I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n ( I J R A)   Vo l. 8 ,   No . 1 ,  Ma r ch   201 9 ,   p p .   133 ~ 1 4 5   I SS N:  2089 - 4 8 5 6 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r a . v 8 i 1 . p p 1 3 3 - 145     133       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. c o m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR A   Intellig ent  t une d  PID c o nt ro ller f o r  w ind energy  conv ersio n  sy ste m  w ith  per ma nent  m a g net  sy n chro no us  g enerat o r  a nd    AC - DC - A C c o nv erte rs       T.   M uthuk u m a ri 1 ,   T .   A.   Ra g ha v endira n 2 ,   R.   K a la iv a ni 3 ,  P.   Selv a ra j 4   1 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e ri n g ,   A n n a   Un iv e rsit y ,   In d ia   2 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   S ri  V e n k a te sh w a ra   c o ll e g e   f o r  w o m e n ,   In d ia   3 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   Ra jala k sh m i  En g in e e rin g   C o ll e g e ,   In d ia   4 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   P ra th y u sh a   En g in e e rin g   Co ll e g e ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   2 2 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   A p r   2 2 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   Ma y   5 ,   2 0 1 9       T h is  p a p e r  p re se n ts  t h e   in telli g e n t  t u n e d   P ID  c o n tro ll e r - b a se d   S i n g le  En d e d   P rim a r y   In d u c t o r  Co n v e rter  (S E P IC)   f o r  M a x im u m   P o w e r  P o i n t   T ra c k in g   (M P P T )  o p e ra ti o n   o f   W in d   En e rg y   Co n v e rsio n   S y ste m   ( W ECS ).   A s  th e   v o lt a g e   a n d   f re q u e n c y   o f   th e   P e r m a n e n t  M a g n e t  S y n c h ro n o u s  G e n e r a to r  (P M S G )  v a ries   w it h   th e   w in d   sp e e d   c h a n g e s,  In tell ig e n t  c o n tro l led   S E P IC   is  u ti li z e d   t o   m a in tain   th e   c o n sta n t  DC  li n k   v o lt a g e .   T h e   in telli g e n t  tu n e d   P ID   c o n tro ll e r  c o m b in e s  th e   a d v a n tag e s  o f  b o th   c o n v e n ti o n a l  a n d   so f t  c o n tr o ll e rs.   T h e   1 . 5 M W   v a riab le  sp e e d   W EC S   (V S W ECS )  w it h   A C - DC - A C  c o n v e rter  is  d e v e lo p e d   u si n g   M A TL A B/S i m u li n k   so f twa re .   P M S G   d e li v e rs  a   lo a d /u ti li ty   g rid   th ro u g h   a n   u n c o n tr o ll e d   d io d e   re c ti f ier,  in telli g e n t  c o n tro ll e d   S EP IC  a n d   th re e   p h a se   i n v e rter.  T h e   re a l  ti m e   im p le m e n tatio n   o f   th e   p ro p o se d   sy ste m   is   d o n e   b y   th e   DS P   p r o c e ss o r  M S P 4 3 0 F 5 5 2 9 .   T h e   p e rf o rm a n c e   o f   th e   S E P IC  is  tes ted   in   b o t h   sim u latio n   a n d   e x p e rime n t  a t  d if f e r e n t  w in d   sp e e d   c o n d it io n s.   T h e   p e r f o rm a n c e   o f  th e   p ro p o se d   In telli g e n t  M P P T   c o n t ro l  o f   S E P IC  a re   c o m p a re d   w it h   th e   c o n v e n ti o n a l   P ID  c o n tr o ll e r.   In tell ig e n t  tu n i n g   o f   P ID  c o n tro ll e r  su c h   a s  F u z z y - P ID,  a n d   A NFIS - P ID  is  im p lem e n ted   in   th e   p ro p o se d   sy ste m   a n d   re su lt s  a re   c o m p a re d .   T h e   si m u latio n   a n d   e x p e rim e n tal   re su lt s  re v e a ls  th a t  th e   p ro p o se d   A NFIS     m e th o d   p ro v id e   im p ro v e d   p e rf o r m a n c e   th a n   th e   c o n v e n ti o n a l  P ID m e th o d   i n   term s o f   p o w e r  q u a li ty .   K ey w o r d s :   A N FIS   Fu zz y   I n telli g en t c o n tr o l   P I D   SEP I C   W in d   E n er g y   C o n v er s io n   S y s te m   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   T.   Mu th u k u m ar i ,   R esear ch   s ch o lar ,   Dep ar t m e n t  o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r i n g ,     An n a  Un i v er s i t y ,   I n d ia .   E m ail:  m u th u k u m ar i1 2 3 @ y a h o o . co . in       1.   I NT RO D UCT I O N     T h e  elec tr ical  en er g y   d e m a n d   in cr ea s es  d a y   b y   d a y   b ec a u s e  o f   th e  i n cr ea s e  i n   p o p u latio n   a r o u n d   th e   w o r ld   a n d   s h o r tag e  o f   th e   n atu r al  s o u r ce s   li k e  co al,   o il   an d   n a tu r al   g a s   f o r   t h e  g en e r atio n   o f   elec tr icit y .   