma gni tude   a n d   p hase   a n g l e   e sti m ates.   T h is  h igh- fre q u e ncy  osci ll a t i o n   i s   r e f er red  to   i the   litera t u r e   a do u b l e -fr e que n c r i pp le  a n d   s om p o s t -pr o ce ssin g   f or  f r e que nc y   an pha se  a n g l e s t i m a tes  in   t h e   o f f - nomi n a l   o pera tio m ode  a r e   p r o po se d.  T he   pos t-proc es sin g   c a n   b e   d one   e ithe r   by  s i m p le  d ig i t al  a ve ra gin g   fi l t e r  or   by r e sa m p lin fi l t e r  w hi c h  is re l a tive l mor e  c ompl ex   i n imp l e m e n ta tio n.  F r om   t he   p rev i o u sur v e y i t   a p p ear that  t her e   i s   stil some  r oom  f or  i mprove me n t   i the  p h as e   ang l tra c k i ng  issue   es pec i a l ly  i t h case   o f   v ar i a b l a n of f -n om in a l   g rid   fre q ue ncy  a c c o mpan ie d   b y   h ig h   harm on ic  c o n t ent  an d / or  i un ba lanc e d   t hree -phase  s ys t e ms.   This   p ap er  r e v i s i t s   t h e   F c o n cep t   thro ug h   t i me -do m ai n   an a l y s i s   t o   f u rth e an a l y z e   t h und e s i r ab l e   f ea tu re asso ciate d   w it t h off- nomi n a l   g r i d   fre que nc y.   A effi c i e n a nd  nat u ral  fi l t e r in me t h od  for   the   do u b l e- fre q u e nc o s ci l l a t i ons  i de v i se d.   T he   law s   r ela t i ng  t h p h ase  a nd  m a gni t ude  e r r o r to  t he  freq u e nc d i f fer e nc e   a r de rive d.  T he   f orm u l a t i o n   o t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    1 0 34     1 048  1 036 F T   i sli d in m o de   i s   exp l ai ne d.   E xp e r ime n ta t e st in i s   u se d   t o   c o nf ir the  va l i d i t y   of  t he     pr opose d   t ec hn iq ues.   Th is  p aper   i o r ga nize d   as   f o l lows :   t h e   m a them at ical  a nal y sis  f or   d eter min i n g   t he   p hase   a nd   ma g n itu d e   e r r o r und e r   o f f-n o m i n al   fre qu en cy   c on dit i o i s   p re se nte d   i n   sec t ion   2.   T he   r e c ur si v e   im pl e m e n ta t i o n   i e x p l a i ne in  s ec t i o n   3 .   The  str u c t ur e   of   t he   pr o p o se S F T- P LL  is  e xpla i ned  i n   s e c t ion  4.   Th meth od   u sed   fo exp e rimen t al   t es tin g   a n d   t he  t es r e sult i r eal- t im on  a   D S P   pr o t o t y p i ng  p l at f o r m   ( D S1 2 0 2   by  dSPAC E TM )   ar e   pr esen ted   in  s ecti o ns  4   a n d   5 ,   r e specti v e l y.   S e c tion  pr esent s  t he  c onc l u s i o n of   this p ap er.       2.   MAT H EMA T I C AL   ANAL YSI S   The  gr i d   v o lta ge ar r e pr e s e n te b y   a   b a l a n ce se o f   t hr e e - p h a s s i nus oi da l   vol ta ge     with  a   f r e que n c   ( H z )   and  w i th  a   p e a va l u E   ( Volt),  th u s     is   g iv e n   b y :         s i n 2  ,     s i n 2                 ( 1 )     s i n 2  2 / 3     wh ere    is  t he  i n itia l   pha se  s h i ft  (ra d)  o t h e   v o lta ge    ,   thi s   p h a se  s hi f t   d e p en ds  o t h r a nd om  i ns ta nt  a t   whic the m e a s urem ent  i s   s ta rted ( t = 0 ) .   F or the  s a k of  t h i s   a n aly s i s     w i ll be  a ssum ed  c o n s t an t.  