I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   A p p l i e d   P o w e r   E n g i n e e r i n g   ( I J A P E )   V o l .   1 ,   N o .   1 ,   A p r i l   2 0 1 2 ,   p p .   1 ~ 1 2   I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2             1       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s j o u r n a l . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J A P E   I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   i n   D C   M i c r o - G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s       W e i l i n   L i * ,   H u i m i n   L i * * ,   M i n   L u o * ,   Y u n f e i   Z h a n g * * *   * E . O N   E n e r g y   Re s e a r c h   Ce n t e r ,   RW T H   A a c h e n   U n i v e r s i t y     * * D e p a r t e m e n t   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   o f   S o u t h   Ca r o l i n a   * * * D e p a r t e m e n t   o f   M e c h a n i c a l   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   o f   Br i t i s h   Co l u m b i a         A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J a n   2 3 ,   2 0 1 2   R e v i s e d   M a r   1 0 ,   2 0 1 2   A c c e p t e d   M a r   2 1 ,   2 0 1 2       D m i c r o - g r i d s   a r e   a t t r a c t i n g   m o r e   a n d   m o r e   a t t e n t i o n   d u e   t o   t h e i r   c a p a b i l i t y   t o   l e a d   t o   m o r e   e f f i c i e n t   i n t e g r a t i o n   o f   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   c o m p a r e d   w i t h   t r a d i t i o n a l   A m i c r o - g r i d s .   I n   t h i s   p a p e r ,   a   h i e r a r c h i c a l   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   i s   p r o p o s e d   t o   i m p r o v e   t h e   c o n t r o l   p e r f o r m a n c e   o f   D m i c r o - g r i d   w i t h   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n s   ( D G s ) ,   w h i c h   u t i l i z e   a   g l o b a l   c o n t r o l l e r   ( G C)   t o   o p t i m i z e   t h e   o v e r a l l   p r o c e s s   a n d   a   n u m b e r   o f   d i s t r i b u t e d   l o c a l   c o n t r o l l e r s   ( L C s )   a s s o c i a t e d   w i t h   e a c h   s u b s y s t e m .   T h e   m e a s u r e m e n t   r e l i a b i l i t y   o f   e a c h   L i s   g u a r a n t e e d   b y   a n   a s s o c i a t e d   m e a s u r e m e n t   v a l i d a t i o n   m o d u l e   w h i c h   i s   d e v e l o p e d   b a s e d   o n   P o l y n o m i a l   Ch a o s   T h e o r y   ( P CT ) .   T h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y   a n d   r o b u s t   i s   c o u n t e d   i n   t h e   d e s i g n   o f   G C,   w h e r e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y   i s   a d o p t e d .   N u m e r i c a l   s i m u l a t i o n s   h a v e   b e e n   d o n e   t o   v e r i f y   t h e   p r o p o s e d   m e t h o d ,   a n d   t h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   s h o w   g o o d   c o n s i s t e n c y   w i t h   t h e o r e t i c a l   a n a l y s i s .   K e y w o r d :   D C   m i c r o - g r i d   D i s t r i b u t e d   g e n e r a t o r s   H i e r a r c h i c a l   c o n t r o l   M e a s u r e m e n t   v a l i d a t i o n   P o l y n o m i a l   c h a o s   Co p y r i g h t   ©   2 0 1 2   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   W e i l i n   L i ,     D e p a r t e m e n t   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   I n f o r m a t i o n   T e c h n o l o g y ,   R W T H   A a c h e n   U n i v e r s i t y ,   K a s t a n i e w e g   2 7 ,   5 2 0 7 4 ,   A a c h e n ,   G e r m a n y .   E m a i l :   w l i @ e o n e r c . r w t h - a a c h e n . d e       1 .   I N T R O D U C T I O N   R e c e n t l y ,   t h e r e   h a s   b e e n   a   s i g n i f i c a n t   i n c r e a s e   i n   t h e   r e s e a r c h ,   d e v e l o p m e n t ,   a n d   u s e   o f   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n s   ( D G s )   i n   t h e   e l e c t r i c   p o w e r   s y s t e m   a t   t h e   d i s t r i b u t i o n   l e v e l   [ 1 ] .   T h e   p r o s p e c t   o f   g e n e r a t i n g   p o w e r   f r o m   c l e a n   e n e r g y   s o u r c e s   a n d   l o c a l   p o w e r   g e n e r a t i o n   n e a r   c o n s u m e r s   h a s   f u n d a m e n t a l l y   c h a n g e d   t h e   w a y   o f   t h i n k i n g   w i t h   r e g a r d   t o   t h e   c o n v e n t i o n a l   c e n t r a l i z e d ,   l a r g e   g e n e r a t i o n - b a s e d   p o w e r   s y s t e m s .   P o w e r   s y s t e m s   c o m p o s e d   o f   s m a l l - s c a l e   d i s t r i b u t e d   e n e r g y   r e s o u r c e s ,   s u c h   a s   w i n d   t u r b i n e s ,   f u e l   c e l l s ,   p h o t o v o l t a i c ,   s t o r a g e   d e v i c e s ,   e t c .   c a n   b e   s t a n d   a l o n e   a n d   g r i d   c o n n e c t e d .   M a n y   o f   t h e s e   g e n e r a t i o n   s o u r c e s   d i r e c t l y   p r o d u c e   e i t h e r   d c   o r   v a r i a b l e   f r e q u e n c y / v o l t a g e   a c   o u t p u t s   a n d ,   t h u s ,   p r o l i f i c   c h a l l e n g e s   e x i s t   i n   i n t e g r a t i n g   i n c r e a s i n g   l e v e l s   o f   d i s t r i b u t e d   e n e r g y   r e s o u r c e s   i n t o   t h e   g r i d .   I s o l a t i n g   s o m e   p o r t i o n s   o f   t h e   g r i d   a s   s e l f - r e g u l a t i n g   m i c r o - g r i d   h a s   b e e n   p r o p o s e d   a s   o n e   p r o m i s i n g   a p p r o a c h   [ 2 ] .   A   w o r k i n g   d e f i n i t i o n   o f   m i c r o - g r i d   i s   a   d i s t r i b u t i o n   l e v e l   n e t w o r k   o f   g e n e r a t o r s   a n d   e l e c t r i c a l   a n d   t h e r m a l   l o a d s   t h a t   c a n   e x c h a n g e   p o w e r   w i t h   o t h e r   n e t w o r k s ,   e a c h   t h r o u g h   a   s i n g l e   g a t e w a y .     D C   m i c r o - g r i d s   a r e   a t t r a c t i n g   m o r e   a t t e n t i o n   b e c a u s e   t h e y   c a n   l e a d   t o   m o r e   e f f i c i e n t   i n t e g r a t i o n   o f   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   c o m p a r e d   w i t h   t r a d i t i o n a l   A C   m i c r o - g r i d s .   T h e y   w i l l   e n a b l e   d i s t r i b u t e d   e n e r g y   r e s o u r c e s   u s a g e   w o r l d w i d e   a t   v a r i o u s   l e v e l s   o f   p o w e r   d e l i v e r y   a n d   i n c r e a s e   t h e   e f f i c i e n c y   w i t h   w h i c h   m u l t i p l e   r e n e w a b l e   e n e r g y   s o u r c e s   s u c h   a s   p h o t o - v o l t a i c   c e l l s ,   f u e l   c e l l s   a n d   w i n d   t u r b i n e s   c a n   p r o v i d e   a g g r e g a t e   p o w e r   t o   a   g r o u p   o f   l o a d s .   B e c a u s e   b o t h   l o a d s   a n d   s o u r c e s   c a n   b e   i n t e r f a c e d   t o   a   c o m m o n   D C   b u s   w i t h   f e w e r   r e d u n d a n t   s t a g e s   o f   p o w e r   c o n v e r s i o n ,   t h e   r e s u l t   i s   l e s s   w a s t e   h e a t   a n d   p o t e n t i a l l y   l o w e r   c o s t   t h a n   A C   b a s e d   i m p l e m e n t a t i o n s   [ 3 ] .   O t h e r   k e y   a d v a n t a g e s   a r e   t h e   e a s e   w i t h   w h i c h   m u l t i p l e   s o u r c e s   c a n   b e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                I J A P E     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 2 2 p a r a l l e l   c o n n e c t e d   t o   a   s i n g l e   b u s   w i t h o u t   i n c r e a s i n g   t h e   c i r c u i t   a n d   c o n t r o l   c o m p l e x i t y ,   a l l o w i n g   f o r   a   m o r e   r o b u s t   d e - c e n t r a l i z e d   a p p r o a c h   t o   p o w e r   f l o w   m a n a g e m e n t   u s i n g   v o l t a g e   d r o o p ,   a n d   a n   i m p r o v e d   r i d e t h r o u g h   c a p a b i l i t y   w h e n   e n e r g y   s o u r c e s   d r o p   o f f   o f   t h e   b u s   s y s t e m   o n l y   t h e   v o l t a g e   h a s   t o   b e   c o n t r o l l e d ,   a s   o p p o s e d   t o   t h e   a c   s y s t e m   w h e r e   v o l t a g e   m a g n i t u d e ,   f r e q u e n c y   a n d   p h a s e   m u s t   b e   m a t c h e d   A c c o r d i n g   t o   p r e v i o u s   l i t e r a t u r e s ,   c o n t r o l   o f g r i d   c o n n e c t i o n ,   v o l t a g e   c o n t r o l   a n d   p o w e r   f l o w .   H o w e v e r ,   o n e   o f   t h e   m a i n   a s s u m p t i o n s   i n   a l l   t h e   p r e v i o u s   p r o p o s e d   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   i s   t h e   i n s t a n t a n e o u s   r e c o g n i t i o n   o f   t h e   d i s t u r b a n c e s   o r   c h a n g e s   w i t h o u t   c o n s i d e r i n g   m e a s u r e m e n t   I n   o r d e r   t o   s o l v e   t h e   a b o v e   m e n t i o n e d   p r o b l e m   a n d   a c h i e v e   t h e   t a r g e t e d   b e n e f i t s   o f   D C   m i c r o i n c r e m e n t a l   e f f o r t s   a r e   m a d e   i n   t h i s   p a p e r . c o n t r o l l e r   ( G C )   t h a t   o p t i m i z e s   t h e   o v e r a l l   p r o c e s s   a n d   a   d i s t r i b u t e d   n u m b e r   o f   l o c a l   c o n t r o l l e r s   ( L C a s s o c i a t e d   w i t h   e a c h   s o u r c e   o f   t h e   D C   m i c r o t h e   L C ,   p o l y n o m i a l   c h a o s   t h e o r y   ( P C T ) i n f o r m a t i o n   r e b u i l d i n g ,   w h i c h   f u r t h e r   g u a r a n t e e s   t h e   a s s u m p t i o n   t h a t   a l l   t h e   m e a s u r e d   d a t a   i s   r i g h t   w h e n   w e   a p p l y   t h e   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   i n   D C   m i c r o h a n d ,   t h e   G C   h a s   t h e   c a p a b i l i t y   t o   a p p l y   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y .   