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 RA )   Vo l.   6 ,   No .   3 Sep tem b er   201 7 ,   p p .   2 1 6 ~ 2 2 6   I SS N:  2089 - 4 8 5 6 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r a. v 6 i3 . p p 2 1 6 - 22 6          216       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RA   M o del P redic tive  Co ntrol o Wind - Photo v o ltaic H y b rid Sys te m   Co nnected  t o   G ri d       H o ud a   Abid i 1 Ab del k a der  M a m i 2   1 Esp rit   S c h o o o f   En   En g i n e e rin g ,   T u n is,   T u n isia   2 Un iv e rsit y   T u n is  El   M a n a r,   L a b o ra to ire d ’A p p li c a ti o n   d e   l’E f f ica c i té E n e rg é ti q u e   e d e s E n e rg ie s Re n o u v e lab les ,   LA P ER,   F S T ,   T u n isia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   2   2017   R ev i s ed   A u g   4 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   A u g   1 8 ,   2 0 1 7       T h is  w o rk   f o c u se o n   M o d e b a se d   P re d ictiv e   Co n tro ( M P C)   f o p h o to v o lt a ic - w in d   h y b rid   e n e rg y   s y ste m   c o n n e c ted   to   e lec tri c a g rid S e v e ra l   b e n e f it a re   o ff e re d   b y   th is  m e th o d   s u c h   a ro b u st n e ss   a g a in st  a   p a ra m e ter   v a riatio n s ,   m in im u m   o u tp u c u rre n d isto rt io n   a n d   e x c e ll e n t   re f e r e n c e   trac k in g In   o rd e to   m in im iz e   t h e   c o st  f u n c ti o n   o th e   e rro b e tw e e n   th e   p re d icte d   v a lu e a n d   th e ir  re f e re n c e s ,   M P C - b a se d   a lg o rit h m   p e rm it   to   se le c t   a n d   a p p ly   th e   o p ti m a l   v o lt a g e   v e c to r.   S im u latio n   re su lt u n d e P sim   e n v iro n m e n sh o w   a   fa st  d y n a m i c   b e h a v io r   o f   h y b rid   s y ste m   w it h   m in i m a l   e rro rs,  a c c u ra c y   a n d   u se f u ln e ss   o f   th e   c o n sid e re d   c o n tr o a p p ro a c h .   K ey w o r d :   H y b r id   s y s te m   P h o to v o ltaic  s y s te m   P MSG   P r ed ictiv co n tr o l   W in d   tu r b in   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o 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 rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ho u d A b id i,    E s p r it Sch o o l o f   E n   E n g i n ee r i n g ,       Un i v er s it y   T u n i s   E l M an ar ,   T u n i s ia.   E m ail:  L aa b id i_ h o u d a @ y a h o o . f r       1.   I NT RO D UCT I O N   A p p licatio n s   w it h   n at u r al  r es o u r ce s   s u c h   a s   w i n d   e n er g y   a n d   p h o to v o ltaic   e n er g y   h av e   b ec o m e   th e   m aj o r   p r o m is i n g   tec h n o lo g ies .   T h ey   h a v b ee n   i m p r o v ed   s ig n if ican t l y   in   th e   last   d ec ad es  d u to   th e   h i g h   p etr o leu m   p r ices,  t h h ar m f u l   ef f ec ts   ca u s ed   b y   co n v e n tio n al  p o w er   s o u r ce s   o n   th e   p lan et  a n d   i n cr ea s i n g   en er g y   d e m an d   [ 1 ] .   W in d   t u r b in co n v er ts   k i n etic   w i n d   en er g y   to   m ec h a n ical  e n er g y   a n d   th en   to   elec tr ical   en er g y   t h r o u g h   g en er ato r s .   F ir s tl y ,   w i n d   t u r b in es o p er ate  at  co n s ta n t sp ee d   w h ich   i s   s et  b y   th g r id   f r eq u e n c y .   T h Fix ed - s p ee d   w i n d   tu r b in e   co n f i g u r at io n s   ar e,   g e n er all y ,   d r iv en   b y   i n d u ctio n   g e n er ato r s   co u p led   d ir ec tly   to   g r id .   T h is   k in d   o f   s y s te m   p r esen ts   n u m b er   o f   d is ad v a n t ag es  is   t h at  th r ea ctiv p o w er   as  w ell  as  th g r id   cu r r en t le v el  ca n n o t b co n tr o lled .     