T h e  r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   s u c h   as  s o lar   en er g y ,   w in d   en er g y ,   h y d r o elec tr ic,   b io m as s ,   an d   g eo   th er m al   s o lv e  t h e  p r o b le m   ca u s ed   b y   th e  n at u r al  r eso u r ce s .   T h e  a d v an ta g es   o f   r e n e w ab le  p o w er   g en er atio n s   a r e   s u s tai n ab le,   clea n   en er g y ,   n o n - p o ll u ta n t,  less   m ai n ten a n ce ,   less   co s t,  n o   ca r b o n   d io x id e  e m is s io n ,   o r   o th er   ch e m ical  p o llu ta n t.  Ho w e v er ,   th e  r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   m ain l y   d ep en d   o n   u n p r ed ictab le  w ea t h er   co n d itio n   a n d   g eo g r ap h ical   c o n d itio n s   f o r   t h e  p r o d u ctio n   o f   g o o d   q u alit y   o f   elec tr ical   p o w er .   O u t   o f   a ll  t h e  r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s ,   th e  m o s t  p r o m is i n g   s o u r ce   s atis f y in g   al l  t h e  r eq u ir e m en ts   i s   th e  w i n d .   W in d   en er g y   i s   o n e  o f   t h e  m o s t  av ailab le  an d   ex p lo itab le  f o r m   o f   r en e w ab le  e n er g y .   T h e  w o r ld w id e  w i n d   en er g y   ca p ac it y   h as  s tep p ed   f o r w ar d   an d   it  is   an   i m p o r tan t   co m p etito r   to   th e  co n v e n tio n al  en er g y   s o u r ce s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  8 ,   No .   1 ,  Ma r ch   2 0 1 9   :    1 3 3   –   145   134   I n   an o t h er   f i v e  y ea r s   w i n d   en er g y   g en er atio n   is   p r ed ictab le   to   r is e  to   1 . 2 6   m illi o n   o f   M W ,   w h ich   w i ll  co v er   1 2 % o f   w o r ld w id e  en er g y   ca p ac it y   [ 1 ] .   P r esen tl y ,   t h e  Var iab le  Sp ee d   W in d   E n er g y   C o n v er s io n   S y s te m   ( VSW E C S)  i s   eq u ip p ed   w it h   d ir ec t   d r iv e  P er m an e n t  Ma g n et  S y n ch r o n o u s   Gen er ato r   ( P MSG) .   Var iab le  s p ee d   w i n d   tu r b in e  [ 2 ]   is   m o s t  p o p u lar   d u e  to   th e  ad v a n ta g es  lik e  s i m p le  s tr u ct u r e,   i m p r o v ed   en er g y   c ap t u r e,   m a x i m u m   p o wer   ex tr ac tio n ,   lo w  lo s s es,  g o o d   p o w er   f ac to r ,   g o o d   p o w er   q u alit y ,   an d   m o r e  e f f icie n c y .   P MSG  m ac h in e s   ar e  m o r e  ef f icien t  th a n   o th er   m ac h in e s   b ec au s e  o f   th e ir   ad v an ta g es s u c h   as les s   w ei g h t,  s m a ll si ze ,   an d   f le x ib le  d esig n   s tr u ct u r e  [ 3 ] .   E lectr ical  en er g y   g e n er ated   b y   th e  V SW E C S  w it h   P MSG   is   o f   v ar iab le  a m p li tu d e  an d   v ar iab le  f r eq u en c y   i n   n at u r e.   T h e  p o w er   elec tr o n ic  co n tr o ller   p la y s   a n   i m p o r tan t  r o le  f o r   th e  p o w er   q u ali t y   en h a n ce m en t  [ 4 ] .   T h e  v ar iab le  AC   v o lta g e  is   co n v er ted   in to   v ar iab le  D C   b y   AC - DC   r ec tif ier   s ta g e  [ 5 ] .   T h e  u n r eg u lated   D C   in p u t  s u p p ly   i s   g i v e n   to   DC - D C   SEP I C ,   w h ic h   s h o u ld   b e  r eg u late d   f o r   th e  s ta n d alo n e   s y s te m   o r   g r id   co n n ec ted   s y s t e m .   T o   ac h iev e  t h i s ,   a  n e g ati v e  clo s ed   lo o p   co n tr o l  is   i n co r p o r ated   in   th e  D C - DC   co n v er ter ,   w h ich   a u to m ati ca ll y   ad j u s t s   t h e  d u t y   c y cle  i n   ca s e  o f   i n p u t   s u p p l y   v ar iatio n .   P I D  co n tr o ller   h as   b ee n   u s ed   to   co m p e n s ate  f o r   ch an g e  in   er r o r   r esu lti n g   f r o m   th e  d if f er e n ce   b et w ee n   t h e  f e ed b ac k   v o ltag e  an d   r ef er en ce   v o lta g e.   A   Ma x i m u m   P o w er   P o in t   T r ac k in g   ( M P PT )   s tep   an d   s ea r ch   p o in t  a lg o r ith m   is   d e v elo p ed   to   tr ac k   m a x i m u m   p o w er   f r o m   th e  v ar iab le  s p ee d   w i n d   tu r b in e  b y   g en er ati n g   a  s u itab le  r ef er en ce   v o lta g e  to   th e  co n tr o ller   [ 6 ] .   