Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  5, N o . 4 ,  A p r il  201 5, p p 46 4 ~ 46 I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 64     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  Fuzzy B a s e d An alysi s  of Invert er Fed Mi cro Grid i n  Islanding  Operation-Experimental Analysis      Yu var aj T e e k ar am an *, G o pi n a th  Mani **   * Depart em ent o f  El ectr i c a and  Ele c troni cs  Eng i neering ,  M AHE R Univers i t y ,  In dia   ** Depart em ent  of El ectr i cal  and  El ectron i cs  Eng i n eer ing, Dr.NGP Institute of  Technolog y ,  Indi     Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Nov 5, 2014  Rev i sed   Jan 27, 201 Accepte Fe b 8, 2015     Islan ding op eration in essence  connotes isol atin g part of a power s y stem not  unlike distribu ted generation. Th is thes is puts for w ard fuzzy   logic controller   for inverter f e micro-grid in  isla nding oper a tio n s which  is assessed using  hardware  im ple m entation .  It’s  a s s i s t ed b y  powe r  el ectron i cs  wh ich im par t s   the con t rol  and  flexibi lit essent ial for  the  m i cr o grid con cept .   A correc t l y   des i gned con t ro ller gu aran tees   that  the m i cro   grid can  m eet  i t s  utili t y ’s   demands. Th efficacy   and robu stness is  deliber a ted  in  the design of fu zzy   s y stem. Th e testing is perfor m ed  b y  emplo y ing h a rdware  components  namely A T MEGA-328microcontroller ,   TLP250 opto-coupler and a MOSFET  circu it. Th e tes t  results dem onstr ate ver y  go od consistency and sho w   noteworth y  implications of the contro l of micro grid using inverters an d   fuzzy  contro llers .   Keyword:  In verte r   Island ing  o p e ratio Micr o g r i Vol t a ge  C o nt r o l   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 Yuva raja  Tee k aram an,   Depa rtem ent of Electrical a n d  El ect ro ni cs E n gi nee r i n g,   Research Sc holar, Meena k s h i  Aca d em y of Highe r E ducati o n & Researc h C h en nai  C i t y , I ndi a C o unt ry .   Em a il: yu v a rajastr@g m ai l.co m       1.   INTRODUCTION   At the  pre s ent  tim e m i cro grid ca be  regarde d  as  a c o ntrolled cell  of  a powe r syste m . Exa m ple  gratia, the cell may well be c ont rolled as a s i ngle dis p atch   able load, which can react  in little tim e  to provide   t h e dem a nds  o f  t h e t r a n sm i s si on sy st em . On  t h e cust om er si de m i cro g r i d s  can be c o nst r u c t e d t o  m eet  uni q u needs. They  boost  the l o cal  reliability , lessen  feede r  l o ss, support local  voltage s,  deliver supe rior e f ficacy  through castoff waste  heat,  voltage   sag correction  an d   prov id i n g   un in t e rru p tib le  po wer supp ly fu n c tio n s These day s  di s t ri but e d  ge nera t i on i s  fet c hi n g   m o re reco gni t i on i n  a de- r e g ul at ed en vi r o n m ent .  Inc o r p o r at i on  of  di st ri b u t e gene rat i o n an d  assim i l a t i on o f  co nt rol l e rs  h a s l ead t o  con v ent i o nal  p o w e r net w or k t o  f unct i o n   as  an   activ e power n e twork s . Und e th is d i sru p tion   t h power n e twork   sp lits  in to  p a rt g e n e rators  an lo ad s.  Th e l o ad d e m a n d  can   b e  tallied  with th su pp ly power  of an  island . In case  o f  co m m ercial an d ind u s t r ial  sensitive loa d s the necessity of superi or  power  quality and reliability is  great A m i cro grid ca be a  DC grid  sy st em , an AC  sy st em  or eve n  a hi g h  f r eq u e ncy  AC   gri d   sy st em . A M i cro  gri d  sy st em  i s  or gani se d a s  an  i s l a nd. T h ke y  conce r n t o  b e  del i b erat e d  f o di st ri b u t e gene rat i o n i s  t h e t ech ni cal  pr obl em  associ at ed wi t h   cont rol   of a c o nsi d e r abl e   nu m b er of  m i cro sources . The  basic problem   with an  i n tricate co n t ro l system is th at  a failu re of t h co n t ro l m o du le or a softwa re  erro r will bring th e en tire syst e m  d o wn.  