Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol .   4 ,  No . 2,  J une   2 0 1 4 ,  pp . 27 4~ 28 0   I S SN : 208 8-8 6 9 4           2 74     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  Modelin g of  W i n d  Energy on Is ol at ed  Ar ea       Hache m i Glaoui * ,  H a rrouz  Abdelk ader ** ,   Ismail Mess aoudi ** , Hamid   Saab **   * Department of   Science  and tech nolog y ,   Un iv ersity o f  Bech ar,  BP 417 Route de Kenadza 08000   Béchar  Alger i ** Departmen t  o f  H y dro carbon  and Renewa bl e En e r gy ,  Ad ra r  Un iversit y ,  Alg e ria       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Oct 20, 2013  Rev i sed   Ap r 2, 20 14  Accepted Apr 15, 2014      In this pap e r,  a  m odel of the   wind turbine  ( W T) with perm anent m a gn et  genera tor (P M S G) and its  as s o ci ated  control l ers  i s  pres ented.  The  incre a s e  of   wind power pen e tration  in power s y stem s has m eant that conv en tional power   plants   are gr adu a ll y b e ing  repl ac ed b y  wind  farm s .  In fa ct , tod a wind farm s   are requi red to  act ivel y pa rti c ip ate in power s y s t em  operation i n  the s a m e   way  as conven t ional power plants. In  fact, power sy stem operators hav e   revised th e grid   connection r e quirement s for win d  turbines  and  wind farms  and now demand that these installations be  able t o  carr y  ou t m o re or less the  same control tas k s as convention a l power  plants.   For dy namic power sy stem  sim u lations, the  PMSG  wind turbine  model includes an aerod ynamic rotor  model, a  lumped mass representation of  th e driv e train s y stem an d generator   m odel. In  this  paper  we pro pose a m odel   with an  im ple m entation  in   MATLAB / Si m u link, each of  the sy st em  com ponents off-gr i d sm all wind  turbines.   Keyword:  W i n d  gene rat o sy st em Perm anent  m a gnet   sy nc hr on ou s   gene rato r (PM S G)   W i nd  turb in (WT) m o d e lin MATLAB - Si m u link  envi ro nm ent    Copyright ©  201 4 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 Hachem i Glaoui,    Depa rt m e nt  of  Sci e nce a n d  t e chn o l o gy   Uni v ersity  of Bechar,   BP 41 7 Rou t d e   K e n a d za, 08 000  Béch ar A l g e r i Em a il: mek k a 60 @g m a il.co     1.   INTRODUCTION   The wi n d  p o w e r ge nerat i o has be en  de ve l ope d ve ry  q u i c kl y  i n  t h e pa st  few y ears  [ 1 ] .   W i t h  t h gr owi n g penet r at i on of  wi n d  ener gy  gen e rat i on i n t o   po wer  gri d s ,  t h e im pact  of wi n d  t u r b i n e ( W T )  on  po we syste m  o p e rati o n s  an d stab ility co n t ro l is  of i n creasi n g con c ern.  WT sy st em  no rm all y  consi s t s  of wi nd t u r b i n e, gene rat o r an d g r i d  i n t e r f ace  con v ert e rs, a m ong whi c t h e ge nerat o i s  an  very  i m po rt ant  c o m ponent  i n  t h W T  sy st em . Du ri n g  t h de vel opm ent  of  t h e   WT   t echni q u es , sy nch r on o u s ge n e rat o r ,  i n duct i o n ge nerat o a n d d o u b l y  fe d i n duct i o gene ra t o r we re em pl oy ed t o   conve r t wind  powe r to electrical powe r .   W i n d  t u rbi n es  usual l y  r o t a t e  at  a speed  of  15 20  rev/ m i n, a n d   G e n e r a tor s   shou ld ro tate at the sp eed of   1 000 –15 00   r e v / mi n .   H e n ce, a  g e ar box  sh ou l d   be conn ected   b e tw een  a wi n d  t u r b i n e  an d a  gene rat o r .  T h e gea r bo x ca uses  un pl e a sant noise, i n creases the  los s  of the  WT s y ste m ,   and al s o  req u i r es reg u l a r m a int e na nce. I n  o r der t o   ove rc om e t h ese pr obl e m s,  t h e WT wi t h  perm anent  m a gnet   sy nch r o n o u s  g e nerat o r (PM S G),   w h e r t h e  gear b o x   was   el im i n at ed,  was  devel ope d [ 2 ] .    