T h h ig h   g r o w t h   o f   s e m ico n d u cto r s   co n tr ib u tes   th e   p o s s i b ilit y   f o r   w i n d   t u r b in e s   to   o v er co m e   th e   tu r b in f i x ed   s p ee d   d r a w b ac k s   b y   d e v elo p in g   v ar iab le  s p ee d   g en er ato r   o p er atio n s .   Di f f er en t   t y p e s   o f   AC   g en er ato r   ca n   b u s ed   in   w i n d   p o w er   co n v er s io n   s y s te m s ,   u s u all y   i n d u ctio n   g en er ato r s   ar ap p lied   s u ch   a s   s q u ir r el - ca g i n d u c tio n   g e n er ato r s   ( SC I G)   [ 2 ]   an d   w o u n d   r o to r   [ 3 ]   o r   s y n c h r o n o u s   g en er ato r s   ( 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   ( P MSG)   [ 4 ]   o r   f ield   w in d i n g   g en er ato r ) .   P MSG   i s   co n s id er ed   as  an   attr ac ti v e   ch o ice  i n   t h w i n d   p o w er   ap p licatio n   s tr u c tu r es   d u e   to   it s   h ig h   e f f icien c y   e lectr o n ics ,   lo wer   o p er atin g   s p ee d ,   ab s en ce   o f   g ea r b o x   a n d   ea s e   o f   m ai n ten a n ce .   Ma n y   a u t h o r s   h av e   b ee n   f o c u s i n g   o n   p h o t o v o ltaic  s y s te m ,   to   test   th p er f o r m an ce s   an d   th ef f ic ien c y   o f   P g e n er ato r p o w er   elec tr o n ics  ar n ec e s s ar y   to   o b tain   t h e   m ax i m u m   p o w er   b y   e x ec u tin g   th MP PT   alg o r ith m s .   P ar ticu lar l y ,   p h o to v o ltaic  a n d   w i n d   g en er atio n   s y s te m s   h a v en h a n ce d   t h eir   e m p lo y m en t   in   h y b r id   co n f i g u r atio n s .   T h co n s id er ed   co m b i n atio n   i s   o n o f   th m o s ef f icie n k e y   u s ed   as  g r i d - co n n ec ted   en er g y   s y s te m s   o r   a n   i s o lated   lo ad   t o   s u p p l y   p o w er .   At  p r ese n t,  m an y   in v e s tig a tio n s   h av e   b ee n   ca r r ied   o u t   o n   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l o f Win d - P h o to v o lta ic  Hyb r id   S ys tem  C o n n ec ted   to   Gri d   ( Ho u d a   A b id i1 )   217   PV - w in d   h y b r id   s y s te m   [ 5 ]   d ea ls   w ith   a   m o d eli n g   a n d   co n tr o tech n iq u f o r   m icr o - g r id   f ed   m ai n l y   b y   s o lar   an d   w i n d   e n er g y   r eso u r ce s .   I n   [ 6 ] ,   in telli g en t   C o n tr o ller   is   ap p lied   to   co n tr o t h d is tr ib u ted   e n er g y   s y s te m   in cl u d in g   r e n e w ab le  e n er g y   s o u r ce s .   i n   [ 7 ] ,   h ig h   p er f o r m an ce   o f   W in d - P h o to v o ltaic  h y b r id   S y s te m   p o w er   g en er atio n   is   test ed   u s i n g   DFI ( Do u b l y   Fed   I n d u ctio n   Ge n er ato r )   f ed   b y   m u lti lev el  i n v er ter   s tr u ctu r e.   T h s y s te m   p er f o r m a n ce   b ased   m ain l y   o n   t h co n tr o s tr ate g ie s   ad o p ted   f o r   t h r ee   p h a s i n v er ter s   co n n ec ted   to   elec tr ical  g r id .   C o n s eq u en tl y ,   m an y   co n tr o l a p p r o ac h es f o r   i n v er ter   h a s   b ee n   s t u d ied   in   s e v er al  liter atu r e s .   Am o n g   th e m   th e   m o s tr ad itio n all y   tec h n iq u e s   b ased   o n   li n e ar   co n tr o ller s   ar Field   Or ie n t ed   C o n tr o l   ( FOC )   [ 8 ]   an d   Vo lta g Or i en ted   C o n tr o ( VOC)   [ 9 ]   w h ich   ar ac h iev ed   b y   m ea n s   o f   co n v e n tio n a l   P r o p o r tio n al - I n te g r al  ( P I )   co n tr o ller .   T h ese  s tr ate g ies  ar wid el y   u s ed   in   p o w er   s y s te m s   d u to   th eir   s i m p l e   s tr u ct u r es.  A lt h o u g h ,   o n o f   t h m o s r e m ar k ab le  d r a w b ac k s   is   its   h i g h l y   d ep en d en ce   o n   m ac h in p ar a m eter   v ar iatio n s .   A n o t h er   t y p o f   c o n tr o ller s   m e n tio n ed   b y   s o m e   au th o r s   t h o s ar b ased   o n   n o n - li n ea r   h y s ter esi s   co n tr o l su c h   as Dir ec t P o w er   C o n tr o l ( DP C )   [ 10 ]   an d   Dir ec t   T o r q u C o n tr o l ( DT C ) .     