Internati o nal Journal  of App lied Power E n gineering  (IJAPE)  V o l.  3, N o . 1 ,  A p r il  201 4, p p 33 ~40  I S SN : 225 2-8 7 9 2           33     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 / IJAPE  Performance Analysis of Volt age Stability againstSudden  Load  Changes in Voltage Controlle d In vert ers for Di strib u ted  Gen e rati on       Arvind Kadam, Keer thi  Unni, Sus hil Thale  Fr. C. Rodrigues  Institut e  of  T e chnolog y ,  Vashi ,   Navi Mum b ai       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Ja n 21, 2014  Rev i sed  Feb  17 , 20 14  Accepted  Mar 10, 2014      Distributed  Gen e ration (DG) is  play ing an  im portant role in   the f i eld  of  ele c tri c it gen e r a tion b y   being  a  viabl e   alt e rnat i v e to  the C e ntr a liz ed Power  Generat i on (CPG). This interest  is also m o tivate d  b y  the ne ed for elim inat ing   the unnecessar y   transmission and distri bution costs,  reducing the  g r eenhouse  gas emissions,  deferring capital costs  and improving the availability   and   reliability  of  elec trical networks. Although, d i st ributed gen e ration  has man y   advant ages , i t  h a s  s o m e  is s u es   in the  fields of  protection, po wer control,  stabili t y , isl a ndi ng detec tion et c.  Am ongst all the issues, this paper att e m p ts   to highlight  the  issue of voltage stab ility  und er  sudden chang e s in lo adin g   conditions in  a d i stributed g e ner a tion  s y stems operating in  stand-alone mode.  Proper design and tuning of compensato rs for  closed loop operation in DG   s y stem s can en sure voltage sta b ilit y.  As the load dem a nd increases , th e   output voltage  of DG usually   dips fo r a short time owing to the weak   (smaller cap acity ) nature of r e newable  sources, after which it returns to  s t ead y  s t at e. Thi s  fall in the volt a ge pr ofile could prove to be harmful if the  settling  tim e is  m o re. The sim u lation  and hard ware results i llu strate  that ,   accur a t e  com p e n s a tor des i gn, i s  one of the ke y fa ctor in m a i n taining  the   voltag e  stabi lit y in DG s y stem .  This  paper  ex plores the  effect of proper   c o mpe n sa t o r de si gn i n  ma i n ta i n ing vol ta ge st a b ili ty  of DG.   Keyword:  Clo s ed  l o op   oper a tio Com p ensator design  Di st ri b u t e d ge nerat i o n   Renewa ble s o urces   Vo ltag e  stab ility   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 Ar vin d  Ka dam ,    Depa rtem ent of Elect ri cal  E n gi nee r i n g,   Fr. C o n ceicao   Ro drigu e Institu te of Techn o l o g y Sect or -9 A,  Va shi ,   Na vi  M u m b ai 40 0 7 0 3 ,  I n di a.   Em a il: arv i n d_h k@ym ai l.co m       1.   INTRODUCTION  The e n er gy  i n dust r y  t oday  i s  faci n g  m a ny  chal l e nge s beca use o f  t h e e v er  i n creasi n de m a nd o f  t h e   electrical p o w er. Th ese ch allen g e s in clud e main tain ing   po wer qu ality, in creasin g  t h e power transfer capacity  of t h e system , reducing t h high capital c o st  require d   for ge neration of  power as well  as reducing  t h e per unit  cost  and m a ny   m o re. The po w e r el ect roni cs a nd  po wer  syste m s  researche r s  are curre n tly work i n g  to ward s th so lu tion  t o  th ese prob lem s . Th o ngo ing   research es in  t h i s   area  have  f o un d t h at  t h e proble m associated with  t h e co nve nt i o n a l  sourc e s can  bet t e r be s o l v e d  t h r o ug DG. Th erefore DG is g e ttin g  lo t o f  atten tion  as it can   p r ov id e t h e so lu tio n to  t h e issu es  related  t o  t h e CPG.  Di st ri b u t e Ge nerat i o n ca b e  defi ned  as l o cal i zed  sm all s cale electricity generation in  the ra nge  of  f e w   h und r e d s   o f   kW  to  f e w MW   [ 1 ]-[2 ].  