I n   t h i s   w o r k ,   S V   m o d u l e   i n   L C i s o l a t i o n ,   a n d   b a d   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n .   A n   o b s e r v e r   b a s e d   o n   P C T   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   i s   a d o p t e d   t o   a c h i e v e   t h e   g o a l   f o r   S V .   T h e   a d v a n t a g e   o f   u s i n g   P C T   i n s t e a d   o f   c o n v e n t i o n a l   M o n t e   C a r l o   m e t h o d   t o   b u i l d   t h e   s y s t e m   m o d e l   i s   t h a t   M o n t e   C a r l o   m e t h o d s   d o   n o t   r e p r e s e n t   a   v i a b l e   o p t i P C T   i s   a   f a s t   s t o c h a s t i c   m e t h o d   e a c h   v a r i a b l e ,   g i v e n   a   k n o w n   p r o b a b i l i t y   d i s t r i b u t i o n   f u n c t i o n   ( P D F ) .     T h e   d y n a m i c a l l y   y i e l d e d   b o u n d a r i e s   [ 1 0 ]   c a n   b e   u s e d   t o   g e n e r a t e   t h r e s h o l d s   t h a t   a c t u a l   m e a s u r e m e n t s .   U s i n g   d y n a m i c a l l y   c o m p u t e d ,   i n s t e a d   o f   p r e m e a s u r e m e n t   v a l i d a t i o n   m e t h o d   h e r e   a d v a n t a g e o u s   o v e r   o t h e r   w o r k   F o r   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n ,   w e   u s e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y ,   w h i c h   i s   b a s e d   o n   i d e o r g a n i z a t i o n   [ 1 1 ]   [ 1 2 ] .   T h e   t h e o r y   a l l o w s   d e s i g n e r s   t o   d e r i v e   a n a l y t i c a l   c o n t r o l   l a w s   f o r   n o n l i n e a r ,   h i g h d i m e n s i o n a l ,   a n d   m u l t i - c o n n e c t e d   s y s t e m s .   W e   i l l u t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y   b y   m e a n s   o f   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t h a t   c h a n g e s   t h e   n u m b e r   o f   o p e r a t i n g   c o n v e r t e r s .   A n d   t o   s h o w   o v e r a l l   f l e x i b i l i t y   a n d   e f f i c i e n c y   o f   a p p l i c a t i o n   o f   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y   f c o n t r o l   d e s i g n .     T h e   r e s t   o f   t h e   p a p e r   i s   d i v i d e d   i n t o   f o u r   p a r t s .   p r e s e n t e d   i n   S e c t i o n   I I .   T h e   g e n e r a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n   t o g e t h e r   w i t h   t h e   a p p l i c a t i o n   o f   P C T   i s   p r o v i d e d .   S e c t i o n   V   g i v e s   t h e   d e t a i l e d   d e s i g n   o f   g l o b a l   c o n t r o l l e r   w i t h   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y .   m a d e   i n   s e c t i o n   V I I .       2 .   S T U D I E D   D C   M I C R O - G R I D   M O D E L T h e   p r o p o s e d   c o n f i g u r a t i o n   o f   D C   m i c r o c o n t r o l   u n i t s   a n d   a   g r i d   c o n n e c t e d   v o l t a g e   s o u r c e   c o n v e r t e r   ( G   F i g u r e     2   :     1     1 2   p a r a l l e l   c o n n e c t e d   t o   a   s i n g l e   b u s   w i t h o u t   i n c r e a s i n g   t h e   c i r c u i t   a n d   c o n t r o l   c o m p l e x i t y ,   a l l o w i n g   f o r   a   m o r e   c e n t r a l i z e d   a p p r o a c h   t o   p o w e r   f l o w   m a n a g e m e n t   u s i n g   v o l t a g e   d r o o p ,   a n d   a n   i m p r o v e d   r i d e t h r o u g h   c a p a b i l i t y   w h e n   e n e r g y   s o u r c e s   d r o p   o f f   o f   t h e   b u s   [ 4 ] [ 5 ] .   T o   c o n n e c t   a n   e n e r g y   s o u r c e   t o   a   d c   s y s t e m   o n l y   t h e   v o l t a g e   h a s   t o   b e   c o n t r o l l e d ,   a s   o p p o s e d   t o   t h e   a c   s y s t e m   w h e r e   v o l t a g e   m a g n i t u d e ,   f r e q u e n c y   a n d   p h a s e   m u s t   b e   m a t c h e d   [ 6 ] .     A c c o r d i n g   t o   p r e v i o u s   l i t e r a t u r e s ,   c o n t r o l   o f   D C   m i c r o - g r i d s   h a s   b e e n   s t u d i e d   r e g a r d i n g   i t s   s t a b i l i t y ,   g r i d   c o n n e c t i o n ,   v o l t a g e   c o n t r o l   a n d   p o w e r   f l o w .   H o w e v e r ,   o n e   o f   t h e   m a i n   a s s u m p t i o n s   i n   a l l   t h e   p r e v i o u s   p r o p o s e d   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   i s   t h e   i n s t a n t a n e o u s   r e c o g n i t i o n   o f   t h e   d i s t u r b a n c e s   o r   c h a n g e s   m e a s u r e m e n t   f a i l u r e   i n   t h e   s y s t e m s .     I n   o r d e r   t o   s o l v e   t h e   a b o v e   m e n t i o n e d   p r o b l e m   a n d   a c h i e v e   t h e   t a r g e t e d   b e n e f i t s   o f   D C   m i c r o n c r e m e n t a l   e f f o r t s   a r e   m a d e   i n   t h i s   p a p e r .   A   h i e r a r c h i c a l   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   i s   p r o c o n t r o l l e r   ( G C )   t h a t   o p t i m i z e s   t h e   o v e r a l l   p r o c e s s   a n d   a   d i s t r i b u t e d   n u m b e r   o f   l o c a l   c o n t r o l l e r s   ( L C a s s o c i a t e d   w i t h   e a c h   s o u r c e   o f   t h e   D C   m i c r o - g r i d   t o   m a k e   t h e   c o n t r o l   m o r e   e f f i c i e n t   a n d   a l s o   m o r e   e a s i e r o s   t h e o r y   ( P C T )   b a s e d   m e t h o d   i s   u s e d   t o   r e a l i z e   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n i n f o r m a t i o n   r e b u i l d i n g ,   w h i c h   f u r t h e r   g u a r a n t e e s   t h e   a s s u m p t i o n   t h a t   a l l   t h e   m e a s u r e d   d a t a   i s   r i g h t   w h e n   w e   D C   m i c r o - g r i d s ,   a n d   t h u s   l e a d s   t o   a   r o b u s t   c o n t r o l   p e r f o r m a n c e h e   G C   h a s   t h e   c a p a b i l i t y   t o   a p p l y   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y .   m o d u l e   i n   L C   i n c l u d e s   m e a s u r e m e n t   d i a g n o s i s ,   m e a s u r e m e n t   f a i l u r e a   r e c o n s t r u c t i o n .   A n   o b s e r v e r   b a s e d   o n   P C T   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   i s   a d o p t e d   t o   a c h i e v e   T h e   a d v a n t a g e   o f   u s i n g   P C T   i n s t e a d   o f   c o n v e n t i o n a l   M o n t e   C a r l o   m e t h o d   t o   b u i l d   t h e   M o n t e   C a r l o   m e t h o d s   d o   n o t   r e p r e s e n t   a   v i a b l e   o p t i o n   f o r   o n   l i n e   o p e r a t i o n a   f a s t   s t o c h a s t i c   m e t h o d   [ 7 ] - [ 9 ] .   I t   e n a b l e s   f a s t   c o m p u t a t i o n   o f   t h e   b o u n d a r i e s   o f   t h e   d i s t r i b u t i o n   o f   a   k n o w n   p r o b a b i l i t y   d i s t r i b u t i o n   f u n c t i o n   ( P D F ) .     T h e   d y n a m i c a l l y   y i e l d e d   b o u n d a r i e s   t o   g e n e r a t e   t h r e s h o l d s   t h a t   r e p r e s e n t   t h e   l i m i t   r e a s o n a b l e   v a l u e   o f   a   v a r i a b l e m e n t s .   U s i n g   d y n a m i c a l l y   c o m p u t e d ,   i n s t e a d   o f   p r e - d e t e r m i n e d   t h r e s h o l d s m e a s u r e m e n t   v a l i d a t i o n   m e t h o d   h e r e   a d v a n t a g e o u s   o v e r   o t h e r   w o r k   i n   t h e   l i t e r a t u r e s .     F o r   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n ,   w e   u s e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y ,   w h i c h   i s   b a s e d   o n   i d e .   T h e   t h e o r y   a l l o w s   d e s i g n e r s   t o   d e r i v e   a n a l y t i c a l   c o n t r o l   l a w s   f o r   n o n l i n e a r ,   h i g h c o n n e c t e d   s y s t e m s .   W e   i l l u s t r a t e   t h e   c a p a b i l i t y   o f   t h e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y   b y   m e a n s   o f   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t h a t   c h a n g e s   t h e   n u m b e r   o f   o p e r a t i n g   c o n v e r t e r s .   A n d   t o   s h o w   o v e r a l l   f l e x i b i l i t y   a n d   e f f i c i e n c y   o f   a p p l i c a t i o n   o f   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y   f h e   r e s t   o f   t h e   p a p e r   i s   d i v i d e d   i n t o   f o u r   p a r t s .   T h e   c o n f i g u r a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   D C   m i c r o g e n e r a l   c o n t r o l   s t r u c t u r e   i s   i n t r o d u c e d   i n   S e c t i o n   I I I .   I n   s e c t i o n   I r   d e s i g n   t o g e t h e r   w i t h   t h e   a p p l i c a t i o n   o f   P C T   i s   p r o v i d e d .   