The va riable-s peed  wind tu rbine is now the  one that is  m o st fre quently installed.  Over recent  years,  it h a b eco m e  th e m o st p opu lar typ e   o f  wi nd  turb in e. Th is in terest in v a riab le-sp e ed   wi n d  turb i n es is  d u e  to  the  wide  ra ng e o f  a d vanta g e s  O ffe red ,  s u c h  as  re d u ced  mechanical stress, incr ease d  powe ca pture, W i nd  ener gy   i n   Al geri a  i s   onl y   u s ed  fo r  pum pi ng  wat e r;  t h  fi rst   experi e n ce  of  pum pi ng  wat e r  wi t h   wi n d     tu rb in e  in  A frica w a s co nducted   in   1 9 5 7   in   A d r a r  "K sar   Sid i  A i ssa" f o r  ir r i g a ti o n    o f   50   h ectar es  [ 3 ].     The   wi n d    res o u r ce  i n    Al ge ri a va ri es  g r ea t l y   from   one   l o cat i on  t o   a n ot he r.  T h i s  i s   m a i n l y  due t o   a very   di ve rse t o p o g r a phy  an d cl im at e. The A d ra r  regi o n ,  i n   Sout h Al ge ri a,  prese n t s  an e x cel l e nt  wi nd  ener gy     pot e n t i a l   as  sho w n  by   t h e  fi gu re  bel o w.   The an n u al   m ean po wer  d e nsi t y  i s  very  int e rest i n g rec o vera bl Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Mo del i n g   of   W i nd Ener gy o n  Isol at ed Area   ( H ac he mi   Gl ao ui )   27 5 b y  th wind   Wh ich   allows  supp ly ing   electrical  energy  to rem o te   areas   (Fora g e s ,   Kess our),   whe r   con n ect i o n t o    t h e g r i d  i s  n o t   pos si bl or  eco nom i cal l y  expensi v e .           Fig u r e   1 .  Topog r a ph ical m a p  o f  A l g e r i     Table 1. Avera g e W i nd  Spee [14]       In  this   pa pe r   we   will  be   interested  m o re   specifica lly  to the  m odeling   of  t h e  m a jor   com pone nts   of  a    sm a ll  win d  tu rb in e ad ap ted to reg i on s su ch  as Ad rar Sah a ra.      2. 1. M o del  of  PMG S   Basically, PMSG is a Perm anent Ma g n et  S y nch r o n ous  Ge nerat o r;  t h e e q ui val e nt  ci rc ui t  i s  sho w n i n   Fi gu re 2.  Al i g ni n g  t h e di rect i on o f  t h e d ax i s  of t h e d q r e fere nce, t h m odel  of t h e PM GS i s  gi ven  by  [4] ,   [5] :       Fi gu re  2.  P A R K  m odel  f o r  P M SG     f d d q q q s q q q d d d s d I L dt I d L I R u I L dt I d L I R u . . . .                               (1)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    27 –  28 27 6 Whe r d u  and  q u  are the direct (d) and  quadrature (q ) ax is stator vo ltag e respectiv ely,  d I  and  q I  are the  d a nd  q axis stat or c u rre nt, res p ectively,  s R  is the resi stance of the st ator;  d L  is th e in du ctan ce  of the stator.   is the  ge nerator  electrical spee d.  The Po wer   eq u a t i ons  a r e gi ve n by :     ] [ 2 3 ) q d I d φ q I ( d t d ) d t q d q I d t d d d I ( ) q I d I ( s R (t) P                       (2)     The el ect r o m a gnet i c  t o r que  h a s t h e e x pressi on:     )] . . ) ( [ q f q d I I I Ld Lq P k Te                                                      (3)     Whe r k  t a ke t h e val u es 1  or  1. 5, de pe n d i n g o n  k n o w  t h e t r a n sf orm a t i on i s  per f o r m e d par k  (I n t h i s  case,  k =1. 5 ) .  T h e i n st ant a ne ou po w e of t h e m achine is  [6]:     q q d d I u I u t P ) (                                                                                                            (4)     2. 2. M o del  of  Co nver ters   Th e rectifier  m o st  frequ en tly u s ed  is a d i o d e   b r id ge pe rfect. This is an electronic device that is   placed  betwee n the alternat or and the  batte ry to turn the three AC  volt a ge s at the output of the alternat or  v o ltag e . Th e bridg e  con s ists  o f  si x  d i o d e s,  as sho w n  in   Fig u re  3 .  