T h m ai n   d is ad v a n tag e s   is   t h v ar iatio n   o f   t h r esu l tin g   s w i tch i n g   f r eq u e n c y   w h ic h   ca u s e s   th e   h ar m o n ic  d is to r tio n s   o f   g r id   cu r r en ts .   Am o n g   d i f f er en tec h n iq u es,   m o d el  p r ed ictiv co n tr o l   is   o n e   of   t h m o s t   r o b u s t   s tr ate g y   f o r   co n tr o llin g   th u n ce r tain   n o n lin ea r   s y s te m s   [ 1 1 ] - [ 1 2 ] .   Sev er al  b en ef i ts   ar o f f er ed   b y   th is   m et h o d   s u c h   as  a   h i g h   r eliab ilit y ,   lo w   s en s iti v it y   ag ai n s p ar a m eter   v ar iat io n s ,   f as d y n a m ic  r esp o n s e   an d   its   ea s y   d es ig n   an d   i m p le m en tatio n   T h is   p ap er   ai m s   to   an al y ze   t h b eh a v io r   o f   g r id   co n n ec ted   h y b r id   s y s te m   u n d er   th d if f er en cli m atic  co n d itio n s .   T h s tu d y   is   o r g a n ized   as  f o llo w s t h P V - w i n d   s y s te m   s tr u ct u r is   f ir s tl y   in tr o d u ce d .   T h en   th s y s te m   co m p o n e n ts   m o d eli n g   is   d etailed   in   t h s ec o n d   s ec tio n ,   w h er ea s   s ec t io n   I I I   p r esen ts   t h co n tr o s y s te m .   Sectio n   I g iv e s   s i m u latio n   r esu l ts   a n d   d is cu s s io n s   o f   t h i s   s tu d y   a n d   th w o r k   is   co n cl u d ed   in   th las t sectio n         2.     PV - WI ND   H YB RID SY ST E M   ARCH I T E C T UR E       T h p r o p o s ed   P V/w i n d   h y b r id   p o w er   s y s te m   i s   d etailed   i n   Fi g u r 1 .   I co n s is ts   o f   P ar r a y   an d   w i n d   tu r b in as  e n er g y   s o u r ce s .   T h P m o d u les  ar co n tr o lled   b y   DC /DC   co n v er ter   u s in g   b o o s cir cu it   in   o r d er   to   r ea ch   th e   m a x i m u m   p o w er ,   alth g o u h   t h v ar iab le  s p ee d   w i n d   t u r b in i s   co u p led   to   P er m a n en t   Ma g n e t   S y n ch r o n o u s   Ge n er ato r   ( P MSG)   to   f ee d   a   t h r ee   p h ase   r e ctif ier s .   T h t w o   e n er g y   s o u r ce s   ar co m b in ed   i n   p ar allel  to   DC - lin k   v o lta g e   w h er g r id   in ter f ac e   in v er t er   an d   RL   f i lter   ar e   r eq u ir ed   to   d eliv er   th to tal  p r o d u ce d   p o w er   to   t h e   elec tr ic al  g r id         B o o s t M P P T   C o n t r o l l e r     R e c t i f i e r S G S C     C o n t r o l G S C     C o n t r o l                   I n v e r t e r F i l t e r   P V   m o d e l e P M S G S o l a r   i r r a d i a n c e   G r i d W i n d T u r b i n e P d / d t ω r * ω r i g ( a , b , c ) V g ( a , b , c ) V d c V d c * i g d q * i s ( a , b , c ) C C p v I p v V p v S g a S g b S g c S S s a S s b S s c     Fig u r 1 .   Stru ct u r o f   PV - w i n d   h y b r id   s y s te m   co n n ec ted   to   g r id             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   201 7   :   2 1 6     22 6   218   3.   SYST E M   M O DL L I N G     3 . 1 .      P m o du le  m o del   T h f u n d a m en tal  ele m e n o f   P m o d u le  is   t h s o lar   ce ll  w h ich   i s   r ep r esen ted   b y   cu r r e n t   s o u r ce   in   p ar allel  w it h   s i n g le   d io d e,   s er ies  r esis ta n ce         an d   s h u n r esis ta n ce         [ 1 3 ] .   T h m ath e m a tical  eq u atio n   f o r   v o ltag a n d   cu r r en t o f   P ce ll c an   b w r it ten   as  f o llo w s :                                   ( 1 )                           (               )                                                                                       ( 2 )     W h er        is   th s h o r t - cir c u it  cu r r en d u to   p h o to n s   ( A ) ,         is   th d io d e   cu r r en t,        is   th d io d r ev er s e   s atu r atio n   cu r r e n ( A ) ,       is   th e   j u n ctio n   co n s ta n t,      is   t h e lectr o n   ch ar g (     1 . 