S e c t i o n   V   g i v e s   t h e   d e t a i l e d   d e s i g n   o f   g l o b a l   c o n t r o l l e r   w i t h   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y .   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   a r e   g i v e n   i n   s e c t i o n   G R I D   M O D E L   T h e   p r o p o s e d   c o n f i g u r a t i o n   o f   D C   m i c r o - g r i d   i n t e g r a t e s   t h e   f o l l o w i n g   s u b s y s t e m s   w i t h   s e p a r a t e   c o n t r o l   u n i t s   a n d   a   g r i d   c o n n e c t e d   v o l t a g e   s o u r c e   c o n v e r t e r   ( G - V S C ) ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1   F i g u r e   1 .   I n v e s t i g a t e d   D C   m i c r o - g r i d   c o n f i g u r a t i o n                 I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   p a r a l l e l   c o n n e c t e d   t o   a   s i n g l e   b u s   w i t h o u t   i n c r e a s i n g   t h e   c i r c u i t   a n d   c o n t r o l   c o m p l e x i t y ,   a l l o w i n g   f o r   a   m o r e   c e n t r a l i z e d   a p p r o a c h   t o   p o w e r   f l o w   m a n a g e m e n t   u s i n g   v o l t a g e   d r o o p ,   a n d   a n   i m p r o v e d   r i d e - a n   e n e r g y   s o u r c e   t o   a   d c   s y s t e m   o n l y   t h e   v o l t a g e   h a s   t o   b e   c o n t r o l l e d ,   a s   o p p o s e d   t o   t h e   a c   s y s t e m   w h e r e   v o l t a g e   m a g n i t u d e ,   g r i d s   h a s   b e e n   s t u d i e d   r e g a r d i n g   i t s   s t a b i l i t y ,   g r i d   c o n n e c t i o n ,   v o l t a g e   c o n t r o l   a n d   p o w e r   f l o w .   H o w e v e r ,   o n e   o f   t h e   m a i n   a s s u m p t i o n s   i n   a l l   t h e   p r e v i o u s   p r o p o s e d   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   i s   t h e   i n s t a n t a n e o u s   r e c o g n i t i o n   o f   t h e   d i s t u r b a n c e s   o r   c h a n g e s   i n   t h e   s y s t e m   I n   o r d e r   t o   s o l v e   t h e   a b o v e   m e n t i o n e d   p r o b l e m   a n d   a c h i e v e   t h e   t a r g e t e d   b e n e f i t s   o f   D C   m i c r o - g r i d s ,   i e r a r c h i c a l   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   i s   p r o p o s e d   w i t h   o n e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   ( G C )   t h a t   o p t i m i z e s   t h e   o v e r a l l   p r o c e s s   a n d   a   d i s t r i b u t e d   n u m b e r   o f   l o c a l   c o n t r o l l e r s   ( L C s )   m a k e   t h e   c o n t r o l   m o r e   e f f i c i e n t   a n d   a l s o   m o r e   e a s i e r .   I n   i s   u s e d   t o   r e a l i z e   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n   ( S V )   a n d   i n f o r m a t i o n   r e b u i l d i n g ,   w h i c h   f u r t h e r   g u a r a n t e e s   t h e   a s s u m p t i o n   t h a t   a l l   t h e   m e a s u r e d   d a t a   i s   r i g h t   w h e n   w e   o b u s t   c o n t r o l   p e r f o r m a n c e .   O n   t h e   o t h e r   h e   G C   h a s   t h e   c a p a b i l i t y   t o   a p p l y   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y .     m e a s u r e m e n t   f a i l u r e   d e t e c t i o n   a n d   a   r e c o n s t r u c t i o n .   A n   o b s e r v e r   b a s e d   o n   P C T   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   i s   a d o p t e d   t o   a c h i e v e   T h e   a d v a n t a g e   o f   u s i n g   P C T   i n s t e a d   o f   c o n v e n t i o n a l   M o n t e   C a r l o   m e t h o d   t o   b u i l d   t h e   o n   f o r   o n   l i n e   o p e r a t i o n .   M o r e o v e r ,   I t   e n a b l e s   f a s t   c o m p u t a t i o n   o f   t h e   b o u n d a r i e s   o f   t h e   d i s t r i b u t i o n   o f   a   k n o w n   p r o b a b i l i t y   d i s t r i b u t i o n   f u n c t i o n   ( P D F ) .     T h e   d y n a m i c a l l y   y i e l d e d   b o u n d a r i e s   t h e   l i m i t   r e a s o n a b l e   v a l u e   o f   a   v a r i a b l e   f o r   v a l i d a t i n g   d e t e r m i n e d   t h r e s h o l d s   m a k e s   t h e     F o r   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n ,   w e   u s e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y ,   w h i c h   i s   b a s e d   o n   i d e a s   o f   s e l f - .   T h e   t h e o r y   a l l o w s   d e s i g n e r s   t o   d e r i v e   a n a l y t i c a l   c o n t r o l   l a w s   f o r   n o n l i n e a r ,   h i g h - s t r a t e   t h e   c a p a b i l i t y   o f   t h e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y   b y   m e a n s   o f   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t h a t   c h a n g e s   t h e   n u m b e r   o f   o p e r a t i n g   c o n v e r t e r s .   A n d   t o   s h o w   o v e r a l l   f l e x i b i l i t y   a n d   e f f i c i e n c y   o f   a p p l i c a t i o n   o f   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y   f o r   D C / D C   c o n v e r t e r   T h e   c o n f i g u r a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   D C   m i c r o - g r i d   i s   .   I n   s e c t i o n   I V ,   t h e   l o c a l   r   d e s i g n   t o g e t h e r   w i t h   t h e   a p p l i c a t i o n   o f   P C T   i s   p r o v i d e d .   S e c t i o n   V   g i v e s   t h e   d e t a i l e d   d e s i g n   o f   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   a r e   g i v e n   i n   s e c t i o n   V I .   C o n c l u s i o n   i s   g r i d   i n t e g r a t e s   t h e   f o l l o w i n g   s u b s y s t e m s   w i t h   s e p a r a t e   F i g u r e   1 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A A S     I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   A l l   t h e   e n e r g y   s y s t e m s   a r e   c o n n e c t e d   i n   p a r a l l e l   t o   a   c o m m o n   D C   b u s   l i n e   t h r o u g h   D C / D C   b o o s t   c o n v e r t e r s . P h o t o v o l t a i c   ( P V )   s y s t e m s   a r e   b e c o m i n g   i n c r e a s i n g l y   i m p o r t a n t   a s   r e n e w a b l e   e n e r g y   s o u r c e s   s i n c e   t h e y   o f f e r   m a n y   a d v a n t a g e s   s u c h   a s ,   i n c u r r i n g e m i t t i n g   n o   n o i s e ,   a m o n g   o t h e r s . T h e   f u e l   c e l l   ( F C )   i s   a n   e l e c t r o c h e m i c a l   d e v i c e   t h a t   c o n v e r t s   t h e   c h e m i c a l   e n e r g y   o f   f u e l   d i r e c t l y   i n t o   e l e c t r i c   e n e r g y .   W a t e r   a n d   h e a t   a r e   t h e   o n l y   b y p r o d u c t s P V   a r r a y s   a n d   F C s   p r o d u c e   D C   v o l t a g e   a n d ,   t h e r e f o r e ,   a r e   s u i t a b l e   t o   b e   c o n n e c t e d   t o   t h e   D C   b u s   v i a   a   D C / D C   c o n v e r t e r .   W i t h   r e s p e c t   t o   D C / D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s ,   t h e   b o o s t   c o n v e r t e r   i s   c o n s i d e r e d   t h e   m o s t   a d v a n t a g e o u s   i n   t h i s   a p p l i c a t i o n   b e c a u s e   o f   i t s   s i m p l i c i t y ,   l o w   c o s t   a n d   h i g h   e f f i c i e n c y .   S i m i l a r l y ,   w i n d - t u r b i n e   g e n e r a t o r s   a r e   a l s o   p r e f e r r e d   d u e   t o   t h e   f a c t   t h a t   t h e i r   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   f r e e   a n d   s u s t a i n a b l e ,   p r o d u c e   v o l t a g e   w i t h   v a r y i n g   f r e q u e n c y .   T o   c o n n e c t   t h e   w i n d   t t o g e t h e r   w i t h   a   D C / D C   b o o s t   c o n v e r t e r   i s   u s e d .   T h e   a v a i l a b i l i t y   o r   t h e   t r a n s i e n t   r e s p o n s e   o f   t h e   a b o v e   m e n t i o n e d   D G s   r e q u i r e   t h e m   t o   b e   c o m b i n e d   w i t h   o t h e r   e n e r g y   s o u r c e s   o r   e n e r g y   s t o r a g e .   F u r t h e r m o r e ,   e n e r g y   s t o r a g e   ( E S )   ( P Q )   i m p r o v e m e n t ,   l o a d   l e v e l i n g ,   o r   e m e r g e n c y   p o w e r   s u p p l y .   T h e y   a r e   c o n n e c t e d   t o   t h e   d c   b u s   w i t h   a   b i d i r e c t i o n a l   D C / D C   c o n v e r t e r .   T h r o u g h   t h e   u s e   a n d   t h e   c o n t r o l   o f   G r e g u l a t i o n / s t a b i l i z a t i o n   a t   t h e   i n p u t   o f   t h e   i n v e r t e r   i f   o n e   o r   m o r e   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   d i m i n i s h e d .   T h i s   l e a d s   t o   i n c r e a s e d   r o b u s t n e s s   a n d   h i g h   p o w e r   q u a l i t y   o f   t h e   e l e c t r i c   p o w e r   i n j e c t e d   t o   t h e   g r i d   f r o m   t h e   V S C .       3 .   G E N E R A L   C O N T R O L   S T R U C T U R E T h e   p r o p o s e d   c o n t r o l   d i s t r i b u t e d   n u m b e r   o f   L C s   a s s o c i a t e d   w i t h   e a c h   s u b s y s t e m   i n   D C   m i c r o T h e   L C   i s   r e s p o n s i b l e   f o r   e a c h   o f   t h e   s u b s y s t e m   i n s i d e   D C   m i c r o m e t h o d   i s   p r e s e n t e d   t o   r e a l i z e   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n m e a s u r e d   d a t a   i s   r i g h t   w h e n   w e   a p p l y   t h e   c o n t r o l   p e r f o r m a n c e .     