In  th is th esis, a fu zzy con t ro ller was realised with  i nve rt er f e d m i cro g r i d  f o r i s l a n d i n g o p e rat i on a n d   eval uat e d agai nst  co nve nt i o n a l  cont r o l l e r.  The pe rf o r m a nce results of Fuzzy cont ro ller are ob tain ed u s ing   Mat lab / Si m u li n k  as well as hardware im p l e m en tatio n .  Th i s   m a n u s cri p t em p l o y s a  referen ce fram e , wh ich  is  i n st ant a ne o u sl y  sy nch r o n i z e d  t o  t h e m i cro g r i d   b u vol t a ge , t o   de vel o p a   dy nam i m odel  of  an  i s l a n d e d  m i cro   gri d Here  i n  t h e Sect i o II   of t h e m a nusc r i p t  e xhi bi t s  the syste m ’s elementary  struct ure while  Sect ion III  pr o poses a s u per v i s o r y  co nt rol  arr a n g em ent  t o  cont r o l the voltage and fre quency  of the  m i cro grid and  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Fuzzy  Ba sed  A nal ysi s   of   Inve rt er Fed  Mi cro  Gri d  i n  Isl a n d i ng…  ( Y uva r aj a Teek ar a m a n )   46 5 prese n t s  si m u l a t i on r e sul t s   o f  an  i s l a n d ed  m i cro g r i d   bas e on i n st ant a neo u sy nc hr o n i zat i on.  Sect i o n  I V   concl ude s wi t h   t h e resul t s  of  har d ware  i m pl em ent a t i on.       2 .  POWE R NETWORK  IN  ISLANDED MODE         Fi gu re  1.  C o nv ert e base d P o wer  Net w o r k  i n  i s l a n d e d  m o d e       The  Figure  1 infe rs t h e a rra ngem ent of  ba sic micr gri d . The  system  com p rises of a c o llector  bus,  a converter, a bus ca pacitor  C and a  load.  The load is de note d  as a para l l e l  co m b i n at ion  of resi st anc e  R  and  inductance L  and the loa d  is pres um ed to be in an im balanced cond itio n .   W i t h  all t h ese assu m p tio n s , a  fund am en tal freq u e n c y m o d e l o f  th e co nv erter is j u stif ie d, whe r e the conve rter is   m o delled as an average   current source           Fi gu re  2.  I nve r t er fe d M i cr og r i Fi gu re  3.  I nve r t er cu rre nt       Th e Figure 2, d i sp lays th e con v e rter fed  Mi crog ri d .  It co mp rises  o f  a  d c  so urce, LCL  filter and  RLC  l o ad  whi c h i s   devel ope d a n d  scrut i n i z e d  i n  M A TLAB / Si m u li nk. T h d c  so urce  vol t a ge i s  4 0 0 V .  Fi gu re  3   sh ows th grid   v o ltag e  acro s th e island  m o de.            Fi gu re 4.   G r i d  Vol t a ge   Figure  5. Active and Reactive  powe r     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 4 ,   Ap r il 2 015    46 –  46 46 6 Su bseq ue nt l y  t h e sy nch r o n i z a t i on, i n vert er  c u r r ent   ri ses t o   80 A.  At  t h e t i m e  0.8  sec  t h e  D G  se nses   t h e i s l a ndi n g  c o n d i t i on a n d t h e co nt r o l   m ode cha n ges. F r om  0.8 sec on war d s t h e c u r r e nt  i s  red u ces  whi c indicates the  disconnection from  grid. Th is is exhibited in  Figure  4. Fi gu re 5 illustrates the active a nd  reactive   p o wer after wh ich  it is  d e tach es  DG fro m  th g r id.  At  0.2 sec t h DG is c o nnecte d  to  grid a nd after  syn c hron ization  th e to tal activ e power  d e liv ered   b y   t h DG  bec o m e 20 k W At  0. sec t h e D G  se nses t h e   islan d i ng  con d i tio n  an d go es to  island ing  m o d e  so  t h at th e activ e po w e r  sup p lied is r e du ced  to 10kW         Fi gu re  6(a ) ,  ( b )  Fuzzy  m e m b ershi p   fu nct i o fo r i n p u t  an o u t p ut       3 .  PROPOSE D   FUZZ Y-PI CONTROLLER   B y  present i ng  t h e f u zzy  t ech nol ogy , t h e v o l t a ge and  fre q u ency  ca n be  m a ni pul at ed  w i t h  a si ngl e   cont rol l e r.  