6   x   1 0 - 19   C ) ,       is   t h e   B o ltzm a n n   co n s tan (     1 . 3 8 0 6 5 0 5   x   1 0 - 23   J /K) ,       is   t h ce ll  te m p er atu r ( in   Kelv in )        is   th r at ed   cu r r en t   at  m ax i m u m   p o w er   p o in t ( MP P )   ( A ) ,          is   t h r ated   v o ltag at  m ax i m u m   p o w er   p o in t ( MP P )   ( V)     3 . 2 .      Wind   t urbin m o del     T h m ec h a n ical  p o w er   p r o d u ce d   b y   th w in d   t u r b in ca n   b ca lcu lated   b y   t h f o llo w i n g   eq u atio n :                                (       )               ( 3 )     W h er     is   th air   s p ec i f ic  d en s it y   ( k g / m 3 ),         is   th w i n d   tu r b in r o to r   r ad iu s   ( m ) ,         is   th e   w i n d   s p ee d   ( m /s ) ,   C p   ( λ ,   β)  i s   th t u r b in p o w er   co ef f i cien t,      is   t h b lad p itch   an g le  a nd   λ   is   t h e   tip - s p ee d   r atio   w h ic h   is   ex p r ess ed   as [ 14 ]:                         ( 4 )   w h er       is   th r o to r   an g u lar   s p ee d   ( r ad /s ) .   Ma n y   p o w er   co ef f icie n ap p r o x i m a tio n s   ar m en t io n ed   in   liter atu r e,   a m o n g   t h ese  f o r m s   w c h o o s th i s   ex p r ess io n .         (       )       (                       )                             ( 5 )                                                     ( 6 )     T h co ef f icie n ts   ar e:                                                                                          .     T h m ec h a n ical  to r q u (     ex p r ess io n   ca n   b d ev elo p ed   as g i v en   i n   t h E q u atio n   ( 5 )                                                            ( 7 )     3. 3   P M SG   m o del   T h elec tr ical  m o d el  o f   t h P MSG  in   ( d ,   q )   r ef er en ce   f r a m e,   is   w r itte n   b y   t h f o llo w i n g   eq u atio n s :                                                ( 8 )                                              ( 9 )     {                                                  ( 1 0 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l o f Win d - P h o to v o lta ic  Hyb r id   S ys tem  C o n n ec ted   to   Gri d   ( Ho u d a   A b id i1 )   219   w h er        an d          ar e,   r esp ec tiv el y ,   th d - a x is   a n d   q - a x is   s tato r   v o ltag ( V) ,          an d          ar th d - ax is   an d   q - ax is   s tato r   cu r r en ( A ) ,         is   th s tato r   r esis tan ce   o f   w i n d in g s   ( ) ,               ar e   th in d u cta n ce   o f   s tato r   w i n d i n g s   ( m H) ,               is   th p er m a n en m a g n e tic  r o to r   f lu x   ( w b ) ,         elec tr ical  p u ls atio n   ( r ad /s )   an d       is   th e   n u m b er   o f   p o le  p air s   o f   th P MSG         T h ex p r ess io n s   o f   ac tiv a n d   r ea ctiv p o w er s   ar g i v e n   b y   :     {         (                       )         (                       )           ( 1 1 )     T h m ec h a n ical  eq u atio n   is   e x p r ess ed   as f o llo w s                                             ( 1 2 )     T h elec tr o m a g n et ic  to r q u o f   th P MSG  ca n   b ex p r ess ed   u s in g   t h f o llo w i n g   eq u atio n :                  (                                )     ( 1 3 )       4.   CO NT RO L   SYS T E M     4 . 1 .     M P P T   us ing   m o del pre dicitiv co ntr o l   b o o s co n v er ter   is   ap p lied   t o   co n tr o th e   I PV   cu r r e n i n   o r d er   to   ex tr ac t h m a x i m u m   p o w er   f r o m   th P s y s te m   as  s h o w n   i n   Fi g u r 2 .   T w o   s w itc h i n g   s tates  a r n ec ess ar y   f o r   p er f o r m i n g   th MPPT ,   w h en   t h e   s w itc h   is   o p en ed ,   S=1 ; a n d   w h en   th s w itc h   is   clo s ed ,   S=0 .         