P I D  co n tr o ller s   p la y   a n   i m p o r tan t  r o le  i n   t h e  co n tr o l  o f   t h e  d u t y   c y cle   o f   p o w er   elec tr o n i c  s w itc h e s   o f   AC - DC - AC   co n v er ter s   d u e   to   its   r o b u s t  n at u r e,   s i m p le  s t r u ctu r e,   a n d   ea s y   i m p le m en tat io n .   Ho w ev er   d u e  to   th e  s i m p le  s tr u ct u r e,   P I D  co n tr o ller s   ar e  s u i ted   f o r   f ir s t   a n d   s ec o n d   o r d er   s y s te m   o n l y .   F o r   h ig h er   o r d er   an d   n o n li n ea r   s y s te m s ,   t u n i n g   o f   P I D  [ 7 ]   [ 8 ]   p ar am eter s   s u c h   as  p r o p o r tio n al  g ain   K p ,   i n teg r al  g ai n   K i   an d   d er iv ativ e   g ai n   K d   i s   a   cr u ci al  is s u e.   On e   o f   t h e  cla s s ical   m et h o d   o f   t u n i n g   i s   Z ie g ler - Nic h o ls   ( Z N)   [ 9 ]   tech n iq u e  b a s ed   o n   s o m e   co n t r o ller   ass u m p tio n s   an d   i t  n ee d s   f u r t h e r   t u n in g .   T h e  d o w n s id e  o f   th i s   m et h o d   i s   th e  e x ce s s iv e   o v er s h o o t  an d   o s cillato r y   r esp o n s e.   C o h e n - C o o n   [ 1 0 ]   d ev elo p ed   a  m e t h o d   w ith   th e   P I D   co n tr o ller   p ar am eter s   d er iv ed   b ased   o n   lo ad   d is tu r b an ce   r ejec tio n .   E v e n   th o u g h   a  b etter   m et h o d ,   th e  r esu lt s   ar e  n o t  m u c h   b etter   th an   Z N  tech n iq u e.   T h e  C o h en - C o o n   m et h o d   is   ap p licab le  o n ly   f o r   f ir s t  o r d er   m o d els.   T h e  o th er   tu n i n g   m et h o d s   ar e  r ela y   a u to   t u n in g   m et h o d   [ 1 1 ] ,   I n ter n al  Mo d e  C o n tr o l  ( I MC)  b ased   m et h o d   p r o p o s ed   b y   Mo r ar i  [ 1 2 ] ,   tu n in g   m eth o d   b ased   o n   o p ti m iz atio n   p r o p o s ed   b y   Ast r o m   an d   p o le  p lace m e n t   m et h o d .   Ho w e v er   all  t h e  m e th o d s   ar e  s u itab le  f o r   lo w er   o r d er   an d   lin ea r   s y s te m .   T h e   m et h o d s   ar e  n o t  s u itab le  f o r   n o n li n ea r   s y s te m .     T h is   p ap er   f o cu s es  o n   a n al y z i n g   i n telli g e n t  m et h o d   o f   tu n i n g   P I D  co n tr o ller   f o r   DC - DC   co n v er ter   ap p licatio n s .   T h e  ti m e  d o m ai n   an al y s i s   o f   th e  p r o p o s ed   s y s te m   w a s   ca r r ied   o u t  in   MA T L A B /SIM U L I NK .   T h e  in tellig e n t  tec h n iq u e  p r o v id es  b etter   p er f o r m a n ce   in   ter m s   o f   r i s e  ti m e,   s ettli n g   ti m e,   an d   o v er s h o o t  th a n   t h e  co n v e n tio n al  tu n i n g   m et h o d s .   T h i s   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo w s .   Sectio n   2   d ea ls   w ith   th e  m o d elin g   o f   w i n d   en er g y   co n v er s io n   s y s te m .   Desi g n in g   o f   SEP I C   is   d e s cr ib ed   in   s ec tio n   3 .   T h e  m e t h o d s   o f   tu n i n g   P I D  co n tr o ller   is   e x p lai n ed   in   s ec ti o n   4 .   I t  is   f o llo w ed   b y   MP P T   alg o r ith m   u s ed   f o r   r e f er en ce   v o ltag e  g en er atio n .   Sectio n   5   d ea ls   w it h   th e  s i m u latio n   an d   ex p er i m en tal  r esu lt s .   Sectio n   6   s u m m ar ies   th e  co n clu s io n   an d     f u tu r e  s co p e       2.   WE CS  WI T H   AC - DC - AC  C O NVER T E R   T h e  p r o p o s ed   w i n d   en er g y   co n v er s io n   s y s te m   co n s is t s   o f   co n s tan t   p itch   a n g le  w i n d   tu r b in e,   P er m a n en t   m ag n et   s y n c h r o n o u s   g e n er ato r ,   a  u n co n tr o lled   d io d e  r ec tif ier ,   a  v o lta g e  co n tr o lled   Sin g le   E n d ed   P r im ar y   I n d u cto r   C o n v er ter   ( S E P I C )   an d   th r ee - p h ase  i n v er te r .   I t is sh o w n   i n   F i g u r e  1 .     2 . 1 .     M o delin g   o f   m ec ha nica l   s y s t e m   T h e  n o n - u n i f o r m   h ea t i n g   o f   s u n   o n   t h e  ea r th ’ s   s u r f ac e   ca u s es  th e  cir c u latio n   o f   air   in   th e   at m o s p h er e.   