I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o w er   E ng ineering   ( I J AP E )   Vo l. 8 ,   No . 2 A u g u s t   201 9 ,   p p .   1 4 5 ~1 5 8   I SS N:  2252 - 8792  DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 8 . i2 . p p 1 4 5 - 158          145       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : // ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JA P E   Rea ctive  po w er c o ntrol to enha nc e  t he  VSC - H VDC   sy ste m   perfor m a nce  und er f a ulty a nd  nor m a l condi tions       M o ha m ed  S.   G ha y a d 1 ,   Niv ee n M .   B a dra 2 ,   Alm o a t a Y.   Abdela ziz 3 ,   M a h m o ud   A.   At t ia 4   1, 2 De p a rtm e n P h y sic s an d   En g i n e e rin g   M a th e m a ti c s,  F a c u lt y   o f   En g in e e rin g ,   A in   S h a m s Un iv e rsit y ,   Eg y p t   3 F a c u lt y   o f   En g in e e rin g   &   T e c h n o lo g y ,   F u tu re   Un iv e rsit y   in   Eg y p t ,   Ca iro ,   Eg y p t   4 De p a rtme n o f   El e c tri c a P o w e a n d   M a c h i n e s,  F a c u lt y   o f   En g in e e rin g ,   A in   S h a m s Un iv e rsit y ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  1 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   A p r   2 3 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   Ma y   1 2 ,   2 0 1 9       T h is  p a p e stu d ied   th e   re a c ti v e   p o w e c o n tro o f   th e   v o lt a g e   so u rc e   c o n v e rters   b a se d   h ig h - v o lt a g e   d irec c u rre n sy ste m   (V S C - H V DC).  P I   (p ro p o rti o n a &   in teg ra ti o n c o n t ro ll e w a u se d   in   th is  w o rk   to   e n h a n c e   th e   d y n a m ic  r e sp o n se   o f   th e   sy ste m .   G ra v it a ti o n a se a rc h   a lg o rit h m   ( G S A a n d   sin e   c o sin e   a lg o rit h m   (S CA )   a re   u se d   to   g e o p ti m a p a ra m e ters   o f   th e   P c o n tro ll e r.   G S A   a l g o rit h m   is  b a se d   o n   th e   g ra v it y   la w   f o Ne w to n   w h il e   S C d e p e n d s   o n   m a th e m a ti c a m o d e b a se d   o n   c o si n e   a n d   sin e   f u n c ti o n s.  T h e se   a lg o rit h m h a v e   a n   e ff icie n g lo b a S e a rc h   c a p a b il it y .   T h e   V S C - HV DC  is   e x p o se d   to   d if fe re n d istu rb a n c e s f o c h e c k in g   th e   c o n tr o ll e ro b u st n e ss .   F irst  d istu r b a n c e   w a ap p l y in g   t h r ee   p h ase  f au l ts   o n   t h s y s te m .   W h il e   th e   se c o n d   o n e   w a ap p l y in g   s tep   ch an g i n   A C   v o ltag e .   F in a ll y ,   A p p l y in g   s tep   c h an g i n   r eg u l ato r s   r ef er en ce   v alu e s .   S i m u latio n   re su l ts  p ro v e d   th e   c o n tro ll e su p e rio ri ty   a lso   v e ri f ied   th e   e n h a n c e m e n o th e   sy ste m   d y n a m ic res p o n se .   K ey w o r d s :   GS A   alg o r it h m   Op ti m izatio n     R ea cti v p o w er   SC A   al g o r ith m   VSC -   HVD C   Co p y rig h ©   201 9   In s t it 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 :   Mo h a m ed   S.G h a y ad ,   Dep ar t m en t P h y s ic s   an d   E n g i n ee r in g   Ma t h e m a tics ,   A i n   S h a m s   U n i v er s it y ,   A b d o   B ash s q u ar e,   A b b ass ia,   C air o 1 1 5 1 7 ,   E g y p t.   E m ail:  M. el s a y ed @ en g . as u . ed u . eg       1.   I NT RO D UCT I O N   T h elec tr ical  p o w er   is   g e n e r ated ,   tr an s m i tted   an d   d is tr ib u ted   as  a n   AC   p o w er .   T h is   p o w er   is   tr an s m itted   f r o m   th e   g e n er ato r s   to   t h c u s to m er   v ia  tr an s m i s s io n   li n es.  T h er ar t w o   k i n d s   o f   tr a n s m i s s io n   lin es  u s ed   f o r   h i g h   v o ltag e s   an d   lo n g   d i s tan ce HVD C   an d   Hig h   Vo lta g A lter n a tin g   C u r r en ( HV AC ) .   HVDC  tr a n s m i s s io n   h a s   m a n y   m er its   s u c h   a s ,   it  ca n   tr an s m i t   b u lk     p o w er   o v er   lo n g   d is ta n ce s   w it h   m in i m u m   co s b ec au s e   it  d ep en d   o n   t w o   co n d u cto r s   o n l y ,   it  h as  m i n i m u m   lo s s e s   b ec au s th er is   n o     s k in   ef f ec an d   it  ca n   co n n ec t w o   s y s te m s   w it h   d if f er e n f r eq u en c ies  w i th o u th n ee d   o f   s y n c h r o n iza tio n .   No w ad a y s   t h er ar m an y   p r o j ec ts   u s HVDC  tr a n s m i s s io n   esp ec ial l y   i n   co n n ec tin g   d if f er en co u n tr ie s   to   ex ch a n g elec tr ical   p o w er .   T h er ar tw o   t y p es o f   HVDC s y s te m s .   a.   