In   reality, th e v o ltage at th e ou tpu t  o f  t h b r i d g e   pr esen t s  un du latio ns  w ith  a  f r e q u e ncy 6  ti m e s th at  of the alternator, so often  we add a c o nde n ser in  or der  t o   sm oot h t h e  t e nsi o n  at  i t s  o u t p ut .         Fi gu re  3.  M a g n et  ge ne rat o r c h ar ge d t o  t h DC  b u s       The m ean voltage  Vcc  t o  t h out put   o f  t h ree - p h ase  b r i d ge r ect i f i e r i s  gi ve by  [ 2 ] :      L CC V V 2 3                                                                                                                                                   (5)     Or  V L  eff ectiv e vo ltag e   b e tw een  two  lin es  o f  th e sy n c hr onou g e n e r a tor ,  fo r a star conn ectio n   o f  th e line  n e u t ral vo ltag e , th relatio nship  b e t w een th v o ltag e  to  t h e t e rm in als o f  th e g e n e rat o r and   th V DC  vo ltage of   th e b a ttery is giv e n  as fo llows:    CC DC V V 6 3           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Mo del i n g   of   W i nd Ener gy o n  Isol at ed Area   ( H ac he mi   Gl ao ui )   27 7   3.   DYNAMIQUE MODEL OF WT  WITH  PMGS SYST EM  3. 1. Wind Modeling      Fi gu re 4.  W i nd   Tu rbi n c h ai n  of   co n v ersi on  ener gy       The PMSG as sociate with a  wind  t u rbi n e i s   sho w   i n  Fi g u re 3. The P M GS  a nd w h i c di sc har g es   di rect l y  t h r o ug h a t h ree - p h ase  di o d b r i d ge,  on  t h DC  bu s an th e D C  bus  and   t h e electrochem ical battery.  W i nd  turb in e i s  a m ach in e that b y   d e fin ition ,  t r an sfo r m s  wind  en erg y  i n to  m ech an ical en erg y To  b e g i n ,  it is n e cessary to  qu antify th e en erg y  so urce av aila b l e, th at is to   say; th energy associated with the   win d .   d i fferen t  app r o a ch   u s ed  in th e literature  to  gen e rate a  syn t h e tic series of  wind  i n   o u r case, th wi n d  s p ee d i s   m odel e d by  a  s u m  of se veral   harm oni cs  [3] :     ) ) . sin( 1 ( ) ( 0 k k k wind T w A V t V                                                                                                           (6)     Whe r e:   V 0 : is a v a l u of wi nd   v e lo city  A k :  i s  am pl it ud e o f   harm oni c   W k :  i s  fre q u enc y  of  ha rm oni   To  produce  energy, a  wind turbi n e re quires  a wi n d   s p e e d   o f  mi n i mu m o f  ( 6 . 3 4  m /  s ) .  T h i s  i s   verifie d   fr om  all y ear in the  re gio n   of  A d ra r.     3.2. The Turbine Modeling  The i n st ant a ne ous  p o w er  o f  t h wi n d  i s   gi ve by  t h f o l l o w i ng e q uat i o n [ 7 ] ,  [1 1] - [ 1 2 ] :     3 . . 2 1 V C A P p m                                                                       (7)     Whe r e is th e air d e n s ity wh ich   is app r o x i m a te ly 1 . 2kg /m 3 ,   A  is th e swep t area b y  th e b l ad es. Th p o wer  coefficient  p C  is a fu n c tion   o f  th e tip  sp eed ratio,  wh ich is th e ratio  of th e lin ear sp eed at th tip  of  b l ad es  t o   t h e spee d of  wi n d e x pres se as:      V R .                                                           (8 )     R  is th rad i u s  is th e m ech an ical an gu lar v e l o city, resp ectiv ely, o f  th wind   tu rb in ro t o r. Ex pressi o n  of  p C  as a  function  of  e m p l o y ed  in [8 ]- [10 ]  ar e:    0.2121   λ 0 .0856  λ 0 .2539                                                                            (9)      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    27 –  28 27 8     Figure  5. The  c h aracteristic  us ed  for the  test  C λ       The Figure 5, represents t h e characteristi cs powe r coe f ficient as a function  of  ,  t h e   ma x i mu m p o w er   coefficient (   =0.15 )  is attain ed fo ma x  = 0.7 8   [1 4] .   