T h e  en er g y   d ep e n d s   o n   t h e  air   d en s it y   ρ   ( k g / m 3 ) ,   s w ep t  ar ea   A   ( m 2 )   a n d   win d   s p ee d   v   ( m /s ec ) .     T h e  p o w er   e x tr ac ted   b y   th e   win d   t u r b in e  i n   u n if o r m   w i n d   f i eld   is   g iv e n   b y   t h e  r ate  o f   c h a n g e   o f   e n er g y   a n d   ex p r ess ed   as i n   ( 1 ) :     3 1 , 2 mp P A v C   ( 1 )     w h er e;   C p ( λ , β)is  k n o w n   as p o w er   co ef f icien t    λ   is   th e  t ip   s p ee d   r atio .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       I n tellig en t tu n ed   P I D  co n tr o ller   fo r   W in d   E n erg y  C o n ve r s io n   S ystem  w ith …  ( T.   Mu th u ku ma r i )   135   T h e  g en er al  ex p r ess io n   f o r   t h e   p o w er   co ef f icie n t i s   ex p r ess e d   b y   ( 2 ) :   5 2 1 3 4 6 ( , ) i C p i C C C C C C      ( 2 )     T h e  co ef f icien ts   C 1   to   C 6  ar e  C 1 =0 . 5 1 7 6 ,   C 2 =1 1 6 ,   C 3 =0 . 4 ,   C 4 =5 ,   C 5 =2 1   an d   C 6 =0 . 0 0 6 8 .   T h e  m ax i m u m   v alu e   o f   C p ( λ ,   β)  is   0 . 5 9 3   f o r   co n v en t io n al  w i n d   t u r b in e.   T h e  r atio   o f   th e   s p ee d   o f   t h e  r o to r   b lad e  tip   t o   th e  s p ee d   o f   th e  w i n d   is   th e  tip   s p ee d   r atio   ( T SR ) .   E v er y   r o to r   h as  an   o p tim u m   tip   s p ee d   r atio   at  w h ic h   its   m a x i m u m   e f f icie n c y   is   ac h ie v ed   an d   w h ic h   ch ar ac ter izes  th e  r o to r .   T h e  tip   s p ee d   r atio   is   g iv e n   b y   ( 3 ) :     2 t R Rn vv    ( 3 )     w h er e  ω t   is   th e  t u r b in e  s p ee d   o r   r o to r   s p ee d   in   r ad /s ec   ( 4 ) .     2 1 1 0 . 0 3 5 0 . 0 8 9 1 i        ( 4 )     B lad e  p itch   an g le  i s   d ec id ed   b y   s h ap e  o f   th e  t u r b in e  b lad e.   T SR   is   a  co n tr o llab le  p ar a m eter   an d   af f ec ted   b y   t h e  t u r b in e  s p ee d .   T h e  o p tim u m   o r   m a x i m u m   v al u e  o f   p o w er   co ef f icie n t  C p   is   ac h iev ed   at  β =  0 .           Fig u r e  1 .   P r o p o s ed   m o d el  f o r   th e  v ar iab le  s p ee d   w in d   en er g y   co n v er s io n   s y s te m       2 . 2 .     M o delin g   o f   elec t ric a l sy s t e m     Gen er ato r s   ar e  u s ed   to   co n v er t  m ec h a n ical  e n er g y   f r o m   tu r b in e  in to   elec tr ical  en er g y ,   wh ich   i s   f ed   in to   th e  elec tr ical  g r id . T h e  d y n a m ic  eq u atio n s   g iv e  t h e  m a t h e m atica l  m o d el  o f   th e  P MSG  as b elo w   (5 - 6) :     1 q s d s s d s d r s q d d d L d i R u i p i d t L L L   ( 5 )     1 sq s d m r s q s q r s d q q q q di R L p u i p i d t L L L L    ( 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  8 ,   No .   1 ,  Ma r ch   2 0 1 9   :    1 3 3   –   145   136   w h er e    sd i , sq i   ar e  th e  d   an d   q   ax is   s tato r   cu r r en t.   , dq LL   ar e  th e  d   an d   q   ax is   s tato r   in d u ctan ce .   s R   is   th e  s ta to r   r esis tan ce .   m is   th e  p er m a n e n t  m a g n et  r o to r   f l u x   p   is   th e  n u m b er   o f   p o le  p air s .     T h e  elec tr o m a g n et ic  to r q u e  eq u atio n   ca n   b e  g i v en   b y   ( 7 ) :     3 2 e m s q d q s q s d T p i L L i i     ( 7 )       3.   D E S I G N   OF   SE P I C  D C - DC   CO NVER T E R   T h e  Sin g le  E n d ed   P r im ar y   I n d u cto r   C o n v er ter   ( SEP I C )   is   a  t y p e  o f   n o n - i s o lated   co n v er ter   an d   is   ex ten s i v el y   u s ed   i n   m ed i u m   t o   h ig h   v o lta g e  p o w er   co n v er s i o n   [ 1 3 ] .   T h e  o u tp u t  v o ltag e  is   g r ea ter   th a n   o r   less   th an   t h e  r an g e  o f   i n p u t  v o lta g e .   Fig u r e  2   s h o w s   t h e  b asic to p o lo g y   o f   SEP I C .           Fig u r e  2 .   B asic to p o lo g y   o f   S E P I C       W h en   s w itc h   S  is   tu r n ed   o n ,   ca p ac ito r   C 1   is   ch ar g ed   to   i n p u t  v o lta g e  V in ,   an d   h en ce   t h e  v o ltag e   ac r o s s   L 2   is   – V in .   