C las s ical  HV DC   S y s te m i n   th is   s y s te m   t h t h y r i s to r   tech n o lo g y   u s ed   to   co n v er AC   t o   DC   ( r ec tif ie r   p r o ce s s )   an d   f r o m   DC   to   AC   ( in v er ter   p r o ce s s ) .   T h t h y r i s to r s   ar co n n ec ted   i n   s er ies   co n s tr u ct io n   to   b u ild   u p   th y r is to r   v al v e.   T h o p er atin g   f r eq u en c y   f o r   th is   v alv is   th n et w o r k   f r eq u e n c y   ( 5 0   o r   6 0 )   h er tz  ( Hz)   [ 1 ] .   b.   VSC   b ased   HVD C   S y s te m i n   th is   s y s te m   t h s e m ico n d u ct o r   u s ed   to   th co n v er s io n   p r o ce s s   is   t h GT O   ( Gate   T u r n - Of f   T h y r is to r )   o r   t h I GB T   ( I n s u lated   Gate   B ip o lar   T r an s is to r ) .   T h co n v er ter s   o p er ate   u s in g   P u ls W id th   Mo d u latio n   ( P W M)   co n tr o l te ch n iq u [ 2 ] .   I n   th i s   p ap er   VSC - b ased   HVD C   s y s te m   is   u s ed   d u to   its   m u ltip le  ad v an ta g es  s u c h   as:   a.   T h co n v er ter s   ar ab le  to   in d ep en d en tl y   co n tr o l th r ea cti v p o w er   a n d   ac tiv p o w er .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   8 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 9 :   1 4 5     1 5 8   146   b.   A b ilit y   o f   co n n ec t in g   p ass i v n et w o r k s   w h ic h   h as n o   lo ca l p o w er   g e n er atio n   o r   w ea k   AC   n et w o r k s .   c.   I t h as f a s ter   d y n a m ic  r esp o n s e   d u to   in cr ea s ed   s w itc h i n g   f r e q u en c y   ( P W M) .   d.   T h d lin k   v o lta g p o lar it y   r em ai n s   co n s tan t d u r in g   r ev er s i n g   t h p o w er   f lo w   p r o ce s s .   T h co n v er ter s   o f   VS C - HVD C   s y s te m   ca n   b co n tr o lled   t h r o u g h   clo s ed   lo o p   co n s is t s   o f   co n tr o u n i ts   an d   P I   co n tr o ller   w h ic h   h a s   s tr o n g   r o b u s t n es s   a n d   s i m p le  s tr u ct u r e.   T h er ef o r   it   is   n ec e s s ar y   to   f i n d   s u itab le  v al u es  o f   P I   p ar am et er s   f o r   th s tead y   o p er atio n   o f   th s y s te m .   C o n tr o llin g   o f   ac tiv an d   r ea cti v e   p o w er   is   o n o f   t h e   i m p o r tan r eq u ir e m e n t s   o f   t h H VDC   s y s te m .   I n   clas s ical  HVDC   s y s te m   th e   r ea ctiv e   p o w er   is   al w a y s   d e m a n d   f r o m   th e   co n v er ter .   T h er ef o r   it  is   s u p p lied   b y   s o u r ce s   o f   r ea ctiv p o w er   w h ic h   in s ta lled   at  co n v er ter   s tatio n s   o r   b y   g r id   [ 3 ] .   On   th o th er   h an d   th co n v er ter   o f   VSC -   H VDC  h a s   ab ilit y   to   s u p p l y   o r   ab s o r b   r ea ctiv p o w er   in to   o r   f r o m   t h g r id   s o   t h i s   s y s te m   ca n   co n tr o th r ea cti v p o w er   o f   t h A C   s y s te m s   at  b o th   en d s   in d ep en d en tl y   w h i le  th f lo w   o f   a cti v p o w er   is   b alan ce d   b et w ee n   t h e s en d s   [ 4 ] .   T h ai m   o f   t h i s   p ap er   is   f i n d i n g   o p ti m al   p ar a m eter s   o f   P I   u s in g   o p ti m izatio n   m et h o d s   to   co n tr o th e   r ea ctiv p o w er   in   t h s y s te m   d u r in g   an y   d i s t u r b an ce   in   o r d er   to   g et  b etter   an d   f aster   d y n a m ic  r esp o n s e.   T h e   d is tu r b an ce s   u s ed   i n   th i s   p ap er   ar th r ee   p h ase  f au lt,  AC   v o ltag s a g   an d   s tep   ch a n g i n   r eg u la to r s   r ef er en ce   v alu e s .   C o n v e n tio n al  m et h o d s   s u c h   as  S m ith   a n d   p o le  ass i g n m e n m et h o d s   ar u s ed   to   s et   P I   p ar am eter s   [ 5 ] .   Du to   t h d if f ic u lt y   o f   g etti n g   t h tr a n s f er   f u n ct io n   o f   VS C   HVD C   s y s te m ,   t h e s m e th o d s   w ill   n o u s e f u l.   J in g   Yo n g   u s es ti m a tio n   m eth o d   to   s et  g ain s   o f   P I   co n tr o ller   u s in g   P SC A D/E MT DC   s o f t w ar e,   b u th e   esti m atio n   m et h o d   h a s   n o   s c ie n ti f ic  f o u n d atio n   [ 6 ] .   A   s i m p le x   al g o r ith m   i s   p r ese n ted   f o r   opt i m izi n g   t h p ar am eter s   o f   P I   co n tr o ller s   [ 7 ] .   Mo d elin g   o f   th VS C -   HV DC   s y s te m   f o r   o p tim al  p o w er   f lo w   ( OP F )   s o lu tio n   u s i n g   Ne w to n - R a p h s o n   m eth o d   [ 8 ] .   R ec en t l y   t h er ar n e w   m et h o d s   f o r   o p ti m izatio n   ca lled   m e ta  h eu r i s tic  m et h o d s   w h ic h   h a s   ab ilit y   to   g et  t h e   o p tim a v al u o f   an y   p ar a m et er   n ea r   g lo b al  v alu f ast.  