The  F our ier   tr ansf or is  b as ed  o a p p l yi n g   tw or th o g o n a f i lt e rs,  na me l y   a   s i n f ilter   a nd  c o s i n e   fil t er  on  the  i n pu s i g n a l Th po in her e   i s   tha t   w se t h p ha se  s e q ue nce  an t h e   p h a se  s hif t   b e t w e e n   t he   si ne/c os ine   fi lte rs  i a   way t h a t   s er ve  a d d iti o n al   f ilte ri ng pu r pose  as   w i l l b e   s e e n l a ter   o n .   Ther e f or e ,   t he   t hr e e   gr id  v olta ge w i l l   b pr oce sse us ing  tw sets  o f   ba la nc e d   t hr e e- pha se  s i gna ls    a n d      hav i ng   t he  s am e   pha se   s e q ue nc e   a s   t he  g r i vol ta ge ,   r unn i ng  a t   a   p r e - k n o w nom i na gr i d   f r e q u enc y     ( H z )   and  hav i ng  un i t pea k   v a l ue .   F or  t he   s ak e   of  t h i ana l ys is    w il be  a ssu m e cons tan t   [ 14 ] .     The   fir s se t   of  s i gna ls     i gi ve by  s i ne   f unc tio ns  a n d   i c a l l e d   t he  s i n e   or   d i r ect  s e t:      s i n 2 ,    s i n 2  2 3        s i n 2  2 / 3   (2 )     The   sec o nd  se t   of   v o l t a ges     i s gi ve by  co si n e   f unc t i o n an d   i s   calle t h e   c o sine   o r   qua dr atic  s e t :      c o s 2 ,    c o s 2  2 3      c o s 2  2 / 3   (3 )     The   F our i e r   tr ansf or m   r e quir e per f o r m in the   fo l l ow ing  i n t e gr a tion s to  get  t h e  an g le    1  .      (4 )      1   .      (5 )     (4 an d   (5 )   a r co mp act  fo rms  f o th th r ee- p h a se  w h e re  t h e   s u b script   a , b , c   and  1 / .  F o r   a ny  p o s iti ve  a nd  n o n- zer val u e   of  , two c ases  a re c onsi d er ed  f or  calcul a ti ng t h ese   in te gra l s,  the   f irst ca s e is      ( of f- nom i n a l   f r e que nc ca se )   w h ich  is  t he   g e n er ic   c ase  a nd  t h e   s e c on ca se      ( nomin a l   freque nc y c a se) whic i s   a  spe cial c ase  o f   t h e  first c ase.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N 2088- 86 94       Frequ e n c y adap ti ve   s lid in g   f o u r i e r   t r a n s fo rm f o r sy n c hro n i z i n g  VS t o  th e g r id  ( O sa ma   M.  Ara f a )   1 037 2. 1.   T h e  f irst   c ase:     (o ff- n o mina l f req uency   ca se)   Fo       ,  a nd  u s i n su i t a b le   t r i go n o m e tr ic  i de nt it ies  i t   c an  b pr ove t h at     i n   (4 (let   u c a ll  it  t h e   d i r e ct  c omp o n e n t )   a nd    i ( 5 )   ( l e t   u ca l l   i t h e   qua dr at i c   c om po ne nt)   a r fu nct i o n s   of   t i m e   and  freq u e n c ies   ,    t hat  ar e   gi ven  a s   f ol l o w s F o r   pha se  a                    co s  ∆  co s  ∆       (6 )       sin  ∆  sin  ∆         (7 )     F o r   pha se  b :      co s  ∆  co s  ∆ 2 / 3    ( 8 )       sin  ∆  si n  ∆ 2 / 3    ( 9 )     And  for  p h ase  c:      cos  ∆  cos  ∆ 2 / 3   ( 10)       sin  ∆  si n  ∆ 2 / 3 ( 11)     wh ere      2      ( 12)         2     ( 13)     ∆   2       ( 14)       E  s i n   ∆ 2∆       ( 15)      ∆   2       ( 16)       E  s i n   2∆       ( 17)             F i gure  1. Wav eform s   of  , , ,  1   V  ,  6 0   H z 5 0   H z  a nd    π 2     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  2 , June  20 1 9  :   103 4 –  1 0 48  1 038 I t   c a n   b not ic e d   t h a b o t o f   t he  d irec t   a nd  qua dr at ic  c om po n e nt   a n d     f or   t he   t hre e -p ha se (  a, b, c   a show in  ( 6 )   t (11)  a re  c ompose d   o tw o   sinus o i da l   term s.  