I n   D G  systems,  th e electr i cal p o w e r  is g e ner a ted  using  lo cally  available re ne wable  or  nonre n ewa b le e n ergy sources . T h is   p o we ge nerat e d is  first  fed  t o  the  local l o a d , i f  the  po we r ge nerat i on i s  m o re t h a n  t h e l o a d   dem a nd t h en t h e p o we r i s  fe d t o  t h e g r i d . B a se on t h i s  p h en o m enon   t h ere ar e t w m odes of  ope r a t i on o f   DG sy st em s;  fi rst  bei ng  g r i d  c o n n ec t e d m ode or t h e gri d -t i e d m ode an d   seco nd  bei n g  t h e st a n d - al o n m ode or  t h e i s l a nde d m ode.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 252 -87 92  IJA P E Vol .   3 ,  No . 1, A p ri l  20 14   :    33     4 0   34 DG system s o ffer  b e n e fits lik e lib eralizatio n o f  el ectricity  mark ets, standb y cap acity, reliab ility, an d   gri d  s u pport et c [2] .  D G  is a  tool t h at can hel p  electrical suppliers to sort   ou t prob lem s  in  a lib eralized  m a rk et,  whe r e cust om er i s  keen o n  l o oki ng f o r t h e b e st  sui t a bl e ele c tricity service provide r . T h e DG system s ca n be  use d  fo r i n crea si ng st an d b y  capaci t y  at   t i m e s of pea k  l o a d  dem a nd. The  DG al so  hel p s  i n  peak sha v i ng f o co n tinuo us p o w e supp ly.  As e v ery  coi n   has t w o  si des ,  D G  al s o   has  bene fi t s  as  we ll as som e  issues. But  if t h es e issues  are   solve d  t h en DG ca be a  via b le alternati v to CPG.  The  is sues a ssociate d  with  a powe r electronic converter  b a sed  DG  u n i t  in clu d e  m a in t e n a n ce  o f   p o wer q u ality, p r o t ectio n ,  power  co n t ro l,  v o ltage stab ility, freq u e n c stab ility, islan d ing  d e tection ,  s m o o t h  op eratin g  m o d e  tran sfer etc. Th is  pap e r ad dresses th e issu e o f   vo ltag e   stab ility  in  th e co n t ex t o f  th su dd en  lo ad  chan g e s in  DG syste m   in co rp oratin g  no n-co nven tio n a l / ren e wab l energy s o urces  and  powe r ele c tronic convert e rs.    1. 1.   Over view of  Distributed Generation   A t y pi cal  st r u c t ure  of  D G  sy st em  i s  sh own in  Fi g u re  1 .   A static tran sfer switch   (STS) is  u s ed  t o   sep a rate th e mu ltip le DG  u n i ts fro m  u tilit g r i d  at th e PCC. In  case  o f  in terrup tio n  i n  u tility, th e STS en su re  th e d i scon n ecti o n of m u ltip le DG un its fro m th e m a in  g r i d . Each DG syst e m  co n s ists  of  a ren e wab l o r  no n- rene wa bl e ene r gy  so urc e , a n  e n er gy  st o r age   devi ce,  an  i nve rter, a n d a c ont roller. Each DG units is connected  with  th e l o cal lo ad. Th e DG  un it can   o p e rate in  grid  co nnec t ed o r  st an d-al one m ode . I n   g r i d  c o n n ect ed   m ode  th e DG  u n its are co nn ected  to  th e u tility g r id , and  th e ex t r a p o wer av ailab l e after feedin g  to  DG lo cal lo ad   will b e  sup p lied  to  u tility. In   case of an fault o ccurri n g  in  th u tility g r id , th STS at th e PCC  d i scon n e ct th DG un its fro m   u tility g r id  as so on  as  p o ssi b l e.    Fi gu re  1.  St r u c t ure  of  g r i d  co nnect e d   DG  sy st em     In  the ab sen c e o f  th e m a in  grid  th DG  units can   o p erat e  i n  st an dal o ne   m ode an fee d  real  a nd  reactive  powe r to t h e local  loads .   On ce  th e DG  u n its  are switch e d to  stand a l o n e   m o d e , th DG un its  im m e di at el y  share t h new  p o we dem a nd,  base d o n  t h e l o ad s h ari ng  sch e m e  im pl em ent e d an d s u ppl y   po we r   to  all th e critic al lo ad s. If th e p o wer cap acity o f  DG un its  is in su fficien t  to su pp ly all th lo ad s th en  th least   i m p o r tan t  l o ads can b e  cu t-off to m a in tain  v o ltag e  stab ility  [1 ]-[9 ].      2.   LITERATU R E  REVIE W   Alth oug h, th DG  h a s certai n  issu es, it h a m a n a g e d   to  attract th e research ers to  fi n d   so lu tion  for  th em . Alo n g   with  all o t h e r issu es, th e research ers are also   d ealin with   vo ltag e  stab ility  issu e. In DG syste m s,  t h e o u t p ut  v o l t a ge i s  co nt r o l l e d by  c ont rol l i ng t h e react i v e po we r co nt r o l .  