Ge n etic  alg o r it h m   i s   u s ed   to   g et   th p ar am eter s   o f   co n tr o ller   [ 9 ] .   A r ti f icial   b ee   c o lo n y   a n d   m i n b last   al g o r ith m s   ar ap p lied   to   g e t o p ti m a g ain   o f   VS C -   HV DC   s y s te m   w it h   s lid i n g   m o d co n tr o [ 1 0 ] .   I n   th is   p ap er   th m e ta  h eu r i s tic  m eth o d s   u s ed   ar ( GSA   &   S C A )   f o r   g etti n g   o p ti m al  v a lu e s   o f   t h g ain s .   T h r est  o f   p ap er   is   o r g a n ize d   as  f o llo w s I n   Sectio n   2 ,   Mo d elin g   a n d   d escr ip tio n   o f   th s y s te m .   C o n tr o S y s te m   is   i n tr o d u ce d   in   s ec tio n   3 .   Op ti m iza tio n   m et h o d s   ar p r esen ted   in   Se ctio n   4 .   Si m u latio n   r esu lt s   ar p r o v id ed   in   Sectio n   5   an d   Sectio n   6   in clu d e s   co n c lu s io n .       2.   M O DE L I N G   AN DE SCRI P T I O O F   SYS T E M   T h VSC   b ased   HVDC  tr a n s m is s io n   s y s te m   b et w ee n   t w o   AC   s y s te m s   co n s i s ts   o f   t w o   co n v er ter   s tatio n s   ( o n is   a s   r ec tif ier   an d   th o th er   i s   i n v er ter )   co n n ec ted   b y   DC   ca b le.   Fi g u r e   1   s h o w s   t h s i n g le   lin d iag r a m   o f   V SC - HV DC .   I n   th i s   p ap er   VSC - HVDC  s y s te m   m o d el  w h ic h   is   e s tab li s h ed   in   M A T L A B   Si m u li n k   i s   u s ed   . T h is   s y s te m   is   d es ig n ed   to   tr a n s m it   2 0 0   MW   at  1 0 0   K DC .   Fi g u r e   2   s h o w s   t h Si m u l in k   m o d el  o f   th s y s te m .         Fig u r 1 .   SL f o r   VSC - HVD C           Fig u r 2 .   Si m u li n k   m o d el  o f   VSC - HVD C   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       R ea ctive   p o w er c o n tr o l to   en h a n ce   th V S C - HV DC   s yste p erfo r ma n ce   u n d er …   ( Mo h a med   S .   Gh a ya d )   147   T h is   m o d el  co n s is ts   o f :   a.   T w o   id en tica A C   S y s te m   ( 1   & 2 )   an d   th eir   r ati n g s   ar 2 0 0 0   MV A ,   2 3 0   k an d   5 0   Hz.   b.   T r an s f o r m er s t h f u n ctio n   o f   th tr an s f o r m   is   s tep p in g   d o w n   t h ac   s y s te m   v o lta g f r o m   2 3 0   k to   1 0 0   kV   to   b p r o p e r   f o r   ea ch   co n v er ter .   c.   AC   Fil ter s Sh u n h i g h   p ass   f i lter s   w ith   4 0   MV A R   ar in s ta lled   af ter   th tr an s f o r m er s   o n   th A C   s y s te m   s id to   eli m i n ate  h i g h   o r d er   h ar m o n ics.   d.   P h ase  R ea cto r s T h ese  r ea cto r s   ar co n n ec ted   i n   s er ie s   b et wee n   t h tr an s f o r m er   an d   th s t atio n   co n v er ter   an d   th ei r   v al u e s   ar 0 . 1 5   p u .   T h ey   ar u s ed   f o r   co n tr o llin g   r ea cti v an d   ac ti v p o w e r   b y   r eg u lati n g   cu r r en ts   w h ic h   p ass e s   th r o u g h   th e m   a n d   u s ed   to   r ed u ce   th h ig h   f r eq u e n c y   h ar m o n ics.   e.   C o n v er ter s   s ta tio n s T h er ar t w o   co n v er ter s   o n ac t s   as  a   r ec tif ier   a n d   th o t h er   as  a n   i n v er ter   a n d   th e   s e m ico n d u cto r   u s ed   is   I GB T   w it h   a n tip ar allel  d io d e.   T h er is   co n tr o ller   cir cu it  in   ea c h   s tatio n   to   r ea ch   co n tr o lled   p u ls es to   I GB T .   f.   DC   C ap ac ito r s   : T h ese  ca p ac it o r s   ar in s tal led   o n   t h DC   s id an d   th s ize  o f   th e m   d ep en d   o n   th r eq u ir ed   DC   v o ltag . T h f u n ctio n   o f   t h ese    ca p ac ito r s   i s   r ed u ci n g   th v o ltag e   r ip p les  o n   t h D C   s i d an d   u s ed   a s   en er g y   s to r ag to   co n tr o l th t h p o w er   f lo w   a n d   th e y   h a v v alu o f   7 0   m icr o   f ar ad .   g.   DC   C ab les:   T h t w o   co n v er t er s   s tatio n s   ar co n n ec ted   t h r o u g h   D C   ca b les   . T h p o w er   is   tr an s m i tted   th r o u g h   t w o   p s ec tio n s   o f   le n g th   7 5   k m .   T h co n s tr u ct io n   o f   s ta tio n   1   is   s h o w n   i n   Fi g   3   a n d   it  is   id e n tical   f o r   s tatio n   2 .     T h co n s tr u ctio n   o f   s tatio n   1   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   3   an d   it is   i d en tical  f o r   s tat io n   2           Fig u r 3 .   C o n s tr u ctio n   o f   s tati o n   1       3.   CO NT RO L   SYS T E M   T h co n tr o ller   d esig n   o f   co n v er ter   1   an d   co n v er ter   2   ar id en tical.   