O n e   of  t he is  l a r ger   in  m a gnit ude  a n d   its  f r e q u enc y      i t h d i ffe r en c e   b etw e en  t h e   g r i a c t ua a nd  n o m i na (o fil t er)  fr eque nc ( i the   tw o   fre que nc ies  be com e   e qua l,  t h e it  is  a   D v a lu e   a s   w i l be   s how i n   ( 6),  ( 7 of  t he   s ec o nd  c a se) .   T he   o the r   has  muc h   s m a ller  ma g n it ud and its  f re q u e ncy     i t h s u of  t he   g r i a c t ua l   a nd nom i n al fre q u enc y   ( if  the  tw freq u e n c i e s   b ec ome   equa l ,   t he i t   v an is hes  a s   t h e   m agni t u de   b ec ome s   zer as  w i ll  be  c o n fi rm ed  i t h se co nd   c a s e).  R e fe rri ng   t o   t h se c o n d   t erm  i n   t h e   r i g ht  h a n si de  o e a c of  ( 6),   (8)  and   (1 0),   i t   i e v i d e n t   tha t   t he  t hree   t e r m s   c o n st i t ute   a   ba l a nce d   t hree -phase   s e t   i n   c osine   no ta ti o n   w hose   sum   is  z e r o.  T han k to   t he   p r op e r   s el ecti o n   o f   t h e   s i n a n cos i n e   f ilt e ph a s a n g l es R e f e rri n to  t he   s e c ond   t e r i n   t h e   r i ght   h a n si de  of  e a c h   o (7) ,   ( 9)  a nd  (11),  the  t h re term als o   c o n sti t u t a   b ala n ce t h ree - phase   s e t   i n   sine  n o t a t i o w hos e   s u m   is ze r o.  Her e it bec om es  clea r  the  us e f u lne s s   o f  the   s u m m i n g p r oces s   com b ine d   w i t t h e pro p er   s elec t i on   of  t he  F fil t er  pha se   a n g l e s The  s u m m in proce s t hus   r esu l t s   i n   fi lt e r i n g   th e   do ubl e-f r e q u e n c y   o s c illa t i o n w itho u t   a ny  add i ti ona or  post-fil t er i n g.   S ome   re presentati ve  v al ues  ( 1, 6 0   H z 5 0   H z  a n d      π / 2   a r used to  plo t    F i gure  w h e r the  w a vefor m of    a nd    a re   p l o t t e d   in   t h e   l e f t   subp l o a n d   th e   ri g h su bp lo respe c t i ve l y   a g a in st  tim t o   illu strate  t he   d o u b l e- fre q u e ncy   ri pp le,   t h e   su ms    a nd    a r e   a lso  p l o tte i n   t h e   tw s u b p l o t t o   s h o w   t h smoo t h   s i n uso i da va ria t io n s   a the  t h re h i g h e r   f r e quenc y   os cilla t i o n ru nn i ng  a t   (    canc e eac o t her.   T here fore,   the   sum   of t h e   d i r ect    a nd  t h e   qua drat ic  c o m pone n t   f or  t h e   t hre e   in div i dua l p h a s e s , are  given b (18)  a nd ( 19) , respec tive l y:                    x  x 3 k co s ω t θ ∆ θ   ( 1 8 )       y  y 3 k si n ω t θ ∆ θ   ( 1 9 )     D i v i d i ng ( 1 9) by  (1 8) yie lds :      y x    t a n ω t θ ∆ θ     (20)    Th e r efo r e:     f f t θ ∆ θ t a n  y x   (2 1 )     The   pha se  a ng le    of  t he  g ri vo l t a g    tha t   i s   equa t o   2    f r o m  ( 1 )  i s   t h e n  g i v e n  b y   rearrangi ng  ( 21)  a s follows   θ 2 π f t θ t a n  y x  2 π f t ∆ θ   (2 2 )     S ubst i t ut i ng fr o m   ( 14) int o ( 2 2 )  yie lds,     θ   tan      2 π f t    (2 3 )     R e cal li n g   t h at     i s  c o n s t a n t ,  t h e n   ∆ ∆ 0  a n d   ∆   i c onst a n t  i s   a l s o  c o n s t a n t .  