T h i s  re gul a t i on i s  base on t h e   d r oo p con t ro l ch ar acter istics  [1 ],  [3 ]-[ 5 ] .     Th e issu o f  vo ltag e  stab ility  and   p o wer con t ro l b e co m e s q u ite si g n i fican t  in  stan d-alon e m o d e   of  ope rat i o n beca use i n  t h i s  m o de of  ope rat i o n, t h e D G  u n i t  has t o  su ppl y  bot h real  an d r eact i v e po wer  t o  t h e   lo ad Also  in  i s lan d e d  m o d e wh en   p a rallel  DG  un its are feed ing  co mm o n  lo ad , t h e synch r on izatio n   between  pha se, f r e que n c y  and m a gni t ude i s   di f f i c ul t ,  w h i c res u l t s  i n  i n -a de quat e  l o ad s h a r i n g b e t w een  DG  u n i t s [1] ,   E n e r g y  S t or ag e   De v i c e Lo c a l L o a d A ggr eg at ed   DG  L o a d DG  1 GR I D CB ST S PC C In v e r t e r C o n t r o lle r CB :  Ci r c u i t   Br e a k e r D G : D i s t r i b u te d   G e n e r a tio n   U n it PC C :  Po i n t   o f   C o m m o n   C o u p l i n g S T S :  St at i c   T r ans f er   S w i t c h R e ne w a ble /   No n r e n e w a b l e   En e r g y  S o u r c e E n e r g y  S t or ag e   De v i c e Lo c a l L o a d DG   n In v e r t e r C o n t r o lle r R e ne w a ble /   No n r e n e w a b l e   En e r g y  S o u r c e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J APE   I S SN 225 2-8 7 9 2       Perfo r man ce An a l ysis  o f  Vo lta g e  S t a b ility Ag a i n s S udd en  Loa d  Chan g e in  Vo lta g e  (Arvin d  K a d a m)  35 [3]-[4].  This i n -ade quate loa d  shari n affects th e vo ltag e   profile o f  DG sy ste m . To overcom e  these issues  of  react i v e p o we r  cont r o l  an d m a i n t a i n i ng s m oot h vol t a ge  pro f i l e   m a ny  po wer c ont r o l  st rat e gi es have bee n   pr o pose d .  T h e s e st rat e gi es a r e m a i n l y  based  o n   dr oo p c o nt rol  c h aract e r i s t i c s whi c h ca be f u rt he r cl as si fi ed   as vi rt u a l  im pedance  co nt r o l  [1] , [3] ,  i n t e g r al  co nt r o l  [ 4 ] ,  v o l t a ge s o u r ce co nt rol   [5]  et c. base o n  t h e   m o d i ficatio n  in th d r oo p con t ro l ch aracteristics equ a tio n.  The  c o nve ntional  m e thod us ed for real  and reactiv e power  c ontrol  is  droop  control m e thod.   T h e   fol l o wi n g  s u bs ect i on  gi ves  ba ckg r ou n d   of  d r oo p c o nt r o l  ch aract eri s t i c s.     2. 1.   Dr o o p c o ntr o l  ch arac te ri sti c   To u nde rst a n d  t h e ori g i n   of  t h e conce p t  of d r oo p co nt r o l ,  t h e com p l e x p o we r t r ans f er red by  a   t r ansm i ssi on l i ne nee d s t o  be con s i d ere d . T h e si ngl e l i n e di agram  of t r ans m i ssi on l i n e i s   sho w n i n  Fi g u r e  2 as  an  RL ci rcu it  with  th e vo ltages at th e term in als o f  th e li n e     Fi gu re  2.  P o we r Fl ow t h r o ug h  a Tra n sm i ssi on Li ne [ 1 ]       Whe r e,  E S  and  E R  are se ndi ng and  receivi ng end  voltages  respe c tively,  δ  is angle bet w een  sending  and receivi ng end voltages, I  is  current  fl owing through t h e tra n sm issio n  line,  Φ  i s  a n gl e bet w ee n se ndi n g   end  v o l t a ge  an d c u r r ent ,  an Z i s  l o a d  i m pedance .     Typ i cal tr an smissio n  lin es  ar e m o d e lled   w ith  t h e inductan ce (X)   b e in g  m u ch gr eater  th an  t h resistance s o  t h e resista n ce is ge nerally  ne gl ect ed. T h e e quat i o fo r rea c t i v e po we r ( Q e ) can  t h en   b e   written  as,    cos       ( 1 )   If the power angle  δ  is s m al l, t h en  th e sm all a n g l form ula can be use d  s o  that cos  δ  = 1.  Sim p l i f y i ng  an d rewriting   giv e s,          ( 2 )   Equation  (2) determ ines that voltage diffe r ence  depe nds  on the reacti v e powe r [2]-[5]. In ot her  words, if th e reactiv e p o wer  can  b e  regu lated ,  th en  th e voltag e   E S  will b e  co n t ro llab l e as well. By reg u l ating  t h e react i v e po wer fl ows t h ro ug h a po we r sy st em t h e vol t a ge can be det e rm i n ed. Thi s  obs er vat i on l e ads t o   t h e com m on  dr oo p c o nt r o l  eq uat i o n  [ 1 0]            ( 3 )     Whe r e  is th e base vo ltag e  is th slop o f     cha r acteristics and   is th e tem p o r ary set   poi nt s f o r t h r eact i v e po we r of t h e i nve rt er.  