T h tw o   co n t r o ller s   ar e   in d ep en d en w i th   n o   co m m u n icatio n   b et w ee n   th e m .   T h es ar u s ed   to   co n tr o ac tiv p o w er   (   P ) ,   r ea ctiv p o w er (   Q)   an d   DC   v o ltag e(   U d )   in   t h s y s te m .   Fi g u r e   4   s h o w s   a n   o v er v ie w   d iag r a m   o f   th co n tr o s y s te m   a n d   its   co n n ec tio n   w i th   t h m ain   c ir cu it.           Fig u r 4 .   Ov er v ie w   d ia g r a m   b lo ck s   o f   t h VS C   co n tr o l s y s te m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   8 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 9 :   1 4 5     1 5 8   148   T h co n tr o l c ir cu it c o n s is ts   o f   m ai n   b lo ck s   as  f o llo w :     3 . 1 .     T he  ph a s lo ck e d lo o p ( P L L )   blo c k   T h f u n ctio n   o f   th is   b lo ck   i s   to   ca lc u late  t h tr a n s f o r m a tio n   a n g le   ( Ө)   w h ich   u s ed   i n   t h ( d - tr an s f o r m atio n ) .   T h is   is   d o n b y   m ea s u r in g   t h f r eq u e n c y   o f   th s y s te m   a n d   p r o v id es  th is   a n g le.   I n   s tead y   s tate,   s i n ( Ө)   is   in p h ase  w it h   t h f u n d a m e n tal  p o s iti v s eq u e n ce   o f   ( -   co m p o n e n t)   an d   p h ase  A   o f     t h p o in t   o f   co m m o n   co u p li n g   v o lta g ( Uab c) .     3 . 2 .     O ute r   a ct iv e   a nd   re a ct i v po w er   a nd   v o lt a g lo o p   T h DC   v o lta g e   a n d   ac tiv p o w er   ar co n tr o lled   b y   t h c o n tr o llin g   t h p o w er   a n g le  ( δ )   an d   th e   r ea ctiv p o w er   co n tr o is   d o n b y   co n tr o lli n g   th m o d u latio n   i n d ex   ( w h ich   i s   th e   r atio   b etw ee n   th e   f u n d a m en ta o u tp u v o ltag o f   co n v er ter   an d   th D C   v o lta g e ) .   T h in s ta n ta n eo u s   ac t iv a n d   r ea ctiv p o w er   o f   th in v er ter   ca n   b w r itte n   in   t er m s   o f   t h d - q   co m p o n e n ts   o f   th v o lta g an d   t h cu r r en t a s   f o llo w s :       ( 1 )         ( 2 )     I f   th r ef er en ce   o f   t h d q - f r a m is   ch o s e n   s u ch   t h at  th ( q - co m p o n e n t)   o f   th v o lta g is   b ein g   v er y   s m al an d   ca n   b n e g lecte d   ( UL q     0 )   th en   in   ( 1 )   an d   ( 2 )   i n d icate   th at  th r ea cti v an d   t h ac tiv p o w er   ar p r o p o r tio n al  to   th q   a n d   d   co m p o n en o f   th e   cu r r en r esp ec tiv el y .   T h er ef o r e,   it  is   p o s s ib l to   co n tr o th e   DC   v o ltag e,   th ac ti v p o w er   an d   th r ea ctiv p o w er   b y   co n tr o llin g   th cu r r en co m p o n en t s   i vd   a n d   i vq   r esp ec tiv el y .   T h ac ti v a n d   r ea ctiv p o w er   a n d   v o lta g lo o p   co n tain s   th o u ter   lo o p   r eg u lato r s   th at  co m p u te   th r ef er e n ce   v al u o f   t h c u r r en v ec to r   ( I ref_dq )   w h ic h   i s   th e   in p u to   t h in n er   cu r r en lo o p .   A ls o   it  co n ta in s   P I   co n tr o ller   w it h   f ee d   f o r w ar d   co n tr o l to   in cr ea s th s p ee d   r esp o n s e.     3. 3   I nn er   curr ent   lo o p   T h is   lo o p   is   u s ed   to   tr ac k   th r ef er en ce   cu r r en v ec to r   w it h   f ee d   f o r w ar d   s ch e m to   ac h iev f as t   co n tr o l o f   th co n tr o ller   at  d is t u r b an ce s   a n d   lo ad   ch an g e s . T h eq u atio n   af ter   ap p ly i n g   KV L   f o r   ea ch   p h ase  is :       ( 3 )     Du r in g   u n b alan ce d   o p er atio n   o f   eq u atio n   [ 3 ] ,   th e   v o lta g d r o p   eq u atio n s   o v er   th e   i m p ed an ce   ( R   j ω L )   h o ld s   f o r   p o s iti v an d   n e g ati v s eq u e n ce   v o lta g es  a n d   cu r r en ts .   T h v o ltag e s   d r o p s   ar d escr ib ed   b y   t h e   d if f er e n tial i n   ( 4 )   as f o llo w :           ( 4 )     W h er ( p )   f o r   p o s itiv s eq u en ce   a n d   ( n )   f o r   n eg ativ s eq u en ce .   E q u atio n   ( 4 )   ca n   b tr a n s f o r m e d   to   th α   β - f r a m a s   f o llo w   i n   ( 5 ) :         ( 5 )     E q u atio n   ( 5 )   ca n   b f u r t h er   tr an s f o r m ed   to   th r o tatin g   d q - f r a m as  f o llo w   i n   ( 6 )   &   ( 7 ) .         ( 6 )         ( 7 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       R ea ctive   p o w er c o n tr o l to   en h a n ce   th V S C - HV DC   s yste p erfo r ma n ce   u n d er …   ( Mo h a med   S .   