T h e r e f o r e ,   t h e   t i me   d e r iv a tiv es  o b o t h   ∆ a nd    a r e   t yp ica l l y   z eros.   Conse q uen t l y ,   the  va l u of    c an   b e   c a l c ul at ed   b tak i ng t i me  der i v a tive  o f   bot si des  of ( 22) a s fol l o w s   f 1 . d dt tan  y x    f   (24)     On ce    i s   e stima t e d ∆ is  d e t e r m i ne a n d   co nse q ue n t l y   can  b est i ma t e from   (22) To  e stim ate   the m a gn i t ude  E ,   it c a n be  fou nd  from  ( 15),  (18)  a n d  ( 1 9 )   th at:   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       Freq uenc a d a p t i ve  sl idi n g fo ur ier tr ansf o r m  for  sy nch r o n i z i n g  VSI  to t h e   gri d   (O sam a   M.  Arafa)   1 039   E 2 3 . ∆θ sin   ∆θ . x y   (25)     The  ter m   ∆    ∆   c an  b calle t h e   m a gni t ude  c orre cti on  fa c t or  a nd  the   ter m      can  b e   ca l l e d   t he u nc o m pe n s a t e d  m agn i tu d e     2.2.  S econ d   c ase:     ( n o m i na l   f r eq ue n c y   ca s e )   B y   u s i n g   s u i t a bl e   tri g o n o me tr ic  i de n t i t i e s,  i c a b e   p rove t h at    a nd  y   a r e   i nd e p e n d e nt   o f   t i m e   and  are   gi ven a s  fol l o w s     c o s 2   (2 6 )        s i n 2   (2 7 )     There f ore ,   t he  sum min g  for  an d   y   c om po ne nt of  t he  three -phase  ar e  give n   by (2 8)  and  (29),   re sp e c ti ve ly      3 E c o s 2   (2 8 )         3E s in 2  ( 2 9 )     N o w   div i di ng  bo th  s ide s  in (2 9)  by t h eir  re spe c ti ve si d es  i (2 8 )   y ie ld s :         sin co s   t a n   (3 0 )            (3 1 )     Re ca l l i ng t h equa l ity  o an , the  pha se  ang le   of  grid v ol ta ge    is then given  b y (32) :     2  2     (3 2 )     A c cordi n t o   ( 23) t h e   la st  t er m   i n   t he  r igh t - h an si de   o (23)  v a n i s h e s   w h e n      t h u s   l e a di ng   t (32)  a nd  c o n f i r ms  t ha th n o m i na freq u e n c y   c a s is  a   s pec i a l   ca se  o the  of f-nom i n a l   f r e que nc ca se .   There f ore ,   i t   is  o bv i o u s   t ha ( 2 3)   c a n  b e   ge n e ra l i z e d   f or  b ot nomi n a l   a nd  of f-n o m i n a fr eque nc c a ses.   T h u s,   p h a s e  a n g l e  t r a c k i n g   i s  a  s e a m l e s s  p r o c e s s   w h e n   t h e  a c t u a l   f r e q ue ncy  sh ifts  f r o m   no m i nal   to  o ff-n omin a l   mode  a nd v i ce  versa   duri n g a c tua l  o pe rat i o n .   The  magni t ude  E  c an sim pl ob t a i n e d  fr o (28)  a nd ( 29) a fol l o w s :      2 3 .    (3 3 )     K now i n g t h a t li m ∆ → ∆    ∆ 1 , the   (25) bec ome s  the sam e   as  (33) a nd it tu rns a s  state d ea r l ie r th a t   the  nom ina l   f re que nc case  is  a   s pec i a l   c a s of  t he   o ff-n o m inal   g e n er ic  case .   T he refore  ( 25)  c an  b e   va l i d   expre ssi on  for  bo t h   case s .   