The t y pi cal  vo l t a ge dr o op c o nt r o l  charact e r i s t i c  pl ot  i s  sho w i n   Fi gu re 3 .  Fr o m  t h e dro o p  e quat i o (3 ) as  wel l  as fr om   Fig u re 3  it is ev id en t th at, as th e reactiv p o wer  dem a nd i n crea ses, t h e dr o o p  cont r o l  sche m e  wi l l  al l o w the syste m  voltage to dec r ease. The slope of the   characte r istic can  be  use d  to e s tim a te reactiv e po wer  requ ired  to b e  ab sorbed  or pum p ed i n to t h e system .     2 . 2 . Vo l t ag e Sta b ility  Main tain in g   vo ltag e  stab ility is a v e ry im p o r tan t  asp ect in   p o wer syste m . A system  en ter s  a state o f   v o ltag e  i n stab i lity wh en  a d i stu r b a n ce  or in crease i n  lo ad  d e m a n d   o c cu rs. Vo ltag e  stab ility  may al so  be  affect ed  w h e n   a so urce i s  u n a b l e  t o  m eet  t h e react i v po we r dem a nd.  V o l t a ge  pr ofi l e  ca n  t hus  be  de fi ne d as   the cha n ge i n  t h voltage  of t h e system  as the load cha n ges.  The t y pe  o f  s o urce  use d   has  s ubst a nt i a l  im pact  on  t h e  v o l t a ge  pr ofi l e   of  t h DG  sy st em . The ,   vol t a g e   in stab ility p r ob lem   in  a DG syste m   is o n e   o f  th e m o st d e stru ctiv e situ at io n  on   p o wer syste m . A DG syste m   whe n  a ssociate d  to a  gri d     is  not a  rigid or  stiff sy stem . Hence, it is  re quired t o  im ple m ent acc urate c o ntrol  strategies for e ffective  operati o n of a  DG sys t e m .   Most of the  DG system s with re ne wable  sources  su c h  as   PV a rray ,   wi n d  are  som e t i m e s, de pe ndi n g   on atm o spheri c conditions i n capable  of  produci n g reactiv e powe r. Thus, duri ng dy na mic load cha n ging state,  Figure  3. Reactive power cont rol  th ro ugh   v o ltage dr oop  co n t ro l  [3 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 252 -87 92  IJA P E Vol .   3 ,  No . 1, A p ri l  20 14   :    33     4 0   36 th ey can no t main tain  v o ltag e  stab ility. Th erefore su itab l e v o ltag e  com p en sato r shou ld  b e   d e signed  and  i m p l e m en ted  t o  m a in tain  th e v o ltag e  stab ilit y o f  th e DG sy ste m . Th erefo r e, th e in teg r ati o n   o f  an y DG  so urce  need s t o  be  c o or di nat e wi t h   t h e av ai l a bl e v o l t a ge a n reac tive power c ontrol sc hem e   in  o r d e r to en sure th at  th e DG system will no t dro p  th p r op er  vo ltag e  stab ility.   fl at  v o l t a ge pr ofi l e   ca n be assur e d   i f     So urce s u p p l y i ng t h po wer i s  st i ff i . e., The  vol t a ge o ffe re d by  t h e so urc e  does n o t  di p  as l o ad dem a n d   increases   There  is a n  alternate s o urce  which ca pum p  in pow er at the  transie n t stat e.( e.g.Ultra ca pacitor)  A co m p en sator is ap pro p riately d e sig n e d  to  co m p en sate  for th e d i p  in   th e vo ltag e  pro f ile at ti m e o f  lo ad  increase. T h is  can incl ude PI  or PID  con t ro llers th at are  p r op erly tun e d .       3.   HA RD WA RE  A N D  SI MUL A TIO N   RES U LTS   The si m u l a t i on a n d  ha rd wa r e  im pl em ent a ti on  of  D G   u n i t  i n  st an d-al on e m ode of  o p e rat i o n  wa s   per f o r m e d. Al l  t h e si m u l a t i ons  w e re  pe rf orm e d o n  M A TLAB / Si m u l i nk s o ft ware . T h e si m u l a t i on  resul t s   obt ai ne were  veri fi e d  by  i m pl em ent i ng on a t h ree  ph ase i nve rt er b a sed D G   uni t  har d wa re  pr o t ot y p e   d e v e l o p e d  i n  t h e in stitu te’s research labo rat o ry.  