Gh a ya d )   1 49   T h p o s itiv a n d   n eg at iv e   s eq u en ce   v o lta g es   o f   th e   VS C   s id ar o b tain ed   f r o m   t h last   eq u atio n s   a s   f o llo w :       ( 8 )       ( 9 )       ( 1 0 )       ( 1 1 )     T h m ea n   v o ltag e s   o v er   t h s a m p le  p er io d   k   to   k +1   ar o b tain ed   b y   i n te g r atin g   ( 8 ) ,   ( 9 ) ,   ( 1 0 )   an d   ( 1 1 )   f r o m   ( k)   T s   to   ( k+1 ) Ts     a n d   d iv id in g   b y   T s   ( w h er T s   is   th s a m p lin g   ti m e) .       ( 1 2 )       ( 1 3 )       ( 1 4 )       ( 1 5 )     E q u atio n s   ( 1 6 - 1 9 )   ar o b tain ed   b y   as s u m i n g   co n s tan n et w o r k   v o lta g an d   li n ea r   cu r r e n d u r in g   o n e   s a m p le  p er io d   T s .       ( 16 )         ( 17 )         ( 18 )         ( 19 )     T h co n tr o is   b ased   o n   ( 1 6 - 1 9 ) ,   w h er th v o lta g es  a n d   cu r r en ts   at  ti m ( k +1 )   ar th u s   eq u al  to   th e   r ef er en ce   v a lu e s   at  ti m ( k ) .     3. 4   DC  v o lt a g ba la nce  co n t ro l   T h is   b lo ck   is   u s ed   to   k ee p   t h v o ltag D C   s id o f   t h th r e e - le v el  b r id g b alan ce d   ( i.e . ,   eq u al  p o le  v o ltag e s )   in   s tead y - s tate.   I is   p o s s ib le  to   f in d   s m all  d ev iati o n s   b et w ee n   th p o le  v o ltag e s   d u to   ch an g es  o f   co n v er ter   cu r r en o r   d u to   n o n li n ea r it y   o n   s h o r tag o f   p r ec is io n   in   t h ex e c u tio n   o f   th p u ls w id t h   m o d u lated   b r id g v o lta g e.   Fi g u r e   5   s h o w s   h ig h - le v el  d iag r a m   o f   t h s i m u li n k   m o d el  f o r   VSC   co n tr o ller .       4.   O P T I M I Z AT I O M E T H O DS   T h w o r d   o f   o p ti m izatio n   s ta n d s   f o r   t h p r o ce s s   o f   g etti n g   o p ti m al  v al u f o r   t h p ar a m e ter s   o f   an y   s y s t e m   to   m i n i m ize  o r   m ax i m i ze   its   o b j ec tiv f u n ctio n .   T h o p tim izatio n   p r o b lem s   ca n   b cla s s i f ied   in to   m a n y   ca t eg o r ies  b ased   o n   i f   th e y   ar d is cr ete  o r   co n tin u o u s ,   m o n o   o r   m u lti - o b j ec tiv e,   co n s tr ain ed   o r   u n co n s tr ai n ed   an d   d y n a m ic  o r   s tatic.   An   o v er v ie w   o f   s o m co n v e n tio n a m eth o d s   a n d   m e ta  h e u r is tic  tec h n iq u es   w h ic h   ca n   b u s ed   in   elec tr ica l p o w er   o p ti m iza tio n   p r o b lem s   i s   p r esen ted   in   [ 1 1 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   8 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 9 :   1 4 5     1 5 8   150       Fig u r 5 .   Si m u li n k   m o d el  o f   c o n tr o l c ir cu it       T h co n v en tio n al  o p ti m iza tio n   alg o r it h m s   d o   n o g i v s u itab le  s o lu tio n   b ec au s t h s e ar ch   s p ac e   in cr ea s es   ex p o n e n tial l y   w it h   th p r o b le m   s ize.   Me ta  h eu r i s tic  o p ti m izatio n   alg o r i th m s   lo o k   to   th e   o p tim izatio n   p r o b le m s   as  b lac k   b o x es  [ 1 2 ] .   T h is   m ea n s   th at  g etti n g   th m at h e m atica m o d els  is   n o n ec ess ar y   b ec au s s u ch   o p ti m izatio n   m e th o d s   o n l y   v ar y   t h in p u ts   ( p a r a m eter s )   an d   n o tice  t h o u tp u ts   o f   th s y s te m   f o r   m i n i m izi n g   a n d   m a x i m izi n g   its   o u tp u ts .   T h ese  m e th o d s   t r y   to   s ee k   g o o d   s o lu tio n s   ( n ea r   g lo b al)   f o r   th e   p r o b lem   s ea r ch   s p ac e .   T h ese  m et h o d s   ar m o ti v ated   f r o m   ev o lu tio n ar y   p h e n o m e n a ,   b eh av io r   o f   cr ea tu r es,   p h y s ical  la w s   a n d   h u m a n - r ela ted   co n ce p ts .   So m o f   t h f a m o u s   alg o r it h m s   i n   ea ch   o f   t h ese  s u b clas s es  ar e   p r esen ted   as f o llo w s :   a)   B eh av io r   o f   cr ea t u r es - b ased   tech n iq u e s P ar ticle  S w ar m   Op ti m izatio n   ( P SO)   [ 1 3 ] ,   An C o lo n y       Op ti m izatio n   [ 1 4 ]   ( A C O)   an d   A r ti f icial  B ee   C o lo n y   ( A B C )   alg o r ith m   [ 1 5 ] .   b)   E v o lu tio n ar y   tec h n iq u es :   Dif f er en tial E v o l u tio n   ( DE )   [ 1 6 ]   a n d   Gen etic  A l g o r it h m s   ( G A )   [ 1 7 ] .   c)   P h y s ic s   r u le s   - b ased   tech n i q u es:   C o llid in g   B o d ies  Op ti m izatio n   ( C B O)   [ 1 8 ] ,   Gr av itatio n al  Sear c h   A l g o r ith m   ( GS A )   [ 1 9 ]   an d   B lack   Ho le  ( B H)   [ 2 0 ] .   