W h ile   S w itc h   i s   o n ,   m a g n et ic  e n er g y   is   s to r e d   in   i n d u cto r   L 1   f r o m   i n p u t  v o ltag e   an d   e n er g y   is   L 2  is   s to r ed   f r o m   C 1   W h e n   s w itc h   S 1   i s   tu r n ed   o f f ,   t h e  v o lt ag e  ac r o s s   in d u cto r   L 2   w ill  b e   Vo .   W h ile  S w itc h   is   o f f ,   th e  cu r r e n t  f lo w i n g   th r o u g h   L 1   al s o   f lo w s   t h r o u g h   C 1   an d   D 1   th e n   i n to   C 0   o n   t h e  lo ad .   T h e  r elatio n   b et w ee n   in p u t c u r r en t,  o u tp u t  cu r r en t,  in p u t v o lta g e,   o u tp u t  v o ltag e  a n d   d u t y   c y cle  ar e  ex p r ess ed   b elo w   (8 - 9) :     1 out DC V D VD   ( 8 )     1 DC out I D ID   ( 9 )     T h e  v alu e  o f   t h e  in d u cto r   is   s e lecte d   b ased   o n   th e  f o llo w i n g   ( 1 0 ) :     ( m i n ) m a x 12 * * in i s w VD L L L If   ( 1 0 )     w h er e  Δ I i  is   t h e  p ea k - to - p ea k   v al u e  o f   r ip p le  cu r r e n t  at   th e   m i n i m u m   in p u t  v o ltag e   an d   f s w   is   th e   s w i tch i n g   f r eq u en c y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       I n tellig en t tu n ed   P I D  co n tr o ller   fo r   W in d   E n erg y  C o n ve r s io n   S ystem  w ith …  ( T.   Mu th u ku ma r i )   137   T h e  v alu e  o f   co u p li n g   ca p ac ito r   C 1   d ep en d s   o n   th e  R M S c u r r en t,  w h ic h   is   g i v en   b y   ( 1 1 ) :     () ( m i n ) * o u t D c s r m s o u t DC VV II V   ( 1 1 )     T h e  co u p lin g   ca p ac it o r   is   s ele cted   f o r   lar g e  v al u e  o f   () c s r m s I   w h e n   r ef er r ed   to   th e  o u tp u t  p o w er   o f   SEP I C .   T h e  v o ltag e  o f   t h e  ca p ac ito r   m u s t b e  g r ea ter   t h an   t h e  m ax i m u m   i n p u t v o lta g e   ( 1 2 ) .     m a x 1 1 * * out c sw ID V Cf    ( 1 2 )     T h e  o u tp u t c ap ac ito r   is   s elec te d   to   h an d le  th e  lar g e  v al u e  o f   r ip p le  cu r r en t.       4.   M AXI M U M   P O WE R  P O I NT   T RA CK I N G   AL G O R I T H M   Var iab le  Sp ee d   W in d   E n er g y   C o n v er s io n   S y s te m   ( VSW E C S)  i n te g r ated   w it h   p o w er   elec tr o n ic   co n v er ter s   ar e  b ec o m in g   m o s t  p o p u lar   n o w ad a y s   b ec au s e  o f   m ax i m u m   p o w er   p o in t   tr ac k in g   ( MP PT )   alg o r ith m .   Fo r   an   u n co n tr o lle d   th r ee - p h ase  d io d e  r ec ti f ier   t h e  o u tp u t  v o lta g e  V dc   is   d ir ec tl y   p r o p o r tio n al  to   th e  p h ase  v o lta g e  g e n er ated   b y   th e  P MSG  [ 1 4 ] . Hen ce   th e  g en er at ed   p o w er   /p h ase  is   g i v e n   b y   ( 1 3 ) :     rf g e n d c f e a kI P V k I R   ( 1 3 )     w h er e :   e is   th e  elec tr ical  a n g u lar   s p ee d .   f I   is   th e  f iled   cu r r en t.   dc V   is   th e  d io d e  r ec tif ier   o u tp u t  v o ltag e.   r is   th e  a n g u lar   v e lo cit y   o f   th e  r o to r .   a R   is   th e  ar m a tu r e  c u r r en t.     V dc   is   a  f u n ctio n   o f   f ield   cu r r en t  an d   elec tr ical  an g u lar   s p ee d .   E x tr ac ted   p o w er   f r o m   th e  w i n d   ca n   b e   co n tr o lled   b y   v ar y i n g   Vd c.   Fro m   th e  c h ar ac ter is tic s   o f   w i n d   tu r b in e   ( 1 4 - 15)     0 m e c h r dP d   (1 4)     . . 0 d P d P d V d m e c h m e c h d c e d d V d d r e r dc    ( 1 5 )     T h en   ( 1 6 )     0 m e c h dc dP dV   ( 1 6 )     Fro m   ( 1 6 ) ,   it  i s   clea r   th at   t h e  m ax i m u m   p o w er   e x tr ac tio n   [ 1 5 ]   d ep en d s   o n   V dc   i n   a   s i n g le  p o in t.  T h e   m ax i m u m   p o w er   ca n   b e  tr ac k ed   b y   s ea r ch in g   r ec ti f ier   p o w e r ,   in s tead   o f   w i n d   s p ee d   an d   a  d i r ec tio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  8 ,   No .   1 ,  Ma r ch   2 0 1 9   :    1 3 3   –   145   138   First,  in i tiate  t h e  s tep   an d   s ea r ch   p o in t  alg o r it h m .   Se t  th e  r ef er en ce   D C   v o lta g e  V ref .   T h en   m ea s u r e   th e  D io d e  r ec tif ier   o u tp u t   v o l tag e  a n d   c u r r en t,  ca lc u late  th e  DC   o u tp u t   p o w er   P dc =I dc  V dc .   Nex t   i n cr ea s e  o r   d ec r ea s e  th e  V ref   v o lta g e  ac co r d in g   to   f lo w   c h ar t s h o w n   i n   F i g u r e  3 .   