Th sim u l a tio n  an d h a rdware  resu lts are exp l ain e d in   d e tail in  fo llowing  sub s ectio n s Ap pr o p ri at e de si gn  of c o m p ensat o rs i s  cru c i a l  for p r ope cl osed l o o p  co nt r o l  of a n y  sy st em . In t h sy st em  unde st udy ,  t h sens ed  vol t a ges a r e co nve rt ed  f r o m  abc-t o -d refe rence  f r am e an d t h en  fe d  t o  t h e   i ndi vi dual  P I  cont rol l e rs . Th e out p u t  o f  PI  cont r o l l e rs ar e t a ken as i n p u t  t o  dq -t o - ab c t r ansf orm a t i on  f o r   gene rat i n g c o r r e sp on di n g   p u l s es f o r  d r i v i n g  i nve rt er  swi t c h e s.  Depe n d i n up o n  t h vari o u pr o p o r t i o nal  gai n   K p  an d in tegral  g a in K i  val u es  t h e t r a n si ent  r e sp onse  o f  t h sy st em  was f o un d t o   vary .   Thi s  pa per pa r t i c ul arl y  focus e s on t h e i m pact  of di ffe re nt  sou r ces an d co m p ensat o r desi gn  on  D G   syste m . Battery, so lar PV, and  Fu el cell are th e t h ree typ e s of s o urces  c o nside r ed for this im pact  study.  The   fo llowing  sub s ectio n s  in cl ud e th e d e tailed  an alysis o f  th e effect of  t h ese sources  al ong with  c o m p ensator for  diffe re nt K p  and   K i  v a lu es.    T r an s f or m e r In v e r t er Fi l t e r Lo c a l  Lo a d Si ne  PWM   Ge n e r a tio n a b c  t o  dq  co n v e r si o n dq t o  abc   co n v er si o n AD C Vo l t a g e   Se ns i n g Ɵ Ɵ Bu f f e r & Ga t e  D r iv e r V d * V q * V a V b V c PV   Pa n e l C o nt r o l S T I C K - T M S 32 0F 28 0 6 9 DC   Lin k + + _ _ PI   Co n t r o l l e r PI   Co n t r o l l e r In t e rn a l   S i ne w a ve  g e ner a t i on PL L     Fi gu re  4.   C l os ed l o o p  c ont rol  schem e  fo vo l t a ge co nt r o l l e d St a n d - al o n DG  u n i t     3. 1. Si mul a ti o n   Res u l t s   The Fi g u re  4 sho w s t h e det a i l ed cont rol  sch e m e  im p l em ent e d on t h e sy st em  unde r st ud y  for p o w er   cont rol  i n  st a n d-al one m ode.  Thi s  sc hem e   im pl em ent e d i n  si m u l a t i on, i s  do ne  fo dy nam i call y  changi ng   lo ad s.   Wh en  t h e lo ad  is  resistiv e, th e inv e rter g i v e s a cl ea n t h ree  phase   wave f o rm  for  vol t a ge  an d c u rre nt  as  sh own  in Fi g u re 5 ,  Figur 6  an d Figur 8 .   O n  th e ev en o f  a su dd en  incr ease in lo ad , th v o ltag e   p r o f ile  o f  t h DG  ch ang e s d e pen d i n g  upon  two m a in fact ors; t h form e r  being the  stiffness  of  the  sources  and la tter base on  the accuracy  of t h e   com p ensat o r  d e si gn  o r   bot h.  Fi gu re  6 s h ow s t h o u t p ut  cu rre nt  wa ve fo r m  of a v o l t a ge  cont rol l e d  st an d-al o n e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J APE   I S SN 225 2-8 7 9 2       Perfo r man ce An a l ysis  o f  Vo lta g e  S t a b ility Ag a i n s S udd en  Loa d  Chan g e in  Vo lta g e  (Arvin d  K a d a m)  37 DG  unit on the onset of a load change.  The wave form i n  Figur e 5 and Fig u r e   6  sh ow s th at, t h e sy ste m  is  stab le for an y lo ad ch an g e  i . e.  th eou t pu t vo ltag e  of  DG  unit rem a ins consta nt at specifie d   refe rence  value. For  l a rge l o a d  cha nge t h out put  vol t a ge de vi at es from  i t s  reference ,  b u t  du e t o  t h e cl osed  l oop c ont rol  s c hem e   th e vo ltag e  ag ain  rest o r es b a ck  to its reference v a lu e in short ti m e     Fi gu re 5.    Vol t age  c ont rol l e d  St and - al o n e D G  uni t  out put  v o l t a ge wave f o r m       Fi gu re 6.    Vol t age  c ont rol l e d  St and - al o n e D G  uni t  out put   c u r r ent  wa vef o r m     3. 2. Har d w a re   Resul t s   Th e PV so urce is in h e ren tly no t a stiff sou r ce in  th e sen s e t h at it can no t su pp ly po wer  de m a n d e d b y   a load  on the event  of a s u dde n  loa d   increa se . He nce the vol t age profile  m a y  be affect e d  a nd t h ere  wo ul d  be a   su dd en   d i p  i n  th e pow er   sup p lied. In   o r der  to  m a in tain  th e vo ltag e  co n s tan t , an  app r op r i ate clo s ed  loop  ope rat i o of  t h e i n v e rt er  i s  i m pl em ent e d t h r o ug DS P as  s h ow n.  