T h e   G C   c o o r d i n a t e s   t h e   o u t p u t s   o f   t h e   s u b s y s t e m s   i n   o r d e r   t o   o b t a i n   t h e   o p t i m a l   e f f i c i e n c y   o f   t h e   w h o l e   s y s t e m .   S y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y ,   w h i c h   i s   b a s e d   o n   i d e a s   o f   s e l f T h e   c o m m a n d s   f r o m   G C   d e f i n i t e l y   h a v e   h i g h e r   p r i o r i t y   t h a n   t h o s e   f r     4 .   L O C A L   C O N T R O L L E R   D E S I G N T h e   L C   i s   a n   a g e n t   t h a t   o r   D G s   o p e r a t i n g   s t a t u s .   T h i s   c a p a b i l i t y   e n a b l e s   i t   t o   h a v e   i m m e d i a t e   k n o w l e d g e   o f   a n y   c h a n g e s   o r   e v e n t s   h a p p e n e d   i n   t h e   l o c a l   s y s t e m .   T h e   a r c h i t e c t u r e   o f   m e a s u r e m e n t s   a r e   f e d   t o   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l e   b e f o r e   t h e y   a r r i v e   a t   t h e   e x e c u t i o n   c o n t r o l l e r .       I t   i s   q u i t e   a p p a r e n t l y   t h a t   t h e   o p e r a t i o n   o f   t h e   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   a n d   t h e   c h o i c e   o f   t h e   o p e r a t i n g   m o d e   o f   d e v i c e s   r e l y   u p o n   o n e   a s s u m p t i o n   t h a t   a l l   t h e   l o c a l   m e a s u r e m e n t s   f r o m   t h e   s e n s o r s   a r e   r e l i a b l e .   I n   t h i s   s i t u a t i o n   a   f a i l e d   s e n s o r   m a y   h a v e   c a t a s t r o p h i c   c o n s e q u e n c e s   o n   t h e   w h o l e   s y s t e m .   M e a s u r e m e n t   f r o m   t h e   f a i l e d   s e n s o r s   m a y   p r e s e n t   i n   v a r i o u s   w a y s .   F o r   i n s t a n c e ,   a   s u d d e n   c h a n g e   o f   t h e   v a l u e s   w h i c h   b y   b a d   c o n n e c t i o n   o r   d a m a g e   o f   t h e   s e n s o r s t o   n a m e   a   f e w .   I n   a n y   f a u l t y   s i t u a t i o n ,   t h e s e   b a d   m e a s u r e s   s h o u l d   b e   i s o l a t e d   f r o m   L C   a n d   r e b u i l t   d a t a   s h o u l d   I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   i n   D C   M i c r o - G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s A l l   t h e   e n e r g y   s y s t e m s   a r e   c o n n e c t e d   i n   p a r a l l e l   t o   a   c o m m o n   D C   b u s   l i n e   t h r o u g h   D C / D C   b o o s t   c o n v e r t e r s . P h o t o v o l t a i c   ( P V )   s y s t e m s   a r e   b e c o m i n g   i n c r e a s i n g l y   i m p o r t a n t   a s   r e n e w a b l e   e n e r g y   s o u r c e s   s i n c e   t h e y   o f f e r   m a n y   a d v a n t a g e s   s u c h   a s ,   i n c u r r i n g   n o   f u e l   c o s t s ,   n o   p o l l u t i o n ,   r e q u i r i n g   l i t t l e   m a i n t e n a n c e ,   a n d   e m i t t i n g   n o   n o i s e ,   a m o n g   o t h e r s .   T h e   f u e l   c e l l   ( F C )   i s   a n   e l e c t r o c h e m i c a l   d e v i c e   t h a t   c o n v e r t s   t h e   c h e m i c a l   e n e r g y   o f   f u e l   d i r e c t l y   i n t o   e l e c t r i c   e n e r g y .   W a t e r   a n d   h e a t   a r e   t h e   o n l y   b y p r o d u c t s   i f   t h e   f u e l   i s   p u r e   h y d r o g e n .   P V   a r r a y s   a n d   F C s   p r o d u c e   D C   v o l t a g e   a n d ,   t h e r e f o r e ,   a r e   s u i t a b l e   t o   b e   c o n n e c t e d   t o   t h e   D C   b u s   v i a   a   D C / D C   c o n v e r t e r .   W i t h   r e s p e c t   t o   D C / D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s ,   t h e   b o o s t   c o n v e r t e r   i s   c o n s i d e r e d   t h e   i s   a p p l i c a t i o n   b e c a u s e   o f   i t s   s i m p l i c i t y ,   l o w   c o s t   a n d   h i g h   e f f i c i e n c y .   t u r b i n e   g e n e r a t o r s   a r e   a l s o   p r e f e r r e d   d u e   t o   t h e   f a c t   t h a t   t h e i r   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   f r e e   a n d   s u s t a i n a b l e ,   p r o d u c e   v o l t a g e   w i t h   v a r y i n g   f r e q u e n c y .   T o   c o n n e c t   t h e   w i n d   t u r b i n e   t o   a   D C   b u s ,   a   r e c t i f i e r   t o g e t h e r   w i t h   a   D C / D C   b o o s t   c o n v e r t e r   i s   u s e d .     T h e   a v a i l a b i l i t y   o r   t h e   t r a n s i e n t   r e s p o n s e   o f   t h e   a b o v e   m e n t i o n e d   D G s   r e q u i r e   t h e m   t o   b e   c o m b i n e d   w i t h   o t h e r   e n e r g y   s o u r c e s   o r   e n e r g y   s t o r a g e .   F u r t h e r m o r e ,   e n e r g y   s t o r a g e   ( E S )   c a n   b e   u s e d   f o r   p o w e r ( P Q )   i m p r o v e m e n t ,   l o a d   l e v e l i n g ,   o r   e m e r g e n c y   p o w e r   s u p p l y .   T h e y   a r e   c o n n e c t e d   t o   t h e   d c   b u s   w i t h   a     T h r o u g h   t h e   u s e   a n d   t h e   c o n t r o l   o f   G - V S C ,   t h e   D C   m i c r o - g r i d   c a n   a c h i e v e   D C   b u s   v o l t a g e   o n / s t a b i l i z a t i o n   a t   t h e   i n p u t   o f   t h e   i n v e r t e r   i f   o n e   o r   m o r e   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   d i m i n i s h e d .   T h i s   l e a d s   t o   i n c r e a s e d   r o b u s t n e s s   a n d   h i g h   p o w e r   q u a l i t y   o f   t h e   e l e c t r i c   p o w e r   i n j e c t e d   t o   t h e   g r i d   f r o m   t h e   V S C .   G E N E R A L   C O N T R O L   S T R U C T U R E     a r c h i t e c t u r e   c o n s i s t s   o f   a   G C   t h a t   o p t i m i z e s   t h e   o v e r a l l   p r o c e s s   a n d   a   d i s t r i b u t e d   n u m b e r   o f   L C s   a s s o c i a t e d   w i t h   e a c h   s u b s y s t e m   i n   D C   m i c r o - g r i d   ( a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 ) .   T h e   L C   i s   r e s p o n s i b l e   f o r   e a c h   o f   t h e   s u b s y s t e m   i n s i d e   D C   m i c r o - g r i d .   I t o   r e a l i z e   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n   a n d   i n f o r m a t i o n   r e b u i l d i n g ,   w h i c h   f u r t h e r   g u a r a n t e e s   t h e   m e a s u r e d   d a t a   i s   r i g h t   w h e n   w e   a p p l y   t h e   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   i n   D C   m i c r o - g r i d s ,   a n d   l e a d s   t o   a   r o b u s t   c o n t r o l   s   t h e   o u t p u t s   o f   t h e   s u b s y s t e m s   i n   o r d e r   t o   o b t a i n   t h e   o p t i m a l   e f f i c i e n c y   o f   t h e   w h o l e   s y s t e m .   S y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y ,   w h i c h   i s   b a s e d   o n   i d e a s   o f   s e l f - o r g a n i z a t i o n ,   i s   a d o p t e d   i n   t h e   G C .   T h e   c o m m a n d s   f r o m   G C   d e f i n i t e l y   h a v e   h i g h e r   p r i o r i t y   t h a n   t h o s e   f r o m   L C s .   L O C A L   C O N T R O L L E R   D E S I G N   L C   i s   a n   a g e n t   t h a t   h a s   a   d i r e c t   a c c e s s   t o   l o c a l   m e a s u r e m e n t s   l i k e   i n f o r m a t i o n   o n   t h e   D G s   o p e r a t i n g   s t a t u s .   T h i s   c a p a b i l i t y   e n a b l e s   i t   t o   h a v e   i m m e d i a t e   k n o w l e d g e   o f   a n y   c h a n g e s   o r   e v e n t s   T h e   a r c h i t e c t u r e   o f   a   L C   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 .   A s   w e   c a n   s e e ,   a m e a s u r e m e n t s   a r e   f e d   t o   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l e   b e f o r e   t h e y   a r r i v e   a t   t h e   e x e c u t i o n   c o n t r o l l e r .     F i g u r e   2 .   L o c a l   c o n t r o l   u n i t   I t   i s   q u i t e   a p p a r e n t l y   t h a t   t h e   o p e r a t i o n   o f   t h e   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   a n d   t h e   c h o i c e   o f   t h e   o p e r a t i n g   m o d e   o f   d e v i c e s   r e l y   u p o n   o n e   a s s u m p t i o n   t h a t   a l l   t h e   l o c a l   m e a s u r e m e n t s   f r o m   t h e   s e n s o r s   a r e   r e l i a b l e .   I n   a   f a i l e d   s e n s o r   m a y   h a v e   c a t a s t r o p h i c   c o n s e q u e n c e s   o n   t h e   w h o l e   s y s t e m .   M e a s u r e m e n t   f r o m   t h e   f a i l e d   s e n s o r s   m a y   p r e s e n t   i n   v a r i o u s   w a y s .   F o r   i n s t a n c e ,   a   s u d d e n   c h a n g e   o f   t h e   v a l u e s   w h i c h   b y   b a d   c o n n e c t i o n   o r   d a m a g e   o f   t h e   s e n s o r s ,   a   d r i f t   o f   t h e   m e a s u r e d   q u a n t i t i e s   d u e   t o   t h e   a g i n g   o f   t h e   s e n s o r s .   