T hus,   t h e   ma gn itu de  t rac k ing  i s   a ls o   a   s e a m l ess  pr oces s h oul the  ac tua l   g r i d   fre que nc shif ts  f rom   off-nom ina l   t nom ina l   m ode  of  opera t i o n   a nd v i ce  v er sa N o w   it   i c l ear   t ha t by  pr oper   sele c tio n of the   pha se  s e que n c e   a nd  p h ase   s h i f o f  the  w a v eform s   u se d   for  s i ne  a n d   c o s ine   fi l t er of  t he  F a nd  a p p l yi n g   t he  s um min g   p r oce dur we  g et  a   v ery  effec t i v e   fi l t eri ng  for  the   do uble - fre que nc osc i l l a t i o n   cha r ac t e riz i n g   the   F T   i n   o f f-n om ina l   f r e que nc c a se.   F i g u re  2   i l l us trates  t he  schem a t i d i a g r a m   of  t he  p ro pos ed  F imp l em enta t i o n   b as e d   on  (1 t h ro ug (3 3).   In  t h e   l ef t m os b l oc k,  t he  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  2 , June  20 1 9  :   103 4 –  1 0 48  1 040 sine   a nd  cos i n e   f ilte rs  a re  a pplie to  t he   t hre e -pha se  v olta ge ,   a nd  th su mm ing  p r oce d ur i s   a pp l i ed  t ge   and  The  u n c o mpe n sa t e pha se   a ng le   g i v en   by  (21)  i es ti m a ted  in  t he   l e f tmos b l ock  as  w e l l.   T he    is   est i ma t e d a cco rdi ng t o  (24) in the i n ter m e d ia te bl o ck.   U s ing   th e s t i m at e d   ,  the phase ang l e  c orre ction term  ∆   c a n   b est i ma t e i n   t he   r i ght m o st   b loc k .   S ubtrac tin t h c o rre ct i o n   t e rm  fro t h e   un comp en s a t e d   ph ase  ang l a s   p e r   ( 23)  r esults  i the   true  phase   a n g le  o t h gri d   v olt a g e    .   The  magn i t u d e   corre cti o fac t or   c a n   be  easi l y   c a l c u la te a l so  f rom   (25)   i t h b o tt om   b l o ck  a nd  fi n al l y   t he  c om pe n s ate d   m agn i t u de  c an     b e  e s t i m a t ed           F i gure  2.  S che m a t i c  d iagra m  of  the   pro p o s e d   F i m plem enta t i o n  f or  three -phase  sys t e m       3.   SLIDING   FT IMPLE M E N T ATION  (SF T The   sl id i ng  i n t e gra t i o ns  f rom   t  t o      as  m entione in  ( 4)  a nd  (5)  c a be  c a rri e d   o u t   num eri c a lly   i n  a  d i s c r e t e   s a m p l e d   s y s t e m .   T h e   m e t h o d  a p p l i e d  f o r  o b t a i n i n g   an u pda t i n g   t he   num er ic al  i nt e g rat i on  over   one  c ycl e   u po p i ck i ng  eac h   fr esh  sa mple  o xi  ( o r   yi is  t ins e rt  a   d elaying  buff er  o length   a f t e r  t h e   di sc rete   t i m i n te gr at or  [ 15] Thus,   int e grati o over     i up da te eve r ne w   sam p le   o xi   a nd  i t   i implem e n te a s   s how n   sc he m a tica l l y   i F i gure  .   In  t h i im plem en tat i on,   t he  b u f fer  is  i nit i al ize d   w it ze roes   a n d   i t  t ak es   /  sam ples t o b e  f ille d inc r em ent a ll y w ith va l i d   r ea dings as   is e qua l t o  t he sa m pl i n g peri o d Ba se on  this,  the   de tecte d   g r i angle   a n d   fre q u e nc nee d o n e   com p le te  c yc l e   ( )   t o   c onverge   to  t heir   act u a l   v alues  for all    . It ca n be  show n t h a t   f o r      t he de t ec t i o n   is alm ost   i n sta n ta ne ou s.          