M P P T L I p v D S I L V p v C p v P V   m o d u l e   P r e d i c t i v e C o n t r o l I r e f V d c C     Fig u r 2 .   B lo ck   d iag r a m   o f   p h o to v o ltaic  co n v er ter       I n cr e m e n tal  C o n d u cta n ce   ( I NC )   alg o r ith m   i n p u t s   ar th V PV   v o lta g e,   I PV   c u r r en as  ill u s tr ated   i n   Fig u r e   3 .   T h co n s id er ed   M PP T   m et h o d   d eter m i n e s   th r e f er en ce   cu r r en I ref  at  w h ich   t h P m o d u le  m u s t   o p er ate  f o r   g iv e n   s o lar   ir r ad ian ce .   T h co s f u n ctio n s   g 0   an d   g 1   ar th e   th e   m aj o r   k e y   p ar a m eter s   o f   t h e   MP C ,   th e y   w il b ca lc u lated   f o r   b o th   s w itc h i n g   s tate s   a n d   o p f o r   th o n t h at  e n s u r e s   t h n ea r e s f u tu r p r ed icted   v alu to   th r ef er en c cu r r en t tr aj ec to r y .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   201 7   :   2 1 6     22 6   220   S t a r t R e a d   V P V ( k ) , I P V ( k )   d V   =   V P V ( k ) - V P V ( k - 1 )     d I   =   I P V ( k ) - I P V ( k - 1 ) d V = 0 N o Y e s Δ I   =   0         V P V ( k - 1 ) = V P V ( k )                 I P V ( k - 1 ) = I P V ( k )             Δ I   >   0 N o N o N o   I r e f = I r e f + Δ V   I r e f = I r e f - Δ V   I r e f = I r e f - Δ V   I r e f = I r e f + Δ V Y e s Y e s Y e s Y e s N o d I / d V =   - I P V / V P V R e t u r n S t a r t C a l c u l a t e   I P V ,   S = 0 , 1   ( k + 1 ) g 0 = a b s ( I r e f - I P V ,   S = 0 ) ; g 1 = a b s ( I r e f - I P V , S = 1 ) ; R e t u r n N o S = 1 S = 0 Y e s g 0 < g 1 d I / d V >   - I P V / V P V     Fig u r 3 .   Flo w c h ar t o f   I NC - M P C   alg o r ith m       4 . 2 .     P M SG - Sid Co nv er t er   c o ntr o l   T w o   ca s ca d co n tr o lo o p s   ar r eq u ir ed   as  s h o w n   i n   t h i s   F ig u r e   4 ,   th e   o u ter   s p ee d   co n tr o lo o p   is   ai m ed   to   co n tr o th P MSG  r o to r   s p ee d   v ia  P I   co n tr o ller   w h er ea s   an   MP C - b ased   in n er   cu r r en co n tr o lo o p   is   d esi g n ed   to   co n tr o d - a x i s   an d   q - ax i s   s tat o r   cu r r en t s .   T ab le  1   p r esen ts   ei g h t   d if f er e n s w itch in g   s tates   co m b i n atio n s   a n d   s ev e n   d if f er en v o lta g v ec to r s   d eli v er ed   b y   t h co n v er ter   w it h   t w o   co m b i n atio n s   (             )   th at  p r o d u ce   ze r o   v o ltag v e cto r .     T ab le  1.   Vo ltag Vec to r s   Gen er ated   b y   C o n v er t er         E q u atio n s   ( 1 4 )   an d   ( 1 5 )   ca n   b ex p r ess ed   as  f o llo w s   i n   o r d er   to   d escr ib th p r e d ictiv cu r r en co n tr o lle r   alg o r ith m :                           -                                  ( 1 4 )     S w i t c h i n g   s t a t e s   S sa   S sb   S sc   V o l t a g e   v e c t o r                                                                                                                                                                                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l o f Win d - P h o to v o lta ic  Hyb r id   S ys tem  C o n n ec ted   to   Gri d   ( Ho u d a   A b id i1 )   221                         -                                                            ( 1 5 )     E u ler - f o r w ar d   m et h o d   as  i n   (    )   is   u s ed   to   o b tain   d i s cr ete - t i m e   eq u atio n s   f o r   t h f u t u r p r ed icted   cu r r en t s   at  s a m p li n g   in s tan t k +1 f o r   ea ch   s w itc h i n g   p o s s ib ilit y   as s h o w n   i n   ( 1 7 )   an d   ( 1 8 )       ̇     (       )     (   )       ( 1 6 )         is   th c u r r en t sa m p li n g   i n s tan t a n d         is   th s a m p li n g   ti m e            (       )                 (   )   (     (              ) )      (   )                            (   )         ( 1 7 )            (       )                 (   )   (     (              ) )      (   )                            (   )                              ( 1 8 )     T h co s f u n ctio n   g   i s   th er r o r   b etw ee n   t h f u t u r p r ed icted   cu r r en v a lu a n d   its   r e f e r en ce   as  w r itte n   i n   eq u atio n   ( 1 9 )   ,   it  w ill  b ca l cu lated   f o r   ea ch   o f   th s ev e n   p o s s ib le  v o ltag v ec to r   g e n e r ated   b y   th th r ee   p h ases   r ec ti f ier   an d   ch o o s t h e   o n w it h   t h p r ed icted   cu r r en t   v alu clo s er   to   th d es ir ed   v al u e.         |                  (       ) |   |                  (       ) |   ( 1 9 )         R e c t i f i e r P M S G W i n d T u r b i n e ω r * ω r S s a d / d t θ i s { a , b , c } i s d q ( k ) i s q * i s d q P ( k + 1 ) λ o p t / R t P I   C o n t r o l l e r i s d * V d c V d c C P r e d i c t i v e   m o d e l   M i n i m i s a t i o n   o f   C o s t   f u n c t i o n 7 - + a b c - t o - d q T r a n s f o r m a t i o n S s b S s c P     Fig u r 4 .   MP C - b ased   co n tr o l f o r   Gen er ato r   Sid C o n v er ter         4 . 3 .     G rid - Sid Co nv er t er   co ntr o l   T w o   co n tr o lo o p s   ar n ee d ed   to   co n tr o th g r id   s id co n v er ter   ( GSC )   as  illu s tr ated   in   F ig u r 5 ,   i n   o n h a n d ,   a n   e x ter n a co n tr o lo o p   b ased   o n   P I   co n tr o ller   i s   u s ed   to   co n tr o t h d c - li n k   v o ltag e   w h er ea s   a n   in ter n a co n tr o lo o p   u s in g   p r ed ictiv co n tr o is   p r esen ted   o n   th o th er   h an d   to   co n tr o d - q - cu r r en tco m p o n e n t s   f o r   elec tr ical  g r id .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   201 7   :   2 1 6     22 6   222                 I n v e r t e r F i l t e r G r i d i g ( a , b , c ) v g ( a , b , c ) V d c C V d c i g d * V d c * - + P I   C o n t r o l l e r a b c - t o - α β T r a n s f o r m a t i o n a b c - t o - α β T r a n s f o r m a t i o n P L L M i n i m i s a t i o n   o f   C o s t   f u n c t i o n P r e d i c t i v e   m o d e l   S g a S g b S g c i g d i g q * θ i g q   Fig u r 5 .   MP C - b ased   co n tr o l f o r   Gr id   Sid C o n v er ter       Th o u tp u co n v er ter   v o lta g e   v ec to r s        (   ) an d        (   )   ar ca lcu lated   i n   s ta tio n ar y   ( α β)  r e f er en ce   f r a m e .   T h ey   ar d ep en d en o n   th d c - li n k   v o lta g e        an d   th e   s w itc h i n g   s i g n al s   o f   th G S C          (   )        (   )              (   ) .       [      (   )      (   ) ]            [                           ] [      (   )      (   )      (   ) ]       ( 2 0 )     T h o u tp u co n v er ter   v o lta g e   v ec to r s        (   ) an d        (   )   ar ex p r ess ed   in   d q   r ef er en ce   f r a m e:     [       (   )      (   ) ]   [        (   )         (   )           (   )        (   ) ] [      (   )      (   ) ]   ( 2 1 )     T h p r e d icted   d   an d   q   g r id   cu r r en co m p o n en t s   at   th s a m p lin g   in s tan ( k +1 )          (       )                  (       )   ar d escr ib ed   as:             (       )   (                 )      (   )                  (   )        (   )                         ( 2 2 )            (       )   (                 )      (   )                  (   )        (   )         ( 23)     W h er       is   th f ilter   r esis tan ce   an d       is   th f ilter   i n d u cta n ce .   T h co s f u n ctio n   g   w h ich   h a s   th s m al ler   v al u is   s elec te d   an d   th s w itc h i n g   s i g n a ls   c o r r esp o n d in g   to   th e   in s ta n k +1   o f   th c h o s e n   s ec ti o n   w ill b th co n tr o l si g n al.         |                  (       ) |   |                  (       ) |   ( 24)       5.   