T h e se ns ed  vol t a ges  fr o m   t h e i n vert er   out put   are fe d to compensators that are im p l e m en ted  in  d i screte fo rm  in  DSP. Th e con t ro ller used  fo r im p l e m en tin cont rol  sc hem e  i s  DS P-TM S3 20 F2 8 0 6 9  c o nt rol - st i c k f r o m   Texas  I n st r u m e nt s. Fi g u re  sho w s  t h e l a bo rat o r y   setu p fo r th dev e lop e d pro t otyp e of  stand- alo n e   DG   u n it.  Ap pr o p ri at e de si gn  of c o m p ensat o rs i s  cru c i a l  for p r ope cl osed l o o p  co nt r o l  of a n y  sy st em . In t h sy st em  unde r s t udy , t h e  sen s e d  v o l t a ges a n d  cur r ent s  a r e c o n v e r t e d f r o m   abc t o   d q  re fer e nce f r am e and t h e n   fed t o  t h e i n di vi d u al  PI  co nt r o l l e rs.  De pen d i ng  u p o n  t h e  v a ri o u K p  and  K i  val u es t h e transie n t res ponse  of  the system  was found to va ry.      Fi gu re  7.   La b o rat o ry  set u p  f o r  st an d-al one   DG  u n i t         R-Phas e Curre nt  Fi gu re  8.    3- Ø  vol t a ge  an d R - pha se c u r r ent   wave form  for  a stand-alone  DG unit.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 252 -87 92  IJA P E Vol .   3 ,  No . 1, A p ri l  20 14   :    33     4 0   38 The o u t p ut  vol t a ge and c u r r e n t  wave fo rm s f o r t h e co nt r o l  schem e  of Fi gur e 4 are sho w n i n  Fi g u re 8 .   Th e r e spon se of   th e DG  u n it on   acco u n t   of a   load i n crease  a n d loa d   decrea se  are s h ow n i n  Fi gu re  9,  Fi g u re  1 0   an d  Fi g u re 11 In itially th e lo a d  con n ected  to  th e syste m  was 1 0   W  resistiv e lo ad , later a 3 - Φ  in du ctio n  mo tor  was co nnect e d  as i nduct i v e l o ad i n  pa ral l e l  t o  resi st i v e l o ad. The i m pact  of vari o u s K p  and K i  val u e s  was   assessed  by  c o nnect i n g a n d i scon nect i n I M  as l o a d .   The system  was tested at l o volta ge to  meas ure t h e transient  res p ons e on  DSO. T h prim ary  vol t a ge  of  1 1 0 V -t o- 41 5 V  st ep u p  ( Δ - Υ ) tra n sform e r was  adjuste d  to 50  RMS. Figure 9 shows the transie n t   r e spon se  o f  syste m  f o r  i n du cti v e lo ad  con n ectio n  an d d i sconn ectio n.    ( a )      ( b )                      ( c )                     (d)          (e)         (f )   Figu re  9.   T r an sient res p onse   of  sy stem  for  d i ffere nt  K p   v a l u es with  K i  =  0.00     (a)         (b)                   (c )                     (d)         (e)         (f )   Figu re  1 0 . T r a n sient  res p o n se  o f  sy stem  for  diffe re nt K p  v a lu es with  K i  =  0. 00 3     K p  =  0.1 K p  =  0.3  K p  =  0.5  K p  =  0.8  Loa d Connecti o Loa d Di sc on ne ct i o n Vo ltag e  Di p   du e to  Lo ad  Conn ectio Vo ltag e  Rise du e to  Loa d  Di sco nne ct i o n   K p  =  0 . 06  K p  =  0 . 08  K p  =  0.1  K p  =  0.3  K p  =  0.5  K p  =  0.8  R-Lo ad  IM -L oad   R-Ph ase  Vol t a ge  W a ve f o rm   R-Phas e Cu rre nt  W a ve fo r m Loa d Connecti o Loa d Di sc on ne ct i o n   RLo a No   V o l t a ge Di p due   t o   Inc r ease d  value  of  K p  an d K i   Vo ltag e  Rise du e to  Loa d  Di sco nne ct i o n   R Lo a d   R-Lo ad  IM -L oad   R-Ph ase  Vol t a ge  W a ve f o rm   R-Phase Current  Wavef o r m   K p  =  0 . 08  K p  =  0 . 06  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J APE   I S SN 225 2-8 7 9 2       Perfo r man ce An a l ysis  o f  Vo lta g e  S t a b ility Ag a i n s S udd en  Loa d  Chan g e in  Vo lta g e  (Arvin d  K a d a m)  39 The de vel ope d  har d wa re wa s t e st ed fo r va ri o u s com b i n at i o ns o f  K p  a nd  K i  gai n  val u es.  I t  i s  veri fi ed   that the system is stable a nd  operates  in closed loop cont rol for all  these K p  and K i  gai n   val u es. The   wave f o rm sh o w n   i n   Fi g u r e  9 are fo r di f f ere n t   val u es  of   K p with  K i  =  0 . 