I n   a n y   f a u l t y   s i t u a t i o n ,   t h e s e   b a d   m e a s u r e s   s h o u l d   b e   i s o l a t e d   f r o m   L C   a n d   r e b u i l t   d a t a   s h o u l d     G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s   ( W e i l i n   L i n )   3 A l l   t h e   e n e r g y   s y s t e m s   a r e   c o n n e c t e d   i n   p a r a l l e l   t o   a   c o m m o n   D C   b u s   l i n e   t h r o u g h   D C / D C   b o o s t   c o n v e r t e r s .   P h o t o v o l t a i c   ( P V )   s y s t e m s   a r e   b e c o m i n g   i n c r e a s i n g l y   i m p o r t a n t   a s   r e n e w a b l e   e n e r g y   s o u r c e s   s i n c e   n o   f u e l   c o s t s ,   n o   p o l l u t i o n ,   r e q u i r i n g   l i t t l e   m a i n t e n a n c e ,   a n d   T h e   f u e l   c e l l   ( F C )   i s   a n   e l e c t r o c h e m i c a l   d e v i c e   t h a t   c o n v e r t s   t h e   c h e m i c a l   e n e r g y   o f   f u e l   d i r e c t l y   i f   t h e   f u e l   i s   p u r e   h y d r o g e n .     P V   a r r a y s   a n d   F C s   p r o d u c e   D C   v o l t a g e   a n d ,   t h e r e f o r e ,   a r e   s u i t a b l e   t o   b e   c o n n e c t e d   t o   t h e   D C   b u s   v i a   a   D C / D C   c o n v e r t e r .   W i t h   r e s p e c t   t o   D C / D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s ,   t h e   b o o s t   c o n v e r t e r   i s   c o n s i d e r e d   t h e   i s   a p p l i c a t i o n   b e c a u s e   o f   i t s   s i m p l i c i t y ,   l o w   c o s t   a n d   h i g h   e f f i c i e n c y .     t u r b i n e   g e n e r a t o r s   a r e   a l s o   p r e f e r r e d   d u e   t o   t h e   f a c t   t h a t   t h e i r   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   f r e e   u r b i n e   t o   a   D C   b u s ,   a   r e c t i f i e r   T h e   a v a i l a b i l i t y   o r   t h e   t r a n s i e n t   r e s p o n s e   o f   t h e   a b o v e   m e n t i o n e d   D G s   r e q u i r e   t h e m   t o   b e   c o m b i n e d   c a n   b e   u s e d   f o r   p o w e r - q u a l i t y   ( P Q )   i m p r o v e m e n t ,   l o a d   l e v e l i n g ,   o r   e m e r g e n c y   p o w e r   s u p p l y .   T h e y   a r e   c o n n e c t e d   t o   t h e   d c   b u s   w i t h   a   g r i d   c a n   a c h i e v e   D C   b u s   v o l t a g e   o n / s t a b i l i z a t i o n   a t   t h e   i n p u t   o f   t h e   i n v e r t e r   i f   o n e   o r   m o r e   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   d i m i n i s h e d .   T h i s   l e a d s   t o   i n c r e a s e d   r o b u s t n e s s   a n d   h i g h   p o w e r   q u a l i t y   o f   t h e   e l e c t r i c   p o w e r   i n j e c t e d   t o   t h e   g r i d   f r o m   t h e   V S C .     G C   t h a t   o p t i m i z e s   t h e   o v e r a l l   p r o c e s s   a n d   a   ( a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 ) .     g r i d .   I n   t h e   L C ,   P C T   b a s e d   a n d   i n f o r m a t i o n   r e b u i l d i n g ,   w h i c h   f u r t h e r   g u a r a n t e e s   t h e   g r i d s ,   a n d   l e a d s   t o   a   r o b u s t   c o n t r o l   s   t h e   o u t p u t s   o f   t h e   s u b s y s t e m s   i n   o r d e r   t o   o b t a i n   t h e   o p t i m a l   e f f i c i e n c y   o f   t h e   o r g a n i z a t i o n ,   i s   a d o p t e d   i n   t h e   G C .   h a s   a   d i r e c t   a c c e s s   t o   l o c a l   m e a s u r e m e n t s   l i k e   i n f o r m a t i o n   o n   t h e   D G s   b u s   s   o p e r a t i n g   s t a t u s .   T h i s   c a p a b i l i t y   e n a b l e s   i t   t o   h a v e   i m m e d i a t e   k n o w l e d g e   o f   a n y   c h a n g e s   o r   e v e n t s   A s   w e   c a n   s e e ,   a l l   t h e   l o c a l   m e a s u r e m e n t s   a r e   f e d   t o   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l e   b e f o r e   t h e y   a r r i v e   a t   t h e   e x e c u t i o n   c o n t r o l l e r .     I t   i s   q u i t e   a p p a r e n t l y   t h a t   t h e   o p e r a t i o n   o f   t h e   c o n t r o l   a l g o r i t h m s   a n d   t h e   c h o i c e   o f   t h e   o p e r a t i n g   m o d e   o f   d e v i c e s   r e l y   u p o n   o n e   a s s u m p t i o n   t h a t   a l l   t h e   l o c a l   m e a s u r e m e n t s   f r o m   t h e   s e n s o r s   a r e   r e l i a b l e .   I n   a   f a i l e d   s e n s o r   m a y   h a v e   c a t a s t r o p h i c   c o n s e q u e n c e s   o n   t h e   w h o l e   s y s t e m .   M e a s u r e m e n t   f r o m   t h e   f a i l e d   s e n s o r s   m a y   p r e s e n t   i n   v a r i o u s   w a y s .   F o r   i n s t a n c e ,   a   s u d d e n   c h a n g e   o f   t h e   v a l u e s   w h i c h   i s   c a u s e d   m e a s u r e d   q u a n t i t i e s   d u e   t o   t h e   a g i n g   o f   t h e   s e n s o r s ,   .   I n   a n y   f a u l t y   s i t u a t i o n ,   t h e s e   b a d   m e a s u r e s   s h o u l d   b e   i s o l a t e d   f r o m   L C   a n d   r e b u i l t   d a t a   s h o u l d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I J A P E     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 2   :     1     1 2   4 r e p l a c e   t h e   b a d   o n e s .   O t h e r w i s e ,   t h e   L C   w i l l   d e l i v e r   w r o n g   c o n t r o l   s i g n a l s   t o   t h e   c o n t r o l l e d   o b j e c t i v e s   e v e n   t h o u g h   t h e   r e a l   s y s t e m   i s   s t i l l   i n   g o o d   c o n d i t i o n .   A i m i n g   t o   s o l v e   t h i s   i s s u e ,   i n   t h i s   p a p e r   t h e   L C   i s   d e s i g n e d   t o   h a v e   e x t r a   c a p a b i l i t y   t o   r e j e c t   t h e   b a d   m e a s u r e m e n t s   a n d   r e c o n s t r u c t   t h e   m e a s u r e m e n t s   b a s e d   o n   P C T   t h e o r y .       4 . 1 .   B r i e f   i n t r o d u c t i o n   o f   P C T   t h e o r y   P C T   c o n c e p t   w a s   f i r s t   i n t r o d u c e d   b y   W i e n e r   i n   1 9 3 8   a s   H o m o g e n e o u s   C h a o s   [ 1 3 ]   i n   1 9 3 8 .   I t   w a s   s p a n n e d   f r o m   H e r m i t e   p o l y n o m i a l s   o f   a   G a u s s i o n   p r o c e s s .   P C T   e x p a n s i o n   i s   a   m e t h o d   t h a t   u s e s   a   p o l y n o m i a l   b a s e d   s t o c h a s t i c   s p a c e   t o   r e p r e s e n t   t h e   e v o l u t i o n   o f   t h e   u n c e r t a i n t y   p r o p a g a t i o n   i n t o   t h e   s y s t e m   [ 1 4 ] - [ 1 6 ] .     T h e   d e t a i l e d   p r o c e d u r e   o f   P C T   e x p a n s i o n   o f   t h e   s y s t e m   w i t h   u n c e r t a i n t i e s   i s   g i v e n   i n   [ 1 6 ] .   T h u s ,   i n   t h e   f o l l o w i n g   o f   t h i s   p a p e r ,   o n l y   a   b r i e f   i n t r o d u c t i o n   o f   t h i s   p r o c e d u r e   w i l l   b e   p r e s e n t e d .   C o n s i d e r   t h e   s t a t e   s p a c e   m o d e l   o f   a   g e n e r a l   s y s t e m   g i v e n   b y   a   s e t   o f   d i f f e r e n t i a l   e q u a t i o n s   a s   i n   ( 1 ) :   ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t D u t C x t y t B u t A x t x + = + = &   ( 1 )   W h e r e ,   x ( t ) R n     s y s t e m   s t a t e   v e c t o r ;   u ( t ) R r     i n p u t   v e c t o r ;   y ( t ) R n     o u t p u t   v e c t o r ;   A ,   B ,   C , D   s y s t e m   m e t r i c e s   w i t h   a p p r o p r i a t e   d i m e n s i o n s .       T h e   c o r r e s p o n d i n g   s t o c h a s t i c   m o d e l   o f   t h i s   s y s t e m   c a n   b e   r e p r e s e n t e d   i n   P C T   e x p a n d e d   f o r m   ( e x a m p l e s   o f   t h i s   p r o c e d u r e   a r e   a v a i l a b l e   i n   [ 1 6 ] ) .   A s s u m e   t h a t   t h e   g e n e r a l   P C T   f o r m   o f   e q u a t i o n   ( 1 )   i s   w r i t t e n   a s :     ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( . t u D t x C t y t u B t x A t x p c t p c t p c t p c t p c t p c t p c t p c t p c t + = + = &   ( 2 )   W h e r e ,     x p c t ( t ) R n p c t       s y s t e m   s t a t e   v e c t o r ;   u p c t ( t ) R r p c t         i n p u t   v e c t o r ;   y p c t ( t ) R n p c t       o u t p u t   v e c t o r ;     A p c t ,   B p c t ,   C p c ,     D p c t       s y s t e m   m e t r i c e s   w i t h   a p p r o p r i a t e   d i m e n s i o n s .       T h e   e x p r e s s i o n   o f   P C T   e x p a n d e d   v a r i a b l e s   f o r   a n y   a r b i t r a r y   v a r i a b l e   y   o f   t h e   s y s t e m ,   i n c l u d i n g   t h e   s t a t e s   x   a n d   p a r a m e t e r s ,   c a n   b e   r e p r e s e n t e d ,   a s :   = Y = P n n n n v y y 0 2 1 ) , , , ( x x x L   ( 3 )   T h e   r e p r e s e n t a t i o n   o f   t h e   t i m e   d e p e n d e n c e   o f   y   a n d   y n   i s   o m i t t e d   f o r   b r e v i t y ,   a n d :   P :   t r u n c a t i o n   o f   t h e   e x p a n s i o n   y n :   c o e f f i c i e n t s   o f   t h e   e x p a n s i o n ;   Ψ n :   f u n c t i o n s   o f   t h e   s e l e c t e d   p o l y n o m i a l   b a s i s ;   ξ i :   r a n d o m   v a r i a b l e   a s s o c i a t e d   t o   u n c e r t a i n t i e s   w i t h   k n o w n   P D F ;   n v :   r a n k   o f   p u   i n   e q u a t i o n   ( 2 )   .   