SI M UL AT I O R E S UL T S   I n   o r d er   to   v alid ate  th h y b r id   s y s te m   m o d el  an d   d em o n s tr ate  ef f ec ti v e n es s   o f   th p r o p o s ed   MP C - b ased   co n tr o tech n iq u f o r   p h o to v o ltaic  an d   w in d   s y s te m s ,   s i m u latio n   test s   ar b u ilt   o n   P SI So f t w ar e,   co n s id er in g   th s p ec if ica tio n   s y s te m   p ar a m eter s   t h at  ar s h o w n   i n   T ab le  2   an d   T ab le  3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l o f Win d - P h o to v o lta ic  Hyb r id   S ys tem  C o n n ec ted   to   Gri d   ( Ho u d a   A b id i1 )   223   T ab le  2 .   P ar am eter s   of   P h o to v o ltaic  Mo d u le   PA R A M E T E R   V a l u e   M a x i m u m   P o w e r   P o i n t     2 0 0 W   M a x i m u m   P o w e r   P o i n t   V o l t a g e     2 6 . 3 V   M a x i m u m   P o w e r   P o i n t   C u r r e n t     7 . 6 1 A   O p e n   C i r c u i t   V o l t a g e     3 2 . 9 V   S h o r t   C i r c u i t   C u r r e n t     8 . 2 1 A       T ab le  3 .   P ar am eter s   o f   W i n d   T u r b in Mo d el   PA R A M E T E R   V a l u e   R a t e d   P o w e r     2 0 k w   R a t e d   W i n d   S p e e d   1 0 m / s   B l a d e   R a d u i s   5   m       5 . 1 .     P a rr a y   s i m ula t io n t es t s   T h s i m u latio n   o f   P co n v er t er   p er f o r m an ce s   ar b ased   o n   s o lar   co n d itio n   lev e ls   a s   s h o wn   i n   Fig u r e   6   ( a) .   A t=0 . 2   s ,   ir r ad iatio n   lev el  is   in cr ea s ed   f r o m   7 0 0   to   l0 0 0   W /m 2   an d   d ec r ea s ed   f r o m   l0 0 0   W / m 2   to   4 0 0   W / m 2   at  t=0 . 5   s   b u t h te m p er a tu r T   is   k ep co n s ta n at  2 5 °C .   Fi g u r 6   ( b - c - d )   ill u s t r at es,   r esp ec tiv el y ,   t h e   o u tp u P cu r r en t,  v o lta g a n d   p o w er   b eh a v io r s   w h e n   f ac i n g   t h s o lar   ir r ad iatio n   v ar iati o n s .   T h p r o p o s ed   P p o w er   s y s te m   co n f ig u r ati o n   co n s i s ts   o f   3 6   P m o d u les   d is tr ib u ted   as  s e v e n tee n   b lo ck s   i n   s er ie s   an d   f i v e   ar r an g e m en t s   i n   p a r allel.   I ca n   b s ee n   th a t h g en er ated   p o w er   P p v   u s i n g   p r ed ictiv e   co n tr o ller   f o llo w s   t h e   r ef er en ce   p o w er   P m a x   w it h   a   g o o d   ac cu r ac y .   Ho w e v er   t h m ax i m u m   o u tp u t   cu r r en        is   h ig h l y   d ep en d en o n   cli m at ic  co n d itio n s   in   o r d er   to   o b tain   th o p ti m al  p o w er   v alu e.           Fig u r 6 .   P ar r ay   s i m u la tio n   r esu ltat s         5 . 2 .     G ener a t o Sid Co nv er t er   re s po ns e   Fig u r 7   illu s tr ate s   th o b tain ed   s i m u latio n   r es u lt s   o f   MP C - B ased   A p p r o ac h   f o r   th r ec ti f ier .   T h d if f er e n s i m u latio n s   ar co n d u cted   u n d er   t h w in d   s p ee d   w h ich   i s   d r o p p ed   f r o m   1 0   m /s   t o   6 m /s   at  t=0 . 3 s   an d   i n cr ea s ed   f r o m   6   m / s   to   8   m /s   at   t=0 . 7 s   as  s h o w n   i n   Fi g u r e. 7 ( a) .   T h m ec h a n ical  r o tatio n al   s p ee d   r esp o n s o f   th P MSG  r o to r   is   s h o w n   i n   Fig u r e7   ( b ) .   I ca n   b n o tic ed   th at  t h r o to r   s p ee d   is   well  m o n ito r ed   an d   co n tr o lled   ac co r d in g   to   th e   ca p tu r ed   w in d   v elo cit y   w i th   an   ac cu r ac y   a n d   g o o d   d y n a m ic  p er f o r m a n ce   ( 0 . 0 2 s ) .   I is   illu s tr ated   also   th at  th g en er ato r   to r q u T m   ca n   f o llo w   p r o p o r tio n all y   to   th e   ab r u p w i n d   s p ee d   v ar iatio n s   in   Fi g u r 7 ( c) .   P w   is   th m a x i m u m   p o w er   g e n er a ted   b y   th w i n d   tu r b in as  s h o w n   in   Fi g u r 7   ( d )   w it h   r ap id   d y n a m ic  r esp o n s e   ( 0 . 