T h e  err o r si gnal s  f r om  vol t a ge  a n d t h e  f r e que nc y  bl oc k i s  fe d t o  t h e  f u zzy  c o nt r o l l e r t o  o b t a i n  g a i n   erro r. Th e Fu zzy  m e m b ersh ip fu n c tion   for i n p u t  and   o u t p u t   is illu strated  in th e Fi g u re  6 .     Fi gu re 7.   F U Z Z Y- PI base c ont rol l e r         Fi gu re  8.  C o m p ari n g  F u zzy  a n d  PI  o u t put   fo vol t a ge  co nt r o l  ‘R L  l o a d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Fuzzy  Ba sed  A nal ysi s   of   Inve rt er Fed  Mi cro  Gri d  i n  Isl a n d i ng…  ( Y uva r aj a Teek ar a m a n )   46 7 From  t h e Fi g u r e 8  w h i c dem onst r at es t h at   f o r t h no rm al   R - L l o a d , t h vol t a ge  st ep  re spo n se  has  a   rise ti m e  o f  1 1   m s  fo r a PI Con t ro ller. Bu t for th e sam e  lo ad , th e vo ltag e  st ep  respo n s h a s a rise ti m e  re d u c ed  to  8 m s  an d  is  well d a m p ed   with  10 ov ersho o t  i n   fu zzy con t ro ller.          Fi gu re  9.  C o m p ari n g  F u zzy  a n d  PI  o u t put   fo r F r eq ue ncy  co nt r o l  ‘R L  l o a d       From  t h e Fi gur e 9, fo r a no rm al  R - L load, the freque n cy step res p onse  has  a ri se t i m e  of 14 m s  and a  settlin g  ti m e  o f  28  m s  in  PI Co n t ro ller. B u t for th e sam e  lo ad , the vo ltag e  step  respo n s e h a s a rise ti m e   redu ced  to  8  ms an d  is well da m p ed  with  neg lig ib le ov ersho o t  in  fu zzy con t ro ller. Bu t for th e sam e  lo ad , th freq u e n c y step   respon se  h a ri sen  and  settles  d o wn  immed i ately at th e po int in  fu zzy co n t ro ller.       4 .    IMPLEME N TATION O FF H A R D W A RE-  SECTIO N I V   A si ngl e p h ase  i nvert er i s  en g i neere d  fo r t h i s  desi gn . The k e y  cont rol  com p o n e n t  of t h M i crog ri d i s   t h e i nve rt er so  a si ngl e phas e  i nvert er i s  r eal i s ed. A n  o p en l o o p  si ngl e phase i n vert er bl oc k di ag r a m  i s   illu strated  in Fi g u re  10       Fi gu re  1 0 P W M  vol t a ge s o u r ce si n g l e  p h ase  i nve rt er       5.   ISOL ATI O A N D  G A TE DRI VE CIR C U IT   The  opt o-c o up l e r TLP 25 0 i s   em pl oy ed t o  i m part  i s ol at i on am i d  t h e co nt r o l  ci rcui t  a nd  p o we r ci rc ui t .   Any atypical state in the power circ u it  m a y lead  to  ad v e rsely d i stu r b  th e con t ro l circu it th roug h  th e switch  g a te term in als. So with th e assistan ce  o f   opto - co up le rs th e ph ysical con n ectio n   b e tween th e co n t ro l and  th po we r ci rc ui t  i s  sepa rat e d a n d t h e si gnal  i s  gi ve opt i cal l y  from  one  si d e  t o  t h ot he r.  Thi s  o p t o -c ou pl er i s   e m p l o y ed  to   d r iv e th e MOSFET sin ce th e micro c o n t ro ller  will g e t th e p u l se o n l y up  to   3v b u t  fo d r i v i n g  t h MOSFET we req u i re at least  1 0 v   pu lse. Th is is  real i s ed   by  appl i cat i o n of TLP2 5 0 o p t o -c ou pl er .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 4 ,   Ap r il 2 015    46 –  46 46 8 Experimental Arrange m ent of  the   Pr ojec       Fi gu re  1 1 . E x p e ri m e nt al  prep arat i o n   Fi gu re  12. E xperim e ntal preparation with  A T MEGA- 328                                                                                                 Th e ex p e rim e n t al p r ep aration  o f  the sing le ph ase inv e rter is illu strated  in  th e Figu re 11   & Figu re  12  with  m i cro c on tro ller  ATMEGA-3 28 , op t o - c ou p l er  TLP250   & MO SFET cir c u it.      6. DIS C USSI ON   The pe rf orm a nce of t h e p r o p o se d cont rol  st rat e gi es was e v al uat e by  co m put er sim u l a t i on usi n g   M A TLAB - Si m u li nk a nd  ha rd ware  i m pl em ent a t i on. T h e re s u lt fo r P I  co ntroller a n d  fuzzy  c o ntroll er we re  eval uat e d. It   ca n be ob ser v ed   t h at :   For  a p u re re si st i v l o ad of   3. 