d)   Hu m an - r elate d   tec h n iq u e s :   M in B las A l g o r ith m   ( MB A )   [ 2 1 ] ,   L ea g u C h a m p io n s h ip   A lg o r ith m   ( L C A )   [ 2 2 ]   an d   T ea ch in g - L ea r n i n g - B ased   Op ti m izatio n   ( T L B O)   [ 2 3 ] .   I n   th i s   p ap er   tw o   m eta  he u r i s tic  s ea r ch   al g o r ith m s   w ill  b u s ed   w h ich   h as  le s s   co m p u tati o n al  ti m e ,   r elativ h ig h   ac cu r ac y   an d   le s s   p ar a m eter s   r eq u ir e m e n ts .   T h f ir s m e th o d   is   ca lled   G r av itatio n a Sear ch   A l g o r ith m   ( GS A )   a n d   t h s ec o n d   is   ca lled   Si n C o s i n Al g o r ith m   ( S C A ) .   T h t w o   m e t h o d s   ar e x p lain ed   b r ief l y   i n   th f o llo w i n g   s ec tio n s :     4 . 1   G ra v it a t io na l sea rc h a l g o rit h m   ( G SA)   T h is   alg o r it h m   is   d ep en d i n g   o n   g r a v it y   la w   f o r   Ne w to n   wh ich   s a y s   T h attr ac tio n   f o r ce   b et w ee n   th p ar ticles  is   i n v er s el y   p r o p o r tio n al  to   th s q u ar o f   th d i s tan ce   b et w ee n   th e m   a n d   d ir ec tl y   p r o p o r tio n al  to   th p r o d u ct  o f   th eir   m as s es” .   I n   th i s   alg o r ith m ,   ag e n t s   ar co n s id er ed   as  p ar ticles  an d   th eir   p er f o r m an ce   i s   m ea s u r e d   b y   th ei r   m as s es  i.e .   th b etter   s o lu tio n   is   co r r esp o n d in g   to   th h ea v y   m as s es.  A ll  th e s p ar ticles  attr ac ea ch   o th er   b y   th attr ac tio n   f o r ce   an d   t h is   f o r ce   ca u s e s   m o v e m e n o f   all  p ar ticles  to w ar d s   th p ar ticles  w i th   h ea v ier   m as s es  w h ile  h ea v y   m as s es  m o v m o r s lo w l y   th a n   li g h t er   o n es.  A s   t h ti m p ass e s ,   all  m as s es  w ill  b e   attr ac ted   b y   th h ea v ie s m a s s .   T h is   m a s s   w ill  p r ese n an   o p ti m u m   s o lu tio n   in   t h s ea r ch   s p ac e.   T h p r in cip le  o f   GS A   is   e x p lai n ed   in   d etails   in   [ 1 9 ] .   Fig u r 6   s h o w s   t h s te p s   o f   o p er atio n   in   ea ch   iter atio n   as a   f lo w   c h ar t.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       R ea ctive   p o w er c o n tr o l to   en h a n ce   th V S C - HV DC   s yste p erfo r ma n ce   u n d er …   ( Mo h a med   S .   Gh a ya d )   151       Fig u r 6 .   Flo w   c h ar t o f   GS A       4 . 2   Sin co s ine a lg o rit h m :   T h o pti m iza t io n   p r o ce s s   in   th is   al g o r ith m   s tar ts   th b y   s et  o f   r an d o m   s o l u tio n   t h e n   it   b eg an s   to   u p d ate  th p o s itio n   o f   t h i s   s o l u tio n .   T h u p d atin g   p o s itio n   i s   d o n ac co r d in g   to :       ( 2 0 )         ( 2 1 )     W h er X i t+ is   t h p o s itio n   o f   n e w   s o l u tio n ,   X i t   i s   th e   p o s itio n   o f   c u r r en s o lu tio n   i n   t - iter at io n   an d   r 1 r 2 ,   r ar r an d o m   n u m b er s   [ 2 4 ] .   T h s w i tch i n g   b et w ee n   t h t w o   eq u atio n s   i s   b ased   o n   r an d o m   v ar iab le  ( r 4 ) .   T h r ec en eq u atio n s   ar t h r ea s o n   b eh i n d   t h n a m e   o f   t h i s   alg o r ith m .   As  t h iter atio n   co u n ter   in cr ea s e s ,   t h r an g e s   o f   co s i n a n d   s i n f u n c tio n s   ar e   u p d ated   to   e m p h as iz ex p lo itatio n   o f   th e   s ea r c h   s p ac e.   T h alg o r ith m   s to p s   t h o p ti m izatio n   p r o ce s s   w h en   t h iter atio n   co u n ter   b ec o m e s   h ig h er   t h a n   t h m a x i m u m   n u m b er   o f   iter atio n s .   Fi g u r 7   s h o w s   t h f lo w   ch ar t o f   t h al g o r ith m .           Fig u r 7 .   Flo w   c h ar o f   S C A   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   8 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 9 :   1 4 5     1 5 8   152   5.   SI M UL AT I O R E S UL T S   T h o b j ec tiv o f   th is   s ec tio n   i s   ch ec k i n g   th d y n a m ic  r ea ctiv p o w er   r esp o n s o f   th HV DC   s y s te m   an d   tr y i n g   to   i m p r o v t h i s   r es p o n s v ia  t u n in g   t h P I   co n tr o ller   p ar am eter s   u s i n g   o p ti m i za tio n   m et h o d s .   T o   ch ec k   t h d y n a m ic  r esp o n s t h s y s te m   i s   ex p o s ed   to   d if f e r en d is tu r b an ce s   s u c h   as  th r e p h ase  f au l t,  AC   v o ltag s a g   an d   s tep   ch an g i n   r ef er en ce   v al u es.  T h en   o b s er v in g   th r ea ctiv p o w er   r esp o n s w ith   r esp ec to   th r e f er en ce   i n   ea c h   ca s e.   