0 0 1 Fr om  Figu re  9  (a )- (f ) it is e v ide n that as K p  value increases, the  peak am plitude  of swi t c hi ng  t r ansi ent  de cre a ses,  bu t th ere  is n e g lig ib le ch ang e   in  stead y state  ti m e  o f  th e syst e m . Th e tim e req u i red to  co mp ensate fo r t h d i p   o c cu rred in vo ltag e   p r o f ile du to  lo ad  co nn ect io n  tak e s alm o st sam e  t i m e fo r all K p   v a lu es  u s ed  for testing  system .   The wa ve fo rm s sh ow n i n  Fi g.  10  (a) - ( f) a r e f o K i  = 0. 00 3. T h i s  i n c r eased K i  v a lu g i v e s good  transient  res p onse.  It is clear fr om  the above fi gures that  as K p  val u e i n crease s  along with K i  v a lu e,  th a m p litu d e  as  well as tran sien t ti m e  also  red u c es.  Also wi th  in creased   gain  v a l u es t h ti m e  req u i red   for the  syste m  to come to stea dy state at  th e ev en o f   add itio n a l l o ad conn ection in to  t h e system   is redu ced.  Fig u res  expl ai n  t h at ,  t h vol t a ge  di p  occ u r r ed   due   l o ad c o n n ect i o n i s  al m o st  va ni shi n g  an d a n  alm o st  fl at  v o l t a ge   p r o f ile is  ob tain ed.   Wi t h  K p  =  0. 8  an K i  =  0 . 00 5, th e system g i v e s alm o st flat vo ltag e   p r o f ile  with   n e g l ig ib le tim e   req u ire d  f o r t h e sy stem  to restore ba ck to st eady state from tr ansient state. The s w itching tra n sie n ts are als o   n e g lig i b le in am p l itu d e The  i m pact   of t h ese  va ri o u s p r o p o rt i o nal   an i n t e gral  gai n  val u es o n  vol t a ge  c ont r o l l e i nve rt ers f o r   d i stribu ted   g e neratio n are tabu lated  in Tab l e 1 .       Figure  11. T r a n sient  res p onse  of system  for  K p  =  0. 8 a n K i  = 0.005    Tabl 1.  A n al y s i s  of  di ffe rent   com p ensat o r  g a i n  val u es   Pr opor tional Gain  (K p Integral Gain   (K i Transient  Am plitude  Steady St ate  Erro r   0. 06  0. 001   M oder a te  M oder a te  0. 08  0. 001   Reduces  Sm all  Change  0. 1 0. 001   Reduces  Sm all  Change  0. 3 0. 001   Reduces  Sm all  Change  0. 5 0. 001   Reduces  Sm all  Change  0. 8 0. 001   Reduces  Sm all  Change  0. 06  0. 003   M oder a te  Reduces  0. 08  0. 003   M oder a te  Reduces  0. 1 0. 003   M oder a te  Reduces  0. 3 0. 003   Reduces  Reduces  0. 5 0. 003   Reduces  Reduces  0. 8 0. 003   Reduces  Reduces  0. 8 0. 005   Vanishes  Vanishes      4.   CO NCL USI O N   In  di st ri but e d   g e nerat i o n sy st e m  or any  p o w e r  sy st em , th e lo ad attach ed  to it is always unp red i ctab le  an d con tinu ously v a rying .  Th is con tinu o u s ly ch ang i ng  load  resu lts in   vo ltag e  stab ility issu e s . The   m o m e nt  syste m  is lo aded   with  ad d iti o n a l l o ad, it  de m a n d s   h i gh  startin g  cu rren t.To  sup p l y th is h i gh   startin cu rren in itially th e DG  o u t p u t   vo ltag e   d r op sand   th en tak e fin ite ti m e  to  rest o r e b a ck  t o  its no rm al o p e rating  co nd itio n dep e n d i n g  on  t h e co m p en sato r d e sig n  i.e. m a in tain  th DG  o u t pu t vo ltag e R-Lo ad  IM -L oad   R-Lo ad  R-Phas e Cu rre nt  W a ve fo rm   K p  =  0.8  K i  =  0 . 00 R-Phas e Volta ge  Wave form  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 252 -87 92  IJA P E Vol .   3 ,  No . 1, A p ri l  20 14   :    33     4 0   40 The ha rdware  results present e d here  determines  th at, if  the c o m p ensator desi gn is  very accurate,  th en  t h is ti m e  tak e n b y  th syste m  to  resto r e t o  its normal o p e rating   co nd itio n can  b e  redu ced ,  al so  th t r ansi ent  am pl it ude ca n be m i nim i zed. Fr o m  t h e Tabl e 1  i t  i s  concl ude d t h at , i n c r eas e i n  pr o p o r t i o nal  gai n   resu lts in   d ecrease in  transien t  a m p litu d e  as  well as in creas e in integral ga in res u lts in m i nimizing steady state   er ro r.      REFERE NC ES   [1]   Jinwei He and  Yun Wei Li. “An Enhan ced  Load Dem a nd S h aring S t rateg y ,   IEEE Transaction on Pow e Electronics , Vol/Issue: 27(9)  Pp. 3984-3995 , 2 012.  [2]   G. Pepermans, J .  Driesen ,  D. H a esel donckx , R.  