T h e  n e w   r e f er en ce   D C   v o lta g e   is   g i v en   b y   th e  f o llo w in g   ( 1 7 ) :   ( ) ( 1 ) r e f r e f d c V n V n V   ( 1 7 )     T h en   th e  n e w   DC   p o w er   is   ca l cu lated   as   ( 1 8 ) :     ( ) ( ) . ( ) d c d c P n I n V n   ( 1 8 )     C o m p ar e  P   ( n )   w i th   P   ( n - 1 ) .   Dep en d in g   u p o n   th e  w i n d   s p ee d   co n d itio n s   t h e  f o llo w i n g   co n d itio n s   s h o u ld   b e  m e t.   T h e  p r o ce s s   w i ll  co n tin u e  u n ti l  th e   m a x i m u m   p o w er   is   r ea c h ed .   Fo r   th e   cu t  i n   s p ee d   to   r a ted   s p ee d ,   MP PT   ex tr ac ts   m a x i m u m   p o w er   f r o m   th e   tu r b i n e.   T h e  SE P I C   is   u s ed   to   r eg u late   t h e  D C   v o ltag e  ac r o s s   t h e  ca p ac ito r   C 0 .   I n   th e   p r o p o s ed   m o d el,   MP PT   co n tr o ller   is   u s ed   to   d eliv er   t h e  r e f er en ce   D C   v o ltag e,   w h ic h   is   co m p ar ed   w it h   th e  ac t u al  D C   o u tp u t v o lta g e  f r o m   t h e  SEP I C .           Fig u r e  3 .   MP PT  alg o r ith m         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       I n tellig en t tu n ed   P I D  co n tr o ller   fo r   W in d   E n erg y  C o n ve r s io n   S ystem  w ith …  ( T.   Mu th u ku ma r i )   139   5.   M E T H O DS O F   T UNIN G   P I D  CO NT RO L L E R   A   P I D  co n tr o ller   is   a  clo s e d   lo o p   f ee d b ac k   s y s te m   m ai n l y   u s ed   in   i n d u s tr ial  co n tr o l  s y s te m s .   I t  co n tin u o u s l y   ca lc u lates  t h e   v alu e  o f   er r o r   as  th e  d if f er e n ce   b et w ee n   th e  r e f er en ce   v a lu e  an d   m ea s u r ed   v ar iab le  an d   ap p lies   a  co r r ec tio n   d ep en d s   o n   th e  P I D  p ar a m eter s   o f   K p ,   K i   an d   K d .   T h e  p r o ce s s   o f   o b tain i n g   th e  P I D  co n tr o ller   p ar am eter s   in   o r d er   to   g et  d esire d   o u tp u t f r o m   t h e  s y s te m   ca lled   t u n in g .       5 . 1 .     St a nd a rd  P I D  co ntr o ller   T h e  m at h e m atica l r ep r esen tati o n   o f   co n tr o l si g n al  p r o v id ed   b y   P I D  co n tr o ller   is   g i v e n   b y   ( 1 9 - 20) :     1 ( ) ( ) ( ) ( ) pd i d e t u t K e t e t d t T T d t      ( 1 9 )   b u t p i i K K T , d p d K K T   th en   ( 1 7 )   b ec o m e s   () ( ) ( ) ( ) p i d d e t u t K e t K e t d t K dt   ( 2 0 )   w h er e    T i  is   th e  in teg r al  ti m e  co n s tan t.   T d   is   th e  d er iv ativ e  ti m e  co n s t an t.     Fig u r e  4   s h o w s   t h e  b lo ck   d iag r a m   o f   co n v en t io n al  P I D  co n tr o ller .           Fig u r e  4 .   B lo ck   d iag r a m   o f   co n v e n tio n al  P I D  co n tr o ller       5 . 2 .     F uzzy   lo g ic  ba s ed  P I D  ( F uzzy - P I D)   I t  is   d if f ic u lt  to   m ee t  th e  d es ir ed   co n tr o l  p er f o r m a n ce   b y   u s i n g   C o n v en tio n al  P I D  co n tr o ller   w it h   ti m e  d ela y s ,   u n k n o w n   n o n - l in ar ites ,   an d   ch a n g e  i n   s y s te m   p ar am eter s .   Hen ce ,   i n   o r d er   t o   ac h iev e  r eq u ir ed   p er f o r m a n ce ,   au to m atic  t u n in g   o f   P I D  p ar am eter s   i s   n ee d e d .   T h e  au to m atic  t u n in g   h a s   b ee n   d o n e  b y   u s i n g   f u zz y   lo g ic  co n tr o l.  T h e  b lo ck   d iag r a m   o f   a   f u zz y   P I D  co n tr o ller   s h o w n   i n   F ig u r e  5 .   Fig u r e  6   s h o w s   t h e  b lo ck   d iag r a m   o f   t h e  f u zz y   lo g ic  co n tr o ller .               Fig u r e  5 .   B lo ck   d iag r a m   o f   F u zz y - P I D  co n tr o ller   Fig u r e  6 .   B lo ck   d iag r a m   o f   f u zz y   lo g ic  co n tr o ller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  8 ,   No .   1 ,  Ma r ch   2 0 1 9   :    1 3 3   –   145   140   Fu zz y   lo g ic  co n tr o ller   co n t ain s   f u zz if icatio n   s y s te m ,   r u le  b ase  f u zz y   in f er en ce   s y s te m   a n d   d ef u zz i f icatio n   s y s te m .   F u zz i f icatio n   is   t h e  p r o ce s s   o f   co n v er tin g   t h e  in p u t  v al u e s   in to   f u zz y   v alu e s .   