T h is   s ec tio n   co n s is ts   o f   t w o   p ar ts ,   T h f ir s t   p ar t e x p lai n   t y p e   o f   p ar am eter s   an d   th e   v alu e s   o f   t h d ef a u lt  a n d   o p ti m al  p ar a m eter s   af ter   ap p l y i n g   o p ti m izat io n   m eth o d s ,   w h il th s ec o n d   p ar t   co n clu d t h co m p ar is o n   b et w ee n   t h r ea ctiv p o w er   d y n a m ic  r esp o n s o f   d ef a u lt  s y s te m   a n d   o p ti m ized   s y s te m .     P a rt   1 :   G et t ing   o pti m a l pa ra m et er s   us i ng   G S A   a nd   SCA   m et ho d   I n   th is   p ar th GS A   a n d   SC A   ar u s ed   to   tu n th r ea ctiv p o w er   P I   co n tr o ller   w h en   t h s y s te m   i s   ex p o s ed   to   s ev er th r ee   p h ase   f au lt  at  s y s te m .   T h er ar s ix   co n tr o p ar am eter s   ( K I _ r eg u l ato r ,   k P _ co n tr o an d   k I _ co n to f o r   s tatio n   1   an d   K I _ r eg u lato r ,   k P _ co n tr o l a n d   k I _ c o n to l f o r   s tatio n   2 )   w h ic h   u s ed   to   co n tr o l r ea ctiv e   p o w er .   K I _ r eg u lato r   u s ed   to   k ee p   th v alu o f   m ea s u r ed   r ea ctiv p o w er   w it h   t h d esire d   r an g e.   k P _ co n tr o an d   k I _ co n to l   ar u s ed   to   s et tle  th e   v al u o f   t h m ea s u r e d   r ea ctiv p o w er   f a s t.  T h o b j ec tiv f u n ctio n   i s   m i n i m izi n g   t h er r o r   b etw ee n   th m ea s u r ed   an d   r ef er en ce   v alu o f   r ea ctiv p o w er .   B o th   m et h o d s   w ill  tr y   r an d o m l y   to   g e m i n i m u m   o b j ec tiv r eg ar d less   th r ea cti v e   p o w er   cu r v h i g h er   o r   lo w er   th an   t h r ef er e n ce .   T h r an g o f   t h ese   p ar a m eter s   is   o b tain ed   b y   tr ial  a n d   er r o r .   Fo r   ea ch   m et h o d ,   it  b eg a n   to   ass u m r an d o m   s o lu tio n s   ( v al u es  f o r   th s ix   p ar a m ter s )   w ith in   t h g i v en   r an g e,   h en ce   t h s y s te m   r u n s   w it h   th ese  v alu e s .   T h en   th f it n e s s   f u n ctio n   ( er r o r   b et w ee n   th m ea s u r ed   r ea ctiv p o w er   v al u an d   r ef r en ce   o n e)   f o r   ea ch   s o lu tio n   i s   co m p u ted .   T h m i n i m u m   v a l u o f   th f i tn e s s   f u n c tio n   i n d icate s   t h at  t h ese   s o lu tio n s   ca n   b b est  s o lu tio n s .   Usi n g   t h ese  s o l u tio n s ,   th m e th o d   b eg an   to   g e n er ate  n e w   s o lu tio n s   an d   th p r ev io u s   c y c le  is   r ep ea ted   ag ain   u n t il  th n o   o f   iter atio n   ex ce ed s   th m a x i m u m   n o   o f   iter atio n   ( 2 0 0   iter atio n ) .   R an g e,   d ef au lt  an d   o p ti m a l   v alu e s   ar lis ted   i n   T ab le  1 .       T ab le  1 . Valu es o f   P ar am e ter s     P a r a me t e r s   Ra n g e   D e f a u l t   G S A   S C A   S t a t i o n   1     K I _ r e g u l a t o r   1 0   -   30   20   1 0 . 8 3 3 4   1 0 . 1 4 3 3   K P _ c o n t r o l   -   20   3   2 . 5 3 3 6   1 . 0 3 2 6   K I _ c o n t r o l   -   20   3   5 . 2 9 0 1   3 . 1 1 1 9   S t a t i o n   2   K I _ r e g u l a t o r   1 0   -   30   20   1 3 . 6 4 7 3   2 1 . 6 7 4 3   K P _ c o n t r o l     20   3   6 . 8 2 1 4   1 . 6 1 0 0   K I _ c o n t r o l     20   3   1 7 . 0 3 7 2   9 . 4 6 8 8       P a rt   2 :   Dy na m ic  re s po n s co m pa r is o n   I n   th i s   p ar co m p ar is o n   b etw ee n   t h d ef au lt  s y s te m   a n d   th e   o p ti m ized   s y s te m   i n   ca s o f   r ea ctiv e   p o w er   r esp o n s i s   ca r r ied   o u t.  T h s y s te m   i s   e x p o s ed   to   th r ee   d if f er en d is t u r b an ce s   a s   ca s es  s t u d ies  a s   f o llo w :     Ca s 1 :   A p p l y in g   t h r ee   p h a s e   f a u lts   at  t h b u s   o f   A C   s y s te m   2   at  1 . 5   s ec   a n d   clea r i n g   it  af ter   0 . 2 5   s ec .   T h r ef er en ce   v a lu e   o f   r e ac tiv p o w er   ( Q r )   i s   - 0 . 1   p u .   T h r ef er en ce   v al u o f   ac ti v p o w er   is   r a m p   v al u e   an d   r ea ch es  to   1   p u   a f ter   o n s ec o n d .   T h r ef r en ce   v alu o f   DC   v o ltag i s   1   p u .   Fi g u r e   8   s h o w s   th d y n a m i c   m ea s u r ed   r ea ctiv p o w er   r esp o n s ( Q m )   o f   t h d ef a u lt  s y s te m   o f   s y s te m   2   w h ic h   ill u s tr at es  th at  t h s y s te m   tak es  lo n g   ti m to   r ea ch   th r ef er en ce   v al u o f   r ea ctiv p o w er   af ter   clea r in g   th f a u lt.  Fig u r e   9   s h o w s   th e   o p tim ized   s y s te m   r e s p o n s u s in g   GS A   w h ic h   s h o w s   th a th s y s te m   r ea c h es  t h r ef er en c e   v alu f aster   t h a n   th ca s o f   d ef a u lt  s y s te m .   