F i n a l l y ,   i f   t h e   p o w e r   s y s t e m   u n d e r   c o n s i d e r a t i o n   i s   f u l l y   o b s e r v a b l e ,   a   P o l y n o m i a l   C h a o s   O b s e r v e r   ( P C O )   b a s e d   o n   t h e   s t o c h a s t i c   P C T   m o d e l   w a s   b u i l t   t o   d y n a m i c a l l y   c a l c u l a t e   t h e   t h r e s h o l d s .   T h e   e q u a t i o n   o f   t h e   P C O   i s :         ) ] ( ˆ ) ( [ ) ( ) ( ) ( ˆ ) ( ˆ t t t t t d t t d m m G w B u B x A x p c t w p c t u p c t p c t p c t p c t - + + + =   ( 4 )   W h e r e :     ) ( ˆ t x p c t :     e s t i m a t e d   u n c e r t a i n   s t a t e s   i n   P C T   f o r m ;     m ( t ) :                   a v a i l a b l e   m e a s u r e m e n t s ;   ) ( ˆ t m :               e x p e c t e d   v a l u e s   o f   t h e   e s t i m a t e d   v a l u e s   o f   m e a s u r e d   v a r i a b l e s .     G p c t :                     g a i n   m a t r i x .     A p c t ,   B u p c t ,   B w p c t :   s y s t e m   m a t r i c e s   w i t h   a p p r o p r i a t e   d i m e n s i o n s   a f t e r   e x p a n s i o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A A S     I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   T h e   i n t e r v a l   z t   r e p r e s e n t i n g   t h e   p o s s i b l e   v a l u e s   o f   a n   a r b i t r a r y   m e a s u r e d   v a r i a b l e   i s   d e i t s   b o u n d a r i e s   a s :   z =   [ z L     ,   z U ]   W h e r e ,     L o w e r       : ) ˆ , ˆ ( 0 p c t n p c t L f z x x =   U p p e r   : ) ˆ , ˆ ( 0 p c t n p c t U f z x x =   t h e o f   m e a n   v a l u e   : ˆ 0 p c t x e s t i m a t e d     t h e o f     v a l u e   t a i l : ˆ n p c t x f :     f u n c t i o n   b a s e d   o n   c i r c u i t   l a w s .   4 . 2 .   S e n s o r   v a l i d a t i o n   a l g o r i t h m   A s   a   r e s u l t   o f   t h e   P C T   a p p r o a c h d e t e r m i n e d   f o r   e a c h   m e a s u r e d   v a r i a b l e .   T h e   d i a g n o s i s   o f   t h e   m e a s u r e d   d a t a   t h e n   b e c o m e s   a   d e c i s i o n   m a k i n g   p r o c e s s   b a s e d   o n   t h e   f a c t   t h a t   t h e   m e a s u r e d   v a l u e   b e l o n g s   o r   n o t   t o   t h e   c o n t i n u o u s l y   s e n s o r   d i a g n o s i s   ( S D )   a l g o r i t h m v a r i a b l e   e x c e e d s   t h e   t h r e s h o l d s ,   w h i c h   a r e   t h e   b o u n d a r y   v a l u e s   t h a t   t h e   v a r i a b l e   c a n   t a k e   d u e   t o   n o r m a l   v a r i a b i l i t y .   T h e   l o g i c   o f   o p e r a t i o n   o f   S D   a n d   b a d   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n   ( B D R )   c a n   b e   s u m m a r i z e d   a s   f o l l o w s :   I f   m e a s u r e m e n t   i s   w i t h i n   t h e   u n c e r t a i n S e n s o r   i s   h e a l t h y ;   E l s e ,   s e n s o r   i s   f a u l t y .   S D   i d e n t i f i e s   a n d     F a i l u r e   i s o l a t i o n   i s   r e a l i z e d   b y   s e n s o r   h a s   b e e n   d i a g n o s e d   t o   b e   s i m p l i f i e d   l o g i c   o f   r e c o n s t r u c t i n g   m i s s i n g   d F i g u r e   3 .   T h e   s e n s o r   s t a t u s   d i a g n o s e d   b y   S D   [ 1 8 ] - [ 2 0 ] :       F i g u r e     4 . 3 .   L o c a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n   T h e   c o n t r o l l e d   d e v i c e s   o f   t h e   L C s   a r e   t h e   D C / D C   c o n v e r t e r s   t h a t   a r e   u s e d   t o   c o n n e c t   D G s   t o   t h e   D C   b u s   o f   t h e   m i c r o - g r i d .   A s   s h o w n   v o l t a g e   f e e d b a c k   l o o p   a n d   t h e   i n t e r n a l   c u r r e n t   f e e d b a c k   l o o p . p r o p o r t i o n a l   i n t e g r a l   ( P I )   c o n t r o l l e r   t h a t   c u r r e n t   c o n t r o l   l o o p .   T h e   v o l t a g e   c o n t r o l   l o o p   a s s u r e s   m a i n t e n a n c e   o f   t h e   r a t e d   v o l t a g e   i n   e v e r y   n o r m a l   a n d   n o n - f a u l t y   s i t u a t i o n .   T h e   c u r r e n t   a r e   d e v e l o p e d   a n d   i n s e r t e d   b e t w e e n   t h e   c o n t r o l l e r   a n d   t h e   i n s t r u m e n t s .   T h e   p u r p o s e   i s   t o   m a k e   t h e   l o c a l   c o n t r o l l e r   c a p a b l e   t o   s u r v i v e   f r o m   m a l f u n c t i o n   o f   t h e   m e a s u r e m e n t   d e v i c e s . I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   i n   D C   M i c r o - G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s r e p r e s e n t i n g   t h e   p o s s i b l e   v a l u e s   o f   a n   a r b i t r a r y   m e a s u r e d   v a r i a b l e   i s   d e   T h r e s h o l d L o w e r     T h r e s h o l d   U p p e r     s t a t e s u n c e r t a i n     e s t i m a t e d     t h e   s t a t e s u n c e r t a i n     e s t i m a t e d   :     f u n c t i o n   b a s e d   o n   c i r c u i t   l a w s .   v a l i d a t i o n   a l g o r i t h m   A s   a   r e s u l t   o f   t h e   P C T   a p p r o a c h ,   a   r e a s o n a b l e   i n t e r v a l ,   z t ,   a s   e x p r e s s e d   i n   E q u a t i o n   ( 5 ) , e a c h   m e a s u r e d   v a r i a b l e .   T h e   d i a g n o s i s   o f   t h e   m e a s u r e d   d a t a   t h e n   b e c o m e s   a   d e c i s i o n   m a k i n g   p r o c e s s   b a s e d   o n   t h e   f a c t   t h a t   t h e   m e a s u r e d   v a l u e   b e l o n g s   o r   n o t   t o   t h e   c o n t i n u o u s l y   e v o l v i n g   i n t e r v a l   z t .   T h e   )   a l g o r i t h m   p r o p o s e d   i n   t h i s   p a p e r   d e t e c t s   a   f a i l u r e   w h e n   t h e   m e a s u r e d   v a l u e   o f   a   g i v e n   v a r i a b l e   e x c e e d s   t h e   t h r e s h o l d s ,   w h i c h   a r e   t h e   b o u n d a r y   v a l u e s   t h a t   t h e   v a r i a b l e   c a n   t a k e   d u e   t o   n o r m a l   o p e r a t i o n   o f   S D   a n d   b a d   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n   ( B D R )   c a n   b e   s u m m a r i z e d   a s   f o l l o w s : I f   m e a s u r e m e n t   i s   w i t h i n   t h e   u n c e r t a i n t y   t h r e s h o l d s ,   .   S D   i d e n t i f i e s   a n d   i s o l a t e s   t h e   f a u l t y   s e n s o r ;   B D R   r e c o n s t r u c t s a i l u r e   i s o l a t i o n   i s   r e a l i z e d   b y   p e r m a n e n t l y   l o c k i n g   t h e   s e n s o r s   s t a t u s   a t   F a i l e d t o   b e   F a i l e d   b y   S D .   I n   t h i s   w a y   d a t a   f r o m   s u c h   n o d e s   w i l l   b e   b l o c k e d . s i m p l i f i e d   l o g i c   o f   r e c o n s t r u c t i n g   m i s s i n g   d a t a   i s   p o r t r a y e d   i n     e n s o r   s t a t u s   d i a g n o s e d   b y   S D   a c t s   a s   t h e   t r i g g e r   o f   t h e   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n   F i g u r e   3 .   M i s s i n g   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n   a l g o r i t h m   h e   c o n t r o l l e d   d e v i c e s   o f   t h e   L C s   a r e   t h e   D C / D C   c o n v e r t e r s   t h a t   a r e   u s e d   t o   c o n n e c t   D G s   t o   t h e   D C   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ,   t w o   c o n t r o l   l o o p s   a r e   u s e d   i n   t h e   L C ,   i n t e r n a l   c u r r e n t   f e e d b a c k   l o o p .   T h e   v o l t a g e   c o n t r o l   c o n t r o l l e r   t h a t   p r o v i d e s   a   f e e d b a c k   c o n t r o l   s i g n a l   w h i c h   i s   a   r e f e r e n c e   v a l u e   f o r   t h e   T h e   v o l t a g e   c o n t r o l   l o o p   a s s u r e s   m a i n t e n a n c e   o f   t h e   r a t e d   v o l t a g e   i n   e v e r y   n o r m a l   a n d   T h e   c u r r e n t   c o n t r o l   l o o p   i s   a l s o   r e a l i z e d   w i t h   a   P I   c o n t r o l l e r .   S e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l e s   i n s e r t e d   b e t w e e n   t h e   c o n t r o l l e r   a n d   t h e   i n s t r u m e n t s .   T h e   p u r p o s e   i s   t o   m a k e   t h e   l o c a l   s u r v i v e   f r o m   m a l f u n c t i o n   o f   t h e   m e a s u r e m e n t   d e v i c e s .       G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s   ( W e i l i n   L i n )   5 r e p r e s e n t i n g   t h e   p o s s i b l e   v a l u e s   o f   a n   a r b i t r a r y   m e a s u r e d   v a r i a b l e   i s   d e f i n e d   t h r o u g h   ( 5 )   a s   e x p r e s s e d   i n   E q u a t i o n   ( 5 ) ,   c a n   b e   e a c h   m e a s u r e d   v a r i a b l e .   T h e   d i a g n o s i s   o f   t h e   m e a s u r e d   d a t a   t h e n   b e c o m e s   a   d e c i s i o n   m a k i n g   e v o l v i n g   i n t e r v a l   z t .   T h e   w h e n   t h e   m e a s u r e d   v a l u e   o f   a   g i v e n   v a r i a b l e   e x c e e d s   t h e   t h r e s h o l d s ,   w h i c h   a r e   t h e   b o u n d a r y   v a l u e s   t h a t   t h e   v a r i a b l e   c a n   t a k e   d u e   t o   n o r m a l   o p e r a t i o n   o f   S D   a n d   b a d   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n   ( B D R )   c a n   b e   s u m m a r i z e d   a s   f o l l o w s :     r e c o n s t r u c t s   t h e   b a d   d a t a .   