F i gure  3. U pda tin N u me rical   i nte g r a t i on  o v e one    c y cle  up on  eac h ne w   sa m p le of        4.   T H E PROPO S ED S FT - P LL   The   im p l e m e n ta tio o f   S F T   s how in  F ig ure   w o rks  very   f i n an d   g i v es  f as t   an d   a c c u r a t resul t in  the  nom ina l   a n d   o ff-n om ina l   freque nc case s   a lo ng  as  t h e   i n p u t   vo l t age s   a r e   f re fr om  h a r monic   di st ort i o n   On c e   t h e   i n put  f requ e n cy   s hi ft fro no mi na l   v a lu e   w h il e   h a rmo n ics  ar exi s t i ng  t h e s t i m a ted   p h ase  a n g l e ,   the  es t i ma t e ma gnit ude  a n d   t he   e s tim ated  freque nc al s u ffer  from   o s c illa t i o n d u e   to  s pec t r a lea k a g and   the  S F lose it e x ce ll e n t   harm on ic  r eje c t i o a n bec o me un pr ac t i c a l.  T h i i s   s how usin n u m e r ical   si m u lat i on  i n   F ig ure  4.   F i g ur ( a illus t rate tha t   t he   i n p u t   v o l tage   i d i st orte w i t h   h ar monic s   s t a r t i ng  fr o m   t =0 . 1   s e c   t o   t = 0 .45  sec  a n d   the  fre que ncy   is  s te ppe u p   the n   d ow by  1 0   H at   t =0. 15  a nd  t =0. 35  se c   respe c t i ve l y Fig u re   4   ( b)  a nd   ( c)  s how   t hat  the  S F r e jec t th ha rmon ic a f ter  e x ac ty  one  pow e r   c y c le  a n d   gi ves  ac c u ra t e   f r e que nc y   an pha se   a n g l es t i m a t i o w h en   it  w o r k s   a t   nomi n al   f re qu en cy   ( 5 0   H z )   i .e f r o m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N 2088- 86 94       Frequ e n c y adap ti ve   s lid in g   f o u r i e r   t r a n s fo rm f o r sy n c hro n i z i n g  VS t o  th e g r id  ( O sa ma   M.  Ara f a )   1 041 t =0.0 sec  to  t =0. 15  se a n d   fr om  t = 0 .3 s ec  to  t = 0 . 5   s e c .   H o w e ver ,   d ur i ng  t h e   of f- n o m i na per i od  fr om   t = 0 .15   s ec  to   t =0. 3 5   se c,   t he  e xi st e n ce   o f   ha r m onics  c ha r a c t e r ize s   t he  e s t im at io o f   b o t h   fr e que nc a n d   pha se  an gl e by  a su s ta i n ed  e rro r.           (a)        (b )         (c)  F i gur 4.   ( a)  V ol ta ge  o p h a s e   a   ( o the r   pha se om i t ted  f o r   clar ity ) ,   (b )   estimated  freq u ency  b y   SF (c)   erro r   in   p h a se an g l e estimation   b y  SFT      To  o ver c ome   thi s   d ef ic it,   a n d   c on si d e r i ng   t he   a b i lit of   t he  F T   t o   de te ct  t he   phase   d if fe r e nc θ 0   be t w ee t h an gle  of   t he  s i n e / cos i ne  f i lter s   a nd  the  a n g l o f   t he  i n p u t   v o l t a ge  a sh ow by  ( 2 3) ,   the   S F c a be   u se a s   a   p hase  d e t ec t o r   in  a   s ta n d ar p h a s loc k e d   l o op.   T o   do  th is,   t h S F tim w i n dow   ( or   n u m be r   of   pr o c esse sam p l e s)   s h o u l d   b e   c o nti n uo us l y   a nd   p r oper l y   ad j u s t e d   t o   enf o rc no min a l-frequ en c y   o p e ration   a   n   an h e n ce  ma in t a in   i t s   e x c el len t   h a r mon i c   rej e c tion .   T hi is  s c he ma tic a l ly  s how n   in  F i gur e   a n F i g u r e   6 .   