Fi g u r e   1 0   s h o w s   th o p ti m ized   s y s te m   r esp o n s u s i n g   S C A   w h i ch   also   h as  s ettli n g   ti m les s   th a n   th ca s o f   d e f au lt  s y s te m .   Fig u r e   1 1   s h o w s   th b eh av io u r   o f   all  ca s es  i n   o n g r ap h   to   g et   ac cu r ate  co m p ar is o n   w h i ch   c o n f ir m s   t h r esu l m e n tio n ed   b ef o r th at  th s ettl in g   ti m is   i m p r o v ed   an d     th s ettli n g   ti m o f   G S A   an d   S C A   i s   al m o s 2 . 5   s   an d   2 . 9   s   r esp ec tiv el y   w h ile  f o r   d ef au l s y s te m   i s   g r ea ter   t h a n   th r ee   s ec o n d s .   A l s o ,   it  is   n o te d   th at  d ev iatio n   f r o m   th r e f er e n ce   v al u i n   S C A   is   s m aller   t h an   d e v iatio n   f r o m   th r ef er e n ce   v a lu i n   ca s o f   GS A .   Fi g u r e   1 2   s h o w s   t h r es p o n s o f   ac ti v p o w er   o f   all  c ases   i n   o n g r ap h .   T h r esp o n s o f   d ef au lt  a n d   GS A   ca s an d   d ef a u lt  ca s ar s i m ilar   b u t h r esp o n s o f   S C A   r esp o n s i s   b etter   th an   th e m   b ec a u s it  h as  s m a ll  d ev atio n   f r o m   th r e f er en ce .   Fig u r e   1 3   s h o w s   t h d y n a m ic  r esp o n s o f   D C   v o ltag f o r   all  ca s es  in   o n g r ap h   .   I is   n o ted   th at  th d ef au lt  an d   GS A   ca s es  ar b etter   in   r esp o n s th an   S C ca s e.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       R ea ctive   p o w er c o n tr o l to   en h a n ce   th V S C - HV DC   s yste p erfo r ma n ce   u n d er …   ( Mo h a med   S .   Gh a ya d )   153       Fig u r 8 .   R ea ctiv p o w er   r esp o n s f o r   d ef a u lt c ase           Fig u r 9 .   R ea ctiv p o w er   r esp o n s f o r   GS A   ca s e           Fig u r 10 .   R ea ctiv p o w er   r es p o n s f o r   SC A   ca s e           Fig u r 11 .   R ea ctiv p o w er   r es p o n s f o r   all  ca s es           Fig u r 12 .   A cti v p o w er   r esp o n s f o r   all  ca s es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   8 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 9 :   1 4 5     1 5 8   154       Fig u r 13 .   DC   v o ltag r esp o n s f o r   all  ca s es       Ca s 2 A p p ly in g   a   s tep   ch a n g e   i n   AC   v o lta g o f   s y s te m   1   an d   th i s   is   ca n   b d o n b y   u s i n g   t h r ee - P h ase   p r o g r am m ab le  v o ltag So u r ce   in   s y s te m   1 .   T h a m p litu d o f   AC   v o lta g o f   s y s te m   1   is   ch an g ed   f r o m   1   p u   to   0 . 8   p u   at  1 . 5   s   f o r   0 . 2 5   s .   Fig u r 1 4   s h o w s   t h d y n a m ic  r ea ctiv p o w er   r esp o n s o f   th d ef au lt  s y s te m   o f   s y s te m   1   w h ic h   ill u s tr ate s   th a th d ev iatio n   f r o m   th r e f er en ce   v al u is   h i g h   d u r in g   th e   v o ltag s a g   w h ic h   r ea ch s   to   - 0 . 4 8   p u .   Fi g u r e   1 5   s h o w s   t h o p ti m ized   s y s te m   r e s p o n s u s i n g   G S A   w h ic h   h as   less   d e v iatio n   f r o m   th r ef er e n ce   v a lu t h a n   t h d ef au lt  ca s d u r i n g   th v o lta g s ag   a n d   th i s   v alu r ea c h   to   - 0 . 4   p u .   Fig u r e   1 6   s h o w s   th o p ti m ized   s y s te m   r esp o n s u s i n g   SC w h ich   h as  m in i m u m   d ev iat io n   f r o m   t h r ef er e n ce   v a lu e   co m p ar ed   w it h   d ef a u lt  a n d   G S A   ca s es  d u r in g   t h v o lta g s ag   an d   it s   v al u r ea c h   - 0 . 2 2 .   Fig u r e   1 7   s h o w s   t h e   all  p r ev io u s   ca s es  i n   o n g r ap h   w h ich   co n f ir m s   th r e s u l m en tio n ed   b ef o r th a S C A   c ase  h a s   les s   r ea ctiv e   p o w er   d ev iatio n   f r o m   t h r e f er en ce   v al u e.   Fig u r e   1 8   s h o w s   t h d y n a m ic  r esp o n s o f   ac tiv p o w er   w h ich   in d icate   t h at  t h r esp o n s i n   ca s e   o f   SC h a s   les s   d ev iatio n   f r o m   t h r e f er en ce   v al u e.   F ig u r e   1 9   s h o w s   th e   d y n a m ic  r esp o n s o f   DC   v o lt ag w h ic h   i n d icate   th t h AC   v o lta g s ag   h as  s m a ll  ef f ec t   o n   DC   v o lta g an d   th r esp o n s o f   all  ca s es i s   s i m ilar .           Fig u r 14 R ea ctiv p o w er   r es p o n s f o r   d ef au lt c ase         Fig u r 15 .   R ea ctiv p o w er   r es p o n s f o r   GS A   ca s e           Fig u r 16 .   R ea ctiv p o w er   r es p o n s f o r   SC A   ca s e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.