Th e t u rb in u s ed  in th e con t ex t of  ou wo rd , is a  wind turbi n e “Sa v oni us”  vertical axis  is  show i n   Fi gu re 6.         Fig u r e   6 .  Turb in e typ e  “Savoniu s ”    w f T T dt dw J m em e .                                                                      (1 0)     Whe r  i s   t h e rot a t i on m o m e nt  of i n ert i a  of t h e rot o r a nd t h e gene rat o kg . m 2,   i s  t h e angul ar vel o ci t y   o f  th e ro tor in  red / s,      is th m ech an ical to rq ue ap p l ied  to  th e alte rn at o r  sh aft in Nm ,   em T  is th e   el ect rom a gnet i c  t o r q ue  devel ope by  t h e  ge nerat o r i n   Nm   and   m f  u s  t h v i sco u s frictio n co efficien t in Nm .       Fi gu re  7.  To r q ue  of  wi nd  t u r b i n e       4.   SIMULATION RESULTS  The re sul t s  o f   sim u l a t i on o n  t h e m a t l a b-sim u l i nk  En vi r o n m ent  of al l  ass o ci at ed  bl oc di ag ram s . As  sho w n i n  Fi g u re ( 8 - 1 1) . Of  t h e wi nd t o r que , t h e wi n d  po wer an d t h e el ect rom a gnet i c  t o rque P M SG i s   regi st ere d ,  an has  fol l o ws  t h e  va ri at i on  of  re fere nce  wi n d  s p eed .       J w e T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Mo del i n g   of   W i nd Ener gy o n  Isol at ed Area   ( H ac he mi   Gl ao ui )   27 9       Fi gu re 8.  W i nd   p r o f i l   Fi gu re 9.   The  wi n d   t o r que             Fi gu re  1 0 . T h e  wi n d   p o we r   Fi gu re  1 1 . T h e  el ect rom a gnet i c  t o r que  PM S G       5.   CO NCL USI O N   Thi s  art i c l e  h a s desc ri be d t h e m odel i ng  of   PM SG a n d m odel i ng   of  eac h  m a jo r  sy st em   com pone nt s:    wi n d  t u rbi n e   and    perm anen t   m a gnet  sy nc hr o n o u  ge ne r a t o r.   The si m u l a t i ons descri bed i n  t h i s  pape r dem onst r at e t h at  t h e wi n d  t o r q ue,  t h e wi n d  p o w er an d t h e   electrom a gnetic torque PMSG   i s  re gi st ered ,   an d has fol l o w s   t h e vari at i o n of   re fere nce wi nd   sp eed .   Pum p i ng  wat e r  from   borehol es  fo r  w i nd  po we r  and rem o t e   areas  i nhabi t e d   or  rem o t e     ag ricu ltu ral   areas  can    b e  t h e  b a sis of exp e ri m e n t al  st u d i es  to    valid ate th e  m o d e l.   Th is op tion    will   allo   water  m a nagers  do  not  ha ve  the  energy source  as a   const r aint  [13]  especially    in  a  region  whe r e  the  o n l y w a ter  r e so ur ce  is gr ound w a ter .       REFERE NC ES   [1]   PB Eriksen, T  Ackermann, H  Abildgaard ,  P Smith, W Wi nter, JM Rodriguez Garcia. S y stem operation with h i gh  wind penetration ,   IE EE  Power  E n ergy Mag . 200 5; 3(6): 65–74.   [2]   AJG Westlake,  JR Bumby ,   E S pooner. Dampin g the power-a ng le oscillations of  a p e rmanent-m a gnet s y n c hrono us  genera tor with  p a rti c ular  ref e ren ce  to wind  turbi n e app lic ation .   I EE Proc.- Ele c tr.   Power Appl.   19 96; 143(3): 269 280.  [3]   Messaoudi Iamail Mémoire de  Mast e. Modélisation d' un e petite   éolienne hors réseau basé  sur génératr ice s y nchr one  à a i m a nts  perm a n ents . Univ ers i t é  of Be char  l e .   20 13.  [4]   Harrouz,  A ben Atialah,  O Har r ouz. Modeling  of Small Wind  Energ y  b a sed of  PMSG in South of Algeria. 2nd   International S y mposium on  En vironment Frien d ly En ergies an d Applic ations ( EFEA)  Northumbria University.   2012.  [5]   F  W u , XP  Zhan g, P J u. S m all s i g n al s t abil it anal ys is  and   con t rol  of the  wind turb i n e with  the  dir e c t -drive  perm ane n t   m a gnet gen e ra to r int e grat ed  to  th e grid Elec tric  Powe Sy ste m s Re se arc h 2009; 79:  1661–1667.  [6]   Guettaf  A, B e tk a A,  Bennis O.  M e diterranean J.  Me asur. Control.  2011; 7(01): 19 0–196.  [7]   Calder aro V,  Ce cat i C,  P i c c olo   A.  Gr een Ener g y   T echn . ,   2010,  vol. 10 , pp . 337– 366.  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 7 8 9 10 11 12 13 14 T i m e  [Se c ] W i nd S peed  [ m / s ] 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 T i m e  [S ec ] T h e  w i n d  to rq u e  [N .m ] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 Ti m e [ S e c ] The w i nd pow er  [ W ] 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 Ti m e [ S ec ] T h e   el ec t r om agne t i c  t o rque  [ N . m ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    27 –  28 28 0 [8]   Sey oum D, Grantham C.  IEEE Trans. Ind. Electr on. Control Instrum.,  2003 : 846–8 52.  [9]   M Adam  Etude  com p arative  de  chaine  de  conversion   d' ener gie dediees  a  u n e  eolienne  de  petite  puissance.    Toulouse.   2005 ; 46-48.  [10]   Senjy u  T, Shimabukur o T, Uezato K.  Position  control o f  perm anent magne t synchronous motors without position  and speed senso r s . P r oceedings   of the In tern atio nal IE EE /IAS  Conferenc e  on In dus trial Autom a tion and  Control :   Emerging 1995.   [11]   Idjdaren e K,  Re kioua D,  Rek i ou a T .   Energy Con vers. Manag .,  20 08; 49: 2609–26 17.  [12]   Rekioua D, R e kioua T, R e kioua  T.  In t.  J . ,  Em er g .  E l e c t. Power  S y s t .,   2005; 4: 1– 23.  [13]   H Omar. La  Gestion  des  resso urces  en  eau  en  Gironde   (Fra nce)  Schema  d'Amenagement  et  de  gestion  des    eaux Sag e    Napp es prof   on   des.  9 éme   Colloque  I n ternational   «L' e au   et   les   enjeux   d e  I'    Avenir », Adrar.  2006.   [14]   S Diaf, M Belhamel, M Haddadi, A Louche.   Assessment of wind energ y  re sou r ce in southern  Algeria.  Re vue  des   Energies Renou velables.  2007  ; 1 0 (3): 321-333         BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       Hach emi G l aou i*-  was born in  1977 in Bechar- A lgeria, he’s  received th e electr i cal eng i neering   diploma from B echar University,-Algeria in 2001,  and the Magister degree from the University   Bechar Alg e ri in 2008. And th e Ph.D. degr ee  from   the Electr i cal  Engineering  Institute of the  University  Bech ar in 2012      ently ,  h e   is an  assistant professor at B ech ar University . He is   current l y  profes s o r of elec tri cal  engine ering  at  Univers i t y  of  Bechar , Alger i a ,  P r ofes s o r of  ele c tri cal  eng i ne ering  at  Univers i t y  of B ech ar,  Al geria .   E - ma i l :  me kka 60@gma i l . c o m        Harrou z  Ab d e l k ad er**  obtained Engineer in electro techn i que 2 001 from university  of bechar alger i a,  aft e r tha t , M a gis t er ‘Aut om atique’ : Adv a nced d y n a m i cs  com m a nd s y s t e m s  from  Bechar   University  on 2012, Algeria. H e  worked as insp ector of mesurement in the Of fice National of  Measurements from 2003 to2012 . Presen tly  he is  working as assist ant professor o n  Departement  of H y dro carbon  and R e newable En erg y , Adrar Univ e r sity , Alge ria.  His  a r ea s of inte re st a r me te ring S y s t ems,  Powe r Sy ste m s,  and Auto mation. He is  member of Lab o rator y  of  Ener g y   Environment an d S y stem Infor m ation (LEESI).  He has publis hed 5 papers in International  Journals and  presented sev e ral p a pers in  national and  intern at iona l conf eren ces .                                         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.