Note   t ha the   s h ade d   r e c t an g l es  i n p h ase b  a n d   c   in   F i gure 5  ar e   s i mi lar   i n   c o n str u c t io n to tha t   o f   pha se   a .   The  pha se - l oc ke l o o p   P I D   c ontr o l l er   i F i g u r e   6   s ets  th e   lo op  f r e q ue nc s o   a to  e l i mi na t e   t he   p h a se  d i f fe r e nc e   ∆ .   T he  f r e quenc   a nd  t h e   pha se   a ngle     e stim ated  b the  P L ar fe bac k   t the   var i a b l e   w in dow   w i d t h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  2 , June  20 1 9  :   103 4 –  1 0 48  1 042 SF to  c a l c u la te  t he  s ine  an d   cosine  f il ter s   w hose   ou t puts   are   use d   t expl ore  the   phas e   d iffere nc ∆ T h P LL  there f ore   a d jus t t h fr eque nc of  t he  S F T   s uch  tha t   w hen   i loc k s,   t he   S FT  w orks  a t h ac tua l   g ri d   fre que nc y.   I t h i s   c a s e ,   t he  f i l ter  fr equenc  s h i f t s   t o     a nd   t he  ope rat i on  m ode  s h i fts  from   o ff-n om ina l   t o   nomi n a l   a n d   ∆   v a n i s hes.   T h i s   ar range me nt   p ro vide fa st   p h a se  d i f fere nc dete c tio w h ile  m a i n t ai n i n g   the   S F w e l l -kn o w exc e lle nt  h arm onic  r e ject i on.  F i gure  5   a n d   F i g u r e   6   to g e t h er  i llu st rate   t h e   s t r u c tu re   o t h pro pose d  S F T -P LL  t e chn i que         F i gure   5.  S c h em atic r epre sent atio of t he  pro pos ed  v aria b l w i n dow width SF T  phase detector           F i gur e 6.  P hase-loc ke d l o op s c he ma tic  re p rese nta t i o n       5.   EXP E RIMENTAL   TES TING METHODOLOGY &  RESULTS   The   ex perim e n t al  t es t i n g   r ns u r es  t he  a p p lica b i l ity  o t h prop o se tec h ni q u i n   r ea l - tim sett ing  a n d   un der  prac tic a l   oper a t i ng  c o n d i tio ns  t ha ma v i o l a t som e   o t he  c o n s i d e re d   ass u m p t i ons  m ade   dur i ng  the   ma them at i c al  a nal y s i s.  T he  t e s t i n g   m eth o d   d e p en ds  on  ge ne rati ng   t he   v o l t a ge   v e c t ors  tha t   c onta i ns  t he  t a r get   tes t  cha rac t er is t i c s  (D C  of f se t , harm onic dis t ort i o n ,   m a gn it ude , fre q u e n cy  or pha se j um p   a n d   un ba la nc e   of the   three - p h ases)  u s i ng  o ffl ine   MATLA B   simu l a ti o n These  v o l t a g ve c t or a r sam p led  at  64  sa mp le  p er   pow er  cyc l e   (0. 0 2 sec )  a nd r e c o rde d  alo n g  w it h a n  a rra y of c orr e sp on d in tim esta m p s.  A lso  t h e   t r ue p hase a n g l e ,   the   true  f r e q u e n c y   a nd  t h true   m a gni tu de  w h i c h   a r e use d   f or  g e n era t in th e m   a re  s am pled  a nd  re cor d ed  f o r   s a k of  c o m par i so a nd  va l i da tio n.  T he t h ese  v o lta ge  v e c t ors  a r e   pl ay e d   b ack  i re al -ti m e   at   t h e   s a m e   sa mp li n g   rate   u si n g   d S P A C ds12 0 2   D SP   D / A   c ha nne ls,  rea d   b a c via   A / D   ch an n e l s   a nd   a re   u s e d   as  i n put t o   t he  S F T-P L L.  