F a i l e d   i f   a n d   o n l y   i f   a   n o d e s   w i l l   b e   b l o c k e d .   T h e   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n   o f   B D R     h e   c o n t r o l l e d   d e v i c e s   o f   t h e   L C s   a r e   t h e   D C / D C   c o n v e r t e r s   t h a t   a r e   u s e d   t o   c o n n e c t   D G s   t o   t h e   D C     w h i c h   a r e   t h e   e x t e r n a l   c o n t r o l   l o o p   i s   r e a l i z e d   w i t h   a   h i c h   i s   a   r e f e r e n c e   v a l u e   f o r   t h e   T h e   v o l t a g e   c o n t r o l   l o o p   a s s u r e s   m a i n t e n a n c e   o f   t h e   r a t e d   v o l t a g e   i n   e v e r y   n o r m a l   a n d   S e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l e s   i n s e r t e d   b e t w e e n   t h e   c o n t r o l l e r   a n d   t h e   i n s t r u m e n t s .   T h e   p u r p o s e   i s   t o   m a k e   t h e   l o c a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I J A P E     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 2   :     1     1 2   6     F i g u r e   4 .   L o c a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n   A s   s t a t e d   a b o v e ,   s e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l e   i s   d e v e l o p e d   b a s e d   o n   P C T .   T h e   l i n e a r   t i m e - i n v a r i a n t   s y s t e m   m o d e l   o f   t h e   c o n v e r t e r   i s   c o n s i d e r e d   i n   t h i s   p a p e r .   F o r   t h e   s a k e   o f   s i m p l i c i t y ,   w e   a s s u m e   t h a t   t h e   r e s i s t a n c e s   t h a t   a r e   a s s o c i a t e d   w i t h   t h e   i n d u c t o r   a n d   c a p a c i t o r   a r e   n u l l ,   a s   i n   t h e   c a s e   o f   a n   i d e a l   l o s s l e s s   c o n v e r t e r .   T h e   a v e r a g e   m o d e l   o f   t h e   c o n v e r t e r   c a n   b e   w r i t t e n   a s :   L v u L t v d t t d i c c + - - = ) 1 ( ) ( ) (   C G X u C t i d t t d v 2 ) 1 ( ) ( ) ( - - =   ( 6 )   T h e   m e a n i n g s   o f   t h e   s y m b o l s   i n   t h e   a b o v e   e q u a t i o n s   a r e   d e t a i l e d   i n   A p p e n d i x .   A s s u m i n g   t h a t   a   s i n g l e   p a r a m e t e r   a n d   i t s   P D F   i s   g i v e n ,   t h e   a b o v e   e q u a t i o n   c a n   b e   e x p a n d e d   u s i n g   P C T   w i t h   a   c o v e n i e n t   p o l y n o m i a l   b a s i s   t h a t   i s   c h o s e n   b a s e d   o n   t h a t   P D F .   I n   t h i s   s p e c i f i c   c a s e ,   u n c e r t a i n t i e s   i n   t h e   l o a d   a r e   t a k e n   a s   t h e   m a j o r   u n c e r t a i n   s o u r c e s   t o   e x p a n d   t h e   d e t e r m i n s t i c   m o d e l   i n t o   P C T   d o m a i n .   T h e   P D F   o f   t h e   l o a d   c o n d u c t a n c e ,   G ,   i s   a s s u m e d   t o   b e   u n i f o r m   h e r e   w i t h   a n   i n t e r v a l   o f   8 %   o f   t h e   c e n t r a l   v a l u e .   A   f i r s t - o r d e r   p o l y n o m i a l   ( n p = 1 )   i s   a d o p t e d .   T h e   P C T   e x p a n s i o n   o f   a l l   t h e   u n c e r t a i n   v a r i a b l e s   i s   g i v e n   a s :   = = = F = F = F = P c c c P b b b P a a a t v t v t i t i G G 0 0 0 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( x x x   ( 7 )   T h e n   t h e   c a l c u l a t i o n   a n d   d e v e l o p m e n t   o f   t h e   s e n s o r   v a l i d a t i o n   m o d u l a r   w i l l   f o l l o w   t h e   i n s t r u c t i o n s   b r i e f l y   i n t r o d u c e d   i n   P a r t   A   o f   t h i s   s e c t i o n .   F o r   f u r t h e r   r e f e r e n c e ,   a   d e t a i l e d   d e s c r i p t i o n   o f   t h e   w h o l e   p r e c e s s   w a s   p r o v i d e d   i n   [ 1 7 ] .     5 .   G L O B A L   C O N T R O L L E R   D E S I G N     5 . 1 .   G e n e r a l   f u n c t i o n s   o f   g l o b a l   c o n t r o l   u n i t   T h e   g o a l s   o f   t h e   d e s i g n e d   g l o b a l   c o n t r o l   u n i t   a r e   s u m m a r i z e d   a s   f o l l o w s :   ·   I t   i s   r o b u s t   t o   t h e   c h a n g e   o f   t h e   n u m b e r   o f   D G s   c o n n e c t e d   t o   t h e   D C   b u s   o f   m i c r o - g r i d s .   I n   o t h e r   w o r d s ,   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   s y s t e m   i s   p r a c t i c a l l y   i n d e p e n d e n t   o f   t h e   n u m b e r   o f   p a r a l l e l e d   D G s .   T h u s ,   w e   c a n   d e s i g n   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   b a s e d   o n   a   f i x e d   n u m b e r   o f   i n v e r t e r s   a n d   u s e   i t   i n   a   s y s t e m   w i t h   a   v a r i a b l e   n u m b e r   o f   i n v e r t e r s   w i t h o u t   r e - d e s i g n i n g .   ·   I t   h a s   t h e   c a p a b i l i t y   t o   o p t i m i z e   t h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   w h o l e   s y s t e m   b y   c h a n g i n g   t h e   n u m b e r   o f   D G s   c o n n e c t e d   t o   t h e   g r i d .   S y n e r g e t i c   c o n t r o l   t h e o r y   i s   a d o p t e d   i n   t h i s   p a p e r   f o r   i t s   c a p a b i l i t y   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y   b y   m e a n s   o f   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t h a t   c h a n g e s   t h e   n u m b e r   o f   o p e r a t i n g   c o n v e r t e r s .   T h e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   d e s i g n   p r o c e d u r e   c o n s i s t s   o f   f o u r   s t e p s :   ·   D e v e l o p m e n t   o f   a u g m e n t e d   ( e x t e n d e d )   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   b y   i n c l u d i n g   m o d e l s   o f   t h e   i n f l u e n c i n g   d i s t u r b a n c e s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A A S   I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2       I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   i n   D C   M i c r o - G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s   ( W e i l i n   L i n )   7 ·   S e l e c t i o n   o f   m a c r o - v a r i a b l e s   a n d   a   p r o p e r   f u n c t i o n a l   e q u a t i o n   f o r   c o n t r o l   d e s i g n   e n s u r i n g   t h e   s p e c i f i e d   b e h a v i o r   o f   t h e   c l o s e d   l o o p   s y s t e m .   ·   D e r i v a t i o n   o f   f e e d b a c k   b y   s o l v i n g   a   s y s t e m   o f   f u n c t i o n a l   e q u a t i o n s .   ·   D e f i n i t i o n   o f   c o n s t r a i n s   o n   m a c r o - v a r i a b l e   c o m p o n e n t s   t o   e n s u r e   s t a b l e   b e h a v i o r   o f   t h e   c l o s e d   s y s t e m   o n   t h e   m a n i f o l d s   a n d   a t   a n   e q u i l i b r i u m   p o i n t .     5 . 2 .   G l o b a l   c o n t r o l l e r   d e s i g n     T h e   e q u i v a l e n t   c i r c u i t   o f   t h e   p r o p o s e d   D C   m i c r o - g r i d   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   5   [ 1 1 ] [ 1 2 ] .   T h e   p r o b l e m   o f   t h e   g l o b a l   c o n t r o l   t h e n   b e c o m e s   t h e   c o n t r o l   o f   p a r a l l e l   c o n n e c t e d   c o n v e r t e r s .   S y n e r g e t i c   c o n t r o l   m e t h o d   i s   a p p l i e d   i n   G C   t o   o p t i m i z e   t h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   s y s t e m .   T h e   s t a t e   s p a c e   a v e r a g e d   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   p r e s e n t e d   h e r e   c a n   b e   d e r i v e d   a s   f o l l o w s   [ 2 1 ] - [ 2 3 ] :     = - = - = - - = = 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 v d t d M u L v L E d t d i u L v L E d t d i C M C R v i u C d t d v m m m m m m j e x t j j h K                                                                         ( 8 )   W h e r e     u i = 1 - d i   v 0 :   c a p a c i t o r   v o l t a g e ;   i L i :   i n d u c t o r   c u r r e n t ;   M ( t ) :   i m p a c t   o f   t h e   l o a d   a n d   p a r a m e t e r s   c h a n g e s ;   t :   t i m e   c o n s t a n t   F o r   a   m a t h e m a t i c a l   s t a n d p o i n t ,   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   d e s i g n   [ 1 2 ]   i s   b a s e d   o n   a   n e w   m e t h o d   f o r   g e n e r a t i n g   c o n t r o l   l a w s     Φ i = Φ i ( i 1 ,   i 2 , , i m , v )   o r   f e e d b a c k s   t h a t   d i r e c t   t h e   s y s t e m   f r o m   a r b i t r a r y   i n i t i a l   c o n d i t i o n s   i n t o   a   v i c i n i t y   o f   m a n i f o l d s   Φ ( i 1 ,   i 2 , , i m , v ) = 0   a n d   t h e n   e n s u r e   a s y m p t o t i c a l l y   s t a b l e   m o t i o n   a l o n g   t h e s e   m a n i f o l d s   t o w a r d   t h e   e n d   a t t r a c t o r s .   O n   t h e s e   a t t r a c t o r s   t h e   d e s i r e d   p r o p e r t i e s   o f   t h e   c o n t r o l l e d   s y s t e m   a r e   g u a r a n t e e d .       I n   s h o r t ,   t h e   t e n e t   o f   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   d e s i g n   i s   t h e   u s e   o f   m a c r o - v a r i a b l e s   t o   d e f i n e   t h e   l a w s   o f   i n t e r a c t i o n   a m o n g   t h e   s y s t e m   c o m p o n e n t s .   