Belmans, and  W. D’haeseleer.  “ D istributed g e neration: def i nition ,   benefi ts  and  is s u es ”,  Energy  Po li cy , Vol. 33. Pp.  787-798, 2005 [3]   Yun Wei Li and Ching-Nan Kao. “A n Accurate Power Control Strateg y  for Power-Electronics-Interf aced  Distributed Gen e ration Units Operating  in a L o w-Voltage MultibusMicrogrid ,   IEEE Transactions on Power   Electronics , Vol/Issue: 24(12) . P p . 2977-2988 , 2 009.  [4]   Min Dai, Mohammad N. M., Jin - Woo J.,  and  Ali K. “Power Flow Control of   a Single Distribu ted   Generation Unit”,  IEEE Transactio ns  on Power  Electronics , Vol/Issue: 23(1) . Pp. 34 3-352, 2008 [5]   Fang Gao, and M. Reza Irav a ni . “ A  Control St rateg y  fo r a Distributed Gen e rat i on Unit in Grid-Connect ed an d   Autonomous Mo des of Oper ation I E EE Transactions on  Power  Delivery , Vol/Is s ue: 23(2). Pp. 8 50-859, 2008 [6]   Chien-Liang C . Yubin W., Jih-S h eng L., Yung_Shung L., and   Danial M. “Desig n of Parallel Inv e rters for  Smooth  Mode Transfer Microgrid Applications”,  IEEE Transactions on  Power Electro nics , Vol/Issue: 25(1). Pp. 6-1 5 2010.  [7]   Charles K. S. an d Peter W.  L. “Autonomous Lo ad Sharing of  Voltag e  Source Converters”,  IEEE Transactions  on  Power  Del i ver y Vol/Issue: 20(2) . Pp. 1009-1016 2005.  [8]   Yu X., Khambadkone A. M., W a ng H. a nd Terence S. T. S. “Control of Pa rallel- Connected Power Converters for   Low-Voltage M i crogrid – Par t   I: A H y brid Co ntrol Archit ec tu re”,  I E EE Transactions on Po wer Electronics Vol/Issue: 25(12 ). Pp. 2962-2970 , 2010 [9]   Marwali M. N., Jung J. and A l i Key h an i. “Co n trol of  Distr i bu ted Gen e ration  S y stem s – Part  II: Lo ad Sharin Control”,  I EEE Transactions  on Power  Electronics , Vol/Issue: 19 (6). Pp. 1551-15 61, 2004 [10]   Mohammed Y. A. R. I. and El-Saadan y   E. F. “Adaptiv e Decentr a lized droop Co ntroller to Preser ve Power Sharin Stability  of Par a lleled Inverters in  Distributed Generation Micro g rids”,  IEEE Transactions on Power Electronics Vol/Issue: 23(6) . Pp. 2806-2816 2008.      BIOGRAP HI ES  OF AUTH ORS          Arvin d  Ka da m rece ived B ach elor of Engin eer ing degre e  in E l ec tronics  Eng i n eering  and   Master of Engineering degr ee  in Power Elect r onics and Drives both from Un iversity  of   Mumbai, India in 2009 and 201 3 respectiv ely .   His  research interests includ e ar eas such as  Distributed  Gen e ration, DSP ap plications  in  po wer electronics, contro l of pow er electronic  converters, inver t ers  etc.  Email: arvind_h k@ y m ail.com,   Ph: +91-251-221 2801          Kee r thi Unni  received  Bachelor of  Tech nolog y   degr ee in Electronics and Comm.  Engineering fro m Cochin University  o f  Scien ce  And Technolog y ,  India in 2004  and Master   of Engineering d e gree  in Power  Electronicsand  Drives  from  the Univers i t y  of M u m b ai, India   in 2012. She  is currently  working  with the El ectro nics and  Teleco mmunication department o f   Fr. C. Rodrigu e s Institute of  T echnolog y ,  Na v i  Mum b ai as an Assistant Professor. Her  res earch in ter e s t s  include are a s  such as  control of power electron i c s y s t em s ,  DS appli cat ions   and communications in microgr ids.    Email: unnikeerth y @ gmail. com,   Ph: +91-022  41 611000       Sus hil Thale  o b tain ed his B a chelor’s degr ee in Electr i cal  En gg. in  1992  an d  M.E.  in  Electrical Engg  in 1996 from  University  of Mumb ai, India. He is currently  purs u ing Ph.D.  from  Indian Institute of  Technol og y - Bom b ay  wi th speci ali zat ion  in Power Elect r onics and  P o wer S y s t em He is  als o  working as  an As s o ciat e P r ofes s o r (Ele ctri cal)  at F r . C .Rodrigues   Institute o f  Technolog y ,  Navi  Mum b ai. His ar eas of research  includ e ren e wable  ener g y   s y s t em s ,  con t rol ,  prote c tion  and  c o m m unications   as pects   in M i cro g rids .   Em ail:  ssthale@ ee.iitb .ac.in  , Ph:  +91-022 2576  4 440    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.