98  , t h vol t a ge st e p  r e sp onse  has a  ri se t i m e  of 25 m s  i n  PI  Co n t ro ller. B u t fo r t h e sam e  l o ad, th e vo ltage step  resp on se h a s a rise ti me o f  on ly 13  ms in  fu zzy co n t ro ller  an d settles down at tho s po in ts immed i atel y sh own  i n  Fi gu re 8.    Fig u re 9. Shows th at fo r th e n o rm al  R-L lo ad , th v o ltage  step response  has a rice tim e  of 11 m s  in  PI Con t ro ller. Bu t fo r th e same lo ad , th e v o ltag e  step  resp on se h a s a rise ti me red u ced to  8   m s  an d  i s  well   dam p ed with 10%  overs h oot i n   fuzzy c o ntrol l er.    Fi gu re  14 . S h o w s t h res p o n s e  of  a p u r e resi st i v e l o ad  o f   3. 98  , t h e  f r eq uency  st e p  re s p o n se  has a   rise ti m e  o f  25  m s  in  PI C o n t ro ller. Bu t for th e sam e  lo ad , t h e freq u e n c y step  respo n s e ri ses and  settles d o wn  immediately at the  poi nt in fuzzy cont roller.    Fo r th no rm al  R-L lo ad , th freq u e n c y step resp on se  h a s a rice tim e o f  14  m s  an d  a settlin g  tim e o f   2 8  m s  in  PI C o n t ro ller. B u t for th sam e  lo ad , th vo ltag e  st ep  respon se  h a s a rise tim e red u c ed  t o   8  m s  an d is  well d a m p ed   with  n e g lig ib le  ov ersho o t  i n  fu zzy co n t ro ller.  Bu t fo r t h e same lo ad , t h e freq u e n c y step  respo n s rises an d settles do wn  imm e d i ately at th e p o in t in   fu zzy con t ro ller as shown in   Figu re 14 Fo r Fu zzy-PI  co n t ro ller th startin g  tim e  o f  step  in pu t is 0 ,  with   u n it step  in pu t. Fo RL lo ad  th closed loop voltage response  settled at 0.027s ec and  for  fre que ncy res p ons e settled at 0.038 sec, which is   sh own  in Fi g u re 13  an d Figure 14           Fi gu re  1 3 P W M  pul se  f r om  opt o-c o upl er   Fi gu re  1 4 Si n g l e  p h ase  i n ver t er o u t p ut  f o R  Loa d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Fuzzy  Ba sed  A nal ysi s   of   Inve rt er Fed  Mi cro  Gri d  i n  Isl a n d i ng…  ( Y uva r aj a Teek ar a m a n )   46 9 7. CO N C L U S I ON   It  can be co ncl ude d t h at  di st ri but e d  ge nerat i on  uni t s  can b e  run i n  i s l a n d e d  m ode by  con n ect i ng i t  t o   the grid  via power electronics  co nv erters.  Fuzzy  m o d e l o f  an  island ed   Mic r ogri d is articulated in a refe rence   fram e  th at is pro m p tly syn c hron ized to  t h co llecto r   bu vo ltag e Sim u la tio n  an d im p l e m en tatio n   o u t co m e   estab lish  leg itimacy o f  th e mo d e l an d   robu stn e ss of th sug g e sted  con t rol sch e m e   to  chan g e  system  lo ad ing   and power  fact or. Sim u lation  results a n hardwa re im ple m entation e n dorse that this m e thod is e fficaci ous  in  vol t a ge  an fr e que ncy  m a ni pu l a t i on wi t h  c h a ngi ng  net w o r st ri ct ures.       REFERE NC ES   [1]   Andreotti , A De l P i zzo , R Ri zzo , P  Tri c oli .   An  efficient  archit ect u re of a P V   pla n t for anci llary  service suppl yin g SPEEDAM 201 0 Intern . S y mpo s ium on Power Electronics,  Elec tri cal  Drives,  Autom a tion  and  Motion, Pisa  (It a l y) ,   678-682, June 2 010.  [2]   Batars eh , Z .  Qian, O. Abde l- Rahm an,  An I n tegrated Four -Port DC/DC Converter for  Renewab l e En ergy     Applica tions , IEEE  Trans. Power Electron . , 5 ( 7 ),  1877 – 1887 , 20 10.  [3]   Chiang,   T. T.  Ma,  Y. H.  Cheng,  J.M. Chang, W.N Chiang,  Design  and implementation of a hybrid regenerative pow er   system combinin g grid-tie and unint erruptible p o wer supply functions , IET Ren e wable Power Generation, 4 (1) ,  85- 89, 2009 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.