T h en   f u zz y   v a lu e s   ar e  p r o ce s s ed   b y   f u zz y   i n f er en ce   s y s te m   as  p er   th e  r u le  b ase.   I n   th e  d ef u zz if icatio n   p r o ce s s ,   f u zz y   v alu e s   ar e  c o n v er ted   b ac k   i n to   e x ac t v al u e s   [ 1 7 ] .   T h e  in p u t  to   th e  f u zz y   lo g ic  co n tr o ller   ar e  th e  er r o r   e( t )   a n d   d er iv ativ e  o f   er r o r   Δ e( t) .   T h e  o u tp u t  f r o m   t h e  co n tr o ller   ar e  p r o p o r tio n al  g a in   K p ,   in te g r al  g ai n   K i   an d   d er iv ati v e  g ai n   K d .   T h e  i n p u t  v ar iab les  a n d   o u tp u t  v ar iab les  h a v e  s e v e n   m e m b er s h ip   f u n ct io n s .   T h e  m e m b er s h ip   f u n ctio n s   ar e  Z   ( ze r o ) ,   S P   ( Sm all   P o s itiv e) ,   SN  ( S m all   Ne g ati v e) ,   MP   ( Me d iu m   P o s itiv e) ,   MN   ( Me d iu m   Ne g ati v e) ,   V P   ( Ver y   P o s iti v e) ,   VN  ( Ver y   Ne g ati v e) .   T h e  m e m b er s h ip   f u n ct io n s   o f   er r o r   e( t)   an d   d er iv ativ e  o f   er r o r   Δ e( t)   ar e  s h o w n   i n   Fi g u r e  7   a n d   F i g u r e  8 .   T h e  m e m b er s h ip   f u n ctio n   f o r   o u tp u t   Kp ,   Ki,   a n d   Kd   is   s h o w n   in   F ig u r e  9 .   T h e  r u le   b ase  f o r   th e  f u zz y   P I D  s h o w n   in   T ab le  1 .               Fig u r e  7 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   f o r   er r o r   e  ( t)   Fig u r e  8 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   f o r   er r o r   Δ e  ( t)           Fig u r e  9 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   f o r   o u tp u ts   K p ,K i,   an d   K d       T ab le  1 .   R u le  b ase  f o r   Fu zz y   P I D   Er r o r   e ( t )   D e r i v a t i v e   o f   e r r o r   Δe   ( t )   VN   MN   SN   Z   SP   MP   VP   VN   VP   VP   MP   SP   SP   Z   SN   MN   MP   MP   MP   SP   SP   Z   SN   SN   MP   MP   MP   SP   Z   SN   SN   Z   MP   MP   SP   Z   SN   MN   MN   SP   SP   SP   Z   SN   SN   MN   MN   MP   SP   Z   SN   MN   MN   MN   BP   VP   Z   SN   MN   MN   MN   VN   VN             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       I n tellig en t tu n ed   P I D  co n tr o ller   fo r   W in d   E n erg y  C o n ve r s io n   S ystem  w ith …  ( T.   Mu th u ku ma r i )   141   5 . 3 .     ANF I S ba s ed  P I D  ( AN F I S - P I D)   A d ap tiv e  Neu r o   F u zz y   I n f er e n ce   s y s te m   i s   a  s p ec ial  t y p e  co n tr o ller ,   w h ich   co m b in e s   a n   ar tific ial   n eu r al  n et w o r k   a n d   f u zz y   lo g ic  co n tr o ller .   Fi g u r e  1 0 .   s h o w s   t h e  b lo ck   d ia g r a m   o f   A N FIS  b ased   P I D  f o r   clo s ed   lo o p   co n tr o l  o f   SEP I C .   A NFI S   h a s   t h e   ab ilit y   to   a u to m atica ll y   tu n e  th e   p ar a m eter s   f o r   P I D  co n tr o ller .   Fo r   th e  A N FIS,   th e  T ak ag i  S u g en o   m o d el  is   d ev elo p ed   w it h   th e  u s e  o f   i n p u t  o u tp u t  ( I O)   d ata  s et.   T h e  I O  s et   h as b ee n   co n s id er ed   f r o m   a  co n v e n tio n al  tu n i n g   o f   P I D  co n tr o ller .   T h e  in p u t s   to   t h e  A N FIS  co n t r o ller   ar e  th e  er r o r   s ig n al  e  ( t)   an d   th e   d er iv ati v e  o f   er r o r   s ig n al  Δ e  ( t) .   T h e  o u tp u t  f r o m   t h e  A N FIS  co n tr o ller   ar e  th e  p ar a m eter s   f o r   P I D  co n tr o ller   s u c h   as  p r o p o r tio n al  g ain   Kp ,   in te g r al  g ai n   Ki  a n d   d er iv ativ e   g ain   Kd .   Fi g u r e  1 1   s h o w s   th e  A N FIS  s tr u ctu r e  m o d el  o f   th e  p r o p o s ed   s y s te m .               Fig u r e  1 0 .   B lo ck   d iag r am   o f   A N FIS - P I D  co n tr o ller   Fig u r e  1 1 .   A NFI S  s tr u ct u r e       T h e  A N FIs a d ap tatio n   p r o ce s s   is   d o n e   i n   t w o   s tep s .   First,  t h e   co n s eq u e n t   p ar a m eter s   tr ain i n g   i s   d o n e   b y   lea s t  s q u ar e  m et h o d .   T h e  p r em i s e  p ar a m eter   is   f i x ed   at  th is   s tep .   Seco n d l y ,   b y   g r ad ie n t  d esce n t  p r in cip le  th e  ap p r o x i m atio n   er r o r   is   b ac k   p r o p ag ated   th r o u g h   ea ch   la y er   in   o r d er   to   u p d ate  th e  p ar a m eter s .   