0 1 8 s ) .       400 600 800 1000 S 0 20 40 I p v 0 200 400 V p v 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 T i m e   ( s ) 0K 10K 20K P m a x P p v a   b   ( c)   ( d )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   201 7   :   2 1 6     22 6   224       Fig u r 7 .   P MSG  Sid C o n v er t er   s i m u latio n   r es u lta ts         5 . 3 .     T he  g ird sid inv er t er   re s po ns e   Fig u r 8   p r ese n ts   t h to tal   p r o d u ce d   p o w er   f r o m   t h e   P a r r ay   an d   w in d   tu r b i n e,   t h w i n d   t u r b in r ated   p o w er   o f   1 9 k W   is   ca lcu l ated   at  r ated   w i n d   v elo cit y   o f   1 0   m /s ,   w h ile  T h P V   r ated   p o w er   o f   1 8 . 8   k W   is   esti m ated   at  Stan d ar d   cli m ati co n d itio n s .   T h t h r ee   p h a s es  i n v er ter   s en d s   i n to   t h ele ctr ical  g r id   a l t h e   p o w er   g e n er ated   f r o m   t h s o lar   an d   w i n d   s o u r ce s   w er e   f u n ct io n i n g   at  m a x i m u m   p o wer   p o in t.T h ac tiv e   p o w er   an d   th s u m m ed   p o w er   ( P PV +P w )   ar co m p ar ed   to g th er .   T h d if f er en ce   b et w ee n   th e m   is   d u to   p o w e r   lo s s   i n   th e   h y b r id   s y s te m   ac ti v cir cu it   ele m en t s .   T h r ea cti v p o w er   i n j ec ted   to   t h g r id   is   s et  at   ze r o   in   o r d er   to   ac h ie v t h u n it y   p o w er   f ac to r   co n d itio n .   Fi g u r 9   s h o w s   t h d c - lin k   v o lta g c u r v e   s m all   o v er s h o o o cc u r s   d u r in g   cli m a tic  co n d itio n s   s et  p o in ts .   W h er e   as  it  ca n   b o b s er v ed   th at  d u r i n g   s tead y   s tate   ch ar ac ter is tic  th DC - b u s   v o ltag er r o r   is   eq u al   to   ze r o . I ca n   b d ed u ce d   th a t h i n j ec ted   g r id   cu r r en t s ,   d ep icted   in   Fi g u r 1 0   , h as  a   s i n u s o id al  w av e f o r m s   w i th   co n s ta n g r id   f r eq u en c y   v a lu eq u a to   5 0   Hz   th er eb y   co n f ir m in g   t h r o b u s t n es s   o f   t h estab li s h ed   MP C   .   T h in j ec ted   cu r r en (      )   s h o u ld   b in   p h ase  w it h   th g r id   v o lta g (      )   p r o v in g   u n i t y   p o w er   f ac to r   tr an s m is s io n   a s   s h o w n   i n   Fi g u r 1 1 .     T h s i m u latio n   r es u lt s   r ev ea l   th at  th e   d e v elo p ed   MP C   co n tr o m et h o d s   co n tr o ller   u n d er   d iv er s   o p er atin g   w ea t h er   co n d itio n s   p r esen t   ex ce lle n t d y n a m ic  r es p o n s an d   v er y   g o o d   s tead y   s t ate  p er f o r m a n ce .             Fig u r 8 .   P o w er   g e n er ated   b y   th h y b r id   s y s te m     6 8 10 Vw 0 100 200 O m e g a _ r O m e g a _ r_ re f 0 1000 Tm 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 T i m e   (s ) 0K Pw 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 T i m e   ( s ) 0K - 1 0 K 10K 20K 30K 40K P p v Pw P w _ P p v P _ a c t i v e Q _ r e a c t i v e ( a)   (b )   ( c)   (d )   P pv +P w   ω *         ω     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Mo d el  P r ed ictive  C o n tr o l o f Win d - P h o to v o lta ic  Hyb r id   S ys tem  C o n n ec ted   to   Gri d   ( Ho u d a   A b id i1 )   225         Fig u r 9 .   DC - l in k   v o lta g             Fi g u r 1 0 .   Gr id   cu r r en ts         Fig u r 1 1 .   cu r r en t a n d   g r id   v o l tag e         0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 T i m e   ( s ) 0 200 400 600 800 1000 V d c V d c _ r e f 0 . 4 0 . 8 T i m e   ( s ) 0 - 5 0 - 1 0 0 50 100 i a g i b g i c g 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 T i m e   ( s ) 0 - 5 0 50 i a g i b g i c g 0 . 3 0 . 4 T i m e   ( s ) 0 - 2 0 0 - 4 0 0 200 i a g v a g Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.