T he   o ut p u o f   t he  S F T - P LL  a r th e n   r e c orde i n   M A T   f i l es,  the n   c om p a r e w i t h   t he   t rue   v a lue s   tha t   a re   p r e -r ec or de to   c omp u te  t he  e r r ors.  T he   s am proce dure  i s   r e p e a t e d  w i t h  d αβ P LL  tech n i q u an the   err o in  bot ca ses  are   p l ot t e on  sam e   a xis  t o   c om par e   t he   p er for m a n ce  of  b ot te chn i que s.   T he   t es tin vo lta ge s a r e:   a.   50  H z   b ala n ce t h re e-pha se  ( pea k   E   =   2 20  V )   w ith  t he  f o l low i ng  tes t i ng  sce n ari o s :   H a r m oni c   d i s t or ti on   (com pose d  of thir d,   f ifth,   seve nth  a n n i nt h h a rm onic  c o mp one n t wit h   7 0%,  6 0 % 30 a n 20 o f   t he  f und a m e n t a l   ma g n it ud re sp ect iv el y )   s wit c he d - on   a t   t = 1   s ec  an d   s w it ch ed-  o f f   a t   t = 1 . 5   s ec P h ase  jum p   of  π / 2   a t   t =2  s ec fr eque nc ste p -up   o f   5   H at  t =2.5  s e c .   M ag n itu de   s te p-   u of  0 . 2   E  a t   t =3.5  s ec.  Ad di ng   D C   o f f s e t to   b al an ced   t h r e e -p h a se  a t   t =4  s ec 0. 1   to  pha se  A -. 05  to  pha s e   B -0.05  t o   p h a s e  C Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N 2088- 86 94       Frequ e n c y adap ti ve   s lid in g   f o u r i e r   t r a n s fo rm f o r sy n c hro n i z i n g  VS t o  th e g r id  ( O sa ma   M.  Ara f a )   1 043 b.   U nba l a nce d   t h r ee - phase  i npu w ith  know in sym m e tr ica l   c om po ne nt stru c t u r e   a s   f oll o ws:   ma gn itude   o f  po s i tiv e   sequ e n ce  i s   220  V   a nd   i t s  a ngl e   i s  z e r o , mag ni tud e   of  n e g at i v se q u e n ce   i s   6 0   V  and  i t a n gle  is  - 150  deg. ,   ma gni tu de  o z e r o   s eq uenc is  20  V   a nd  its  a n g l is  1 de g.     I n  a l l  o f   t h e s e   t e s t s ,  t h e   e r r o r   i s  c o m p u t e d   a s  t h e  d i f f e r e n c e   be tw ee the  tr ue  q ua n tit a nd  t h e   e s tim ated  o ne .   In  t he  case   o f   u n b ala n ce t h ree - phase the  true  va l u f o r   pha se   a n g le   e s tima t i o e r r o r   is  t he  pha se   a ngle   of  pha se  A   o f   the  p o s i t i ve   s e que nce.    Harm on i c   d ist o rtion  te st:   F ig ure   (a sh o w the  intr od u c ti o n   o ha rm oni c s   a t   t =1  s ec.   F igure  (b)   a nd  ( c )   show   t hat  d αβ P L L   gi ve cont inu o u o s ci lla t i on  in  e st im at i o of  b ot fr e que nc ( ± 20  H z )   a nd  angl e   ( ± de g. )   w h ile  S F T -P LL   g i v e s   o s c i lla ti o n   i e s t i m a te f r e que nc ( ± 1H z)   f or   onl o n e   p o w e r   cyc l e .   O s c i l l a t i o in  e st im ated  a n g l c o n tin ues  f o r   one  pow e r   c ycle   a n er r o r   settl es  t z e r o   i f o ur   c yc l e s.              ( a )         (b )         (c)  F i gur ( a )   V o lta ge   o p h ase   A,   h arm onics  s w itc he on  a t   t = 1   s e c ,   ( b )   fr e que nc est i ma t i o n   e r r o r har m on ics  sw itc he on  at  t =1  s e c ,   ( c )   pha se   a ng l e   e st ima tio er r o r ,   h arm onic s   s w itc h e on  at  t =1  s e c       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.