T w o   f u zz y   if   t h en   r u les  f r o m   T S  m o d el  ar e  r ep r esen ted   b y   ( 2 1 ) , ( 2 2 ) :   R u le  1 : I f   ( X  i s   A 1 )   an d   ( Y  is   B 1 )   th en       ( 2 1 )     R u le  2 : I f   ( X  i s   A 2 )   an d   ( Y  is   B 2 )   th en         ( 2 2 )     T h e  o v er all  o u tp u t f r o m   ANFI S is       ( 2 3 )       6.   SI M UL AT I O N  R E S UL T S   T h e  d esig n ed   in te lli g en t   tu n ed   P I D  co n tr o ller   w it h   V SW E C S  a n d   AC - DC - AC   c o n v er ter   i s   i m p le m en ted   u s i n g   M A T L A B /Si m u li n k   s o f t w ar e  to o l.  T h e  s i m u lat io n s   h av e  b ee n   p er f o r m ed   b y   m ai n tai n i n g   th e  co n s ta n t  p itc h   an g le.   I n   o r d er   to   an al y ze   th e  V SW E C S ,   th e  s tep   ch an g e  i n   w in d   s p e ed   is   g iv e n   as  t h e   in p u t  to   t h e  p r o p o s ed   s y s te m .   T h e  s tep   ch an g es  i n   w i n d   s p ee d   w ith   r e s p ec t  to   ti m e  s h o w n   in   F ig u r e  1 2 .   W ith   th e  v ar iatio n   o f   w i n d   s p ee d ,   th e  F ig u r e  1 3   to   F ig u r e  1 5   s h o w   th e  D io d e  r ec tif ier   o u t p u t  v o lta g e,   SEP I C   o u tp u t  v o lta g e  w it h o u t  co n tr o ller s .   T h e  co n tr o lled   o u tp u t   v o ltag e  f r o m   SEP I C   i s   g i v en   to   th e  in v er ter .   T h e  o u tp u t  w a v e f o r m   o f   i n v er ter   is   s h o w n   in   Fig u r e  1 6 .       1 1 1 1 f p X q Y r 2 2 2 2 f p X q Y r 4 0* i i i i i i Wf i W X f W  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  8 ,   No .   1 ,  Ma r ch   2 0 1 9   :    1 3 3   –   145   142           Fig u r e  1 2 .   Step   ch an g e  i n   w i n d   s p ee d   Fig u r e  1 3 .   Dio d e  r ec tif ier   o u tp u t v o lta g e  f o r   v ar iab le  w i n d   s p ee d             Fig u r e  1 4 .   SEP I C   o u tp u t v o lta g e  w it h o u t c o n tr o ller   Fig u r e  1 5 .   SEP I C   o u tp u t v o lta g e  w it h   A NFI S - P I D  co n tr o ller       T h en   th e  o u tp u t  v o lta g e  f r o m   i n v er ter   i s   g iv e n   to   t h e  g r id   o r   lo ad   th r o u g h   t h e  t h r ee   p h ase  tr an s f o r m er .   W ith   t h e  s i m u lat io n   s t u d y ,   v ar iab le  v o ltag e,   a n d   v ar iab le  f r eq u e n c y   o b tain ed   f r o m   V SW E C S   w a s   co n v er ted   as  co n s tan t  v o ltag e  ( 4 0 0   Vo lts )   an d   co n s tan t  f r eq u en c y   ( 5 0 Hz)   b y   in tel li g en t  t u n in g   o f   P I D  co n tr o ller   s u c h   as  F u zz y - P I D,   an d   ANFI S - P I D.   T h e  g r id   v o ltag e  an d   g r id   cu r r en t  o b tain ed   f r o m   t h e  p r o p o s ed   m o d el  i s   s h o w n   i n   F i g u r e  1 7   an d   F ig u r e  1 8 .   T h e  co m p ar is o n   o f   p er f o r m a n ce   o f   SEP I C   b ased   o n   in telli g e n t   tu n ed   P I D  co n tr o ller   f o r   VSW E C S s h o w n   i n   T ab le  2 .   I t  is   in f er r ed   th at  ANFI S - P I D  s y s te m   p r o d u ce s   s m o o t h er   o u t p u t  w it h   les s   p ea k   o v er s h o o t  a n d   T HD.   T h e  s te ad y   s tate  er r o r   al m o s t  ze r o   f o r   all  th e  co n tr o ller s .   T h e  d if f er en t  p er f o r m an ce   s p ec i f icatio n s   h av e  b ee n   i m p r o v ed   u s in g   t h e  in te lli g en t  P I D  tu n i n g   m et h o d s   b u t  t h e  r is e  ti m e  i s   les s   in   ca s e  o f   co n v e n tio n al  P I D  tu n in g .   T h e  p er f o r m a n ce   o f   f u zz y   lo g ic  co n tr o lle r   is   co m p ar ativ el y   b etter   th a n   t h at  o f   th e  co n v e n tio n a l  P I D  co n tr o ller .   T h e  b est p er f o r m a n ce   in   ter m s   o f   v o lta g e,   f r eq u en c y ,   T HD,   s ettlin g   ti m e  a n d   p ea k   o v er s h o o t g i v e n   b y   A N FIS - P I D.   T h is   is   b ec au s e  o f   t h e  co m b i n ed   ad v an ta g e s   o f   Ne u r al  n et w o r k   an d   f u zz y   u s ed   i n   t h e  ANFI S   co n tr o ller .                 Fig u r e  1 6 .   I n v er ter   o u tp u t v o lt ag e   Fig u r e  1 7 .   Gr id   v o ltag e       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.