T h e s e   m a c r o - v a r i a b l e s   d e f i n e   t h e   p r o p e r t i e s   o f   t h e   m o t i o n   o f   t h e   e x t e n d e d   s y s t e m   t o   t h e   e q u i l i b r i u m   s t a t e .   T h e   n u m b e r   o f   m a c r o - v a r i a b l e s   i n   t h e   s e t   e q u a l s   t h e   n u m b e r   o f   c o n t r o l   c h a n n e l s .   T h e   s w i t c h i n g - m a c r o - v a r i a b l e   d e f i n e d   i n   t h i s   p a p e r   i s   a s   f o l l o w s :   m i i t M a v a i a c m j m i m i j j i i i , ; ) ( 1 2 , 1 , , = + + = = + + f   ( 9 )   W h e r e   a i, j   a r e   s e l e c t e d   t o   e n s u r e   t h e   e x i s t e n c e   o f   t h e   m a n i f o l d s   i n t e r s e c t i o n .   c i   r e p r e s e n t s   t h e   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   i n p u t s ,   i t   i s   a s s u m e d   t h a t   c o e f f i c i e n t   c i   c a n   o n l y   t a k e   v a l u e s   0   a n d   1 .   A s   a   r e s u l t ,   w h e n   c i = 0   t h e   c o n v e r t e r   i s   s w i t c h e d   o f f   a n d   f o r   c i = 1   i t   i s   s w i t c h e d   o n .   T h e   d e s i r e d   d y n a m i c   e v o l u t i o n   o f   t h e   m a c r o - v a r i a b l e s   i s     m i T T i i i i , 1 , 0 , 0 = = + f f &   ( 1 0 )   W h e r e   T i   i s   a   d e s i g n   p a r a m e t e r   w h i c h   s p e c i f y i n g   t h e   c o n v e r g e n c e   s p e e d   t o   t h e   m a n i f o l d   s p e c i f i e d   b y   t h e   m a c r o - v a r i a b l e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I J A P E     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 2   :     1     1 2   8 S o l v i n g   j o i n t l y   t h e   s y s t e m   o f   t h e   f u n c t i o n a l   e q u a t i o n s   ( 1 0 )   w i t h   t h e   s y s t e m   m o d e l   ( 8 )   a n d   w i t h   t h e   s e t   o f   t h e   m a c r o - v a r i a b l e s   ( 9 ) ,   t h e   s y n e r g e t i c   c o n t r o l   v a r i a b l e   u   f o r   t h e   s y s t e m   c a n   b e   f o u n d .         F i g u r e   5 .   E q u i v a l e n t   g l o b a l   c o n t r o l   c i r c u i t   T h e   o p t i m i z a t i o n   o f   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y   i s   m a d e   b y   c h a n g i n g   a   n u m b e r   o f   o p e r a t i n g   c o n v e r t e r s   i n   a c c o r d a n c e   w i t h   t h e   p o w e r   c o n s u m e d   b y   t h e   l o a d .   A   t r a n s i t i o n   f r o m   o n e   s y s t e m   c o n f i g u r a t i o n   t o   a n o t h e r   c a n   b e   m a d e   u s i n g   s w i t c h i n g   f u n c t i o n   ( 9 ) .   B y   c h a n g i n g   t h e   n u m b e r   o f   o p e r a t i n g   c o n v e r t e r s ,   i t   i s   p o s s i b l e   t o   i m p r o v e   t h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   s y s t e m   w i t h   v a r i o u s   l o a d s .   A n   a l g o r i t h m   d e f i n i n g   p o s s i b l e   b e h a v i o r   o f   t h e   c o o r d i n a t i v e   s w i t c h i n g   f u n c t i o n   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 .   I t   t a k e s   p o w e r   d e m a n d   P - r e f   a s   i n p u t .   T h e   a l g o r i t h m   c o m p a r e s   P - r e f   w i t h   t h r e s h o l d   v a l u e s   P j   a n d   c h a n g e s   s w i t c h i n g   f u n c t i o n   a c c o r d i n g l y .         F i g u r e   6 .   A l g o r i t h m   o f   t h e   o p e r a t i o n   s w i t c h i n g   f u n c t i o n   6 .   S I M U L A T I O N   R E S U L T S   P r e l i m i n a r y   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   a r e   p r o v i d e d   a n d   a n a l y z e d   i n   t h i s   s e c t i o n   t o   v e r i f y   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   m e t h o d s .       6 . 1 .   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   o f   t h e   l o c a l   c o n t r o l l e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A A S     I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   T h i s   s i m u l a t i o n   c a s e   s h o w s   t h e   c o n s e q u e n c e s   t h a t   d e f e c t i v e   c u r r e n t   s e n s o r s ,   w h o s e   m e a s u r e m e n t s   a r e   u s e d   b y   t h e   l o c a l   c o n t r o l l e r ,   c a n   c a u s e   i f   n o   h a v e   b e e n   a c h i e v e d   w i t h   t h e   a p p l i c a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   P C T   m e t h o d s .     F i g u r e   7   s h o w s   t h a t   a t   0 . 6 s F i g u r e   8   s h o w s   t h e   d i f f e r e n c e   i n   t h e y   a r e   ( l e f t   s i d e   o f     F i g u r e   8 ) .   N o t i c e   t h a t ,   r e c o n s t r u c t i o n ,   t h e   D C   b u s   v o l t a g e   t h a t   d i r e c t l y   f e e d s   t h e   l o a d   m a y   s t a y   r a t h e r   c o n s t a n t   ( b o t t o m   o f   t h e   l e f t   s i d e     F i g u r e   8 ) .   H o w e v e r ,   c u r r e n t   t e n d s   t o   i n c r e a s e   u n l i m i t e d l y   ( t o p   l e f F i g u r e   8 ) ,   s i n c e   t h e   l o c a l   c o n t r o l l e r s   t a k e   a c t i o n s p o i n t s   o f   t h e   c o n v e r t e r .   A s   a   r e s u l t ,   t h e   c u r r e n t   m a y   k e e p   i n c r e a s i n g   t i l l   t h e   w h e n   t h e   i n c o r r e c t   m e a s u r e m e n t s   a r e   r e p l a c e d   w i t h   r e c o n s t r u c t e d   d a t a ,   t h e   s i t u a t i o n   i s   m i t i g a t e d   ( r i g h t   s i d e   o f   F i g u r e   8 ) .     T h i s   m e a s u r e m e n t   f a u l t   i s   a   p o t e n t i a l   t h r e a t   t o   t h e   m a y   a l s o   r e s u l t   i n   u n p r e d i c t a b l e   d a m a g e   o f   o t h e r   c o m p o n e n t s   i n   t h e   p o w e r   s y s t e m .   s i t u a t i o n   i s   m i t i g a t e d   o r   e v e n   a v o i d e d   w i t h   r e c o n s t r u c t e d   d a t a   F i g u r e   7 F i g u r e   8 .   I m p a c t   o f   t h e   M e a s u r e m e n t   F a i l u r e s   o n   t h e   V i t a l   L o a d   B u s 6 . 2 .   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   o f   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r T h i s   s i m u l a t i o n   s e c t i o n   i s f o r   D C   m i c r o - g r i d   s y s t e m   w i t h   f o u r   p a r a l l e l e d   s u b s y s t e m s a t   5 0   k W .   T h e   c o n v e r t e r   e f f i c i e n c y F i g u r e   9 .   T h e   g l o b a l   c o n t r o l   t a s k   i s   t o   o p t i m i z e   t h e   s y s t e m c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   f u n c t i o n   c i   w o r d s ,   p o w e r   l e v e l s   t h r e s h o l d s   P     0 0 . 2 - 1 0 1 2 3 4 C u r r e n t   ( A m p ) M e a s u r e m e n t   F a i l u r e   n o t   R e c o n s t r u c t e d 0 0 . 2 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 V o l t a g e   ( V ) I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I m p r o v i n g   C o n t r o l   P e r f o r m a n c e   i n   D C   M i c r o - G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s s h o w s   t h e   c o n s e q u e n c e s   t h a t   d e f e c t i v e   c u r r e n t   s e n s o r s ,   w h o s e   m e a s u r e m e n t s   ,   c a n   c a u s e   i f   n o   s e n s o r   v a l i d a t i o n   a c t i o n   i s   t a k e n .   A n d   t h e   i m p r o v e m e n t s   t h a t   h a v e   b e e n   a c h i e v e d   w i t h   t h e   a p p l i c a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   P C T   m e t h o d s .     0 . 6 s   a   f a i l u r e   o f   t h e   m e a s u r e m e n t   i s   d e t e c t e d .     s h o w s   t h e   d i f f e r e n c e   i n   c o n v e r t e r   o u t p u t   c u r r e n t   i n   c a s e   i n c o r r e c t   m e a s u r e m e n t s   a r e   u s e d   a s     f o l l o w i n g   a   f a i l u r e   o f   t h e   c u r r e n t   s e n s o r ,   e v e n   w i t h o u t   r e s u m i n g   t o   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n ,   t h e   D C   b u s   v o l t a g e   t h a t   d i r e c t l y   f e e d s   t h e   l o a d   m a y   s t a y   r a t h e r   c o n s t a n t   ( b o t t o m   o f   t h e   l e f t   ) .   H o w e v e r ,   c u r r e n t   t e n d s   t o   i n c r e a s e   u n l i m i t e d l y   ( t o p   l e f t   s i d e     l o c a l   c o n t r o l l e r s   t a k e   a c t i o n s   b a s e d   o n   b o t h   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t   a t   t h e   o u t p u t   .   A s   a   r e s u l t ,   t h e   c u r r e n t   m a y   k e e p   i n c r e a s i n g   t i l l   t h e   c o n v e r t e r w h e n   t h e   i n c o r r e c t   m e a s u r e m e n t s   a r e   r e p l a c e d   w i t h   r e c o n s t r u c t e d   d a t a ,   t h e   s i t u a t i o n   i s   m i t i g a t e d   ( r i g h t   s i d e   o f   T h i s   m e a s u r e m e n t   f a u l t   i s   a   p o t e n t i a l   t h r e a t   t o   t h e   c o n v e r t e r   t h a t   d i r e c t l y   f e e d s   t h e   m a y   a l s o   r e s u l t   i n   u n p r e d i c t a b l e   d a m a g e   o f   o t h e r   c o m p o n e n t s   i n   t h e   p o w e r   s y s t e m .   s i t u a t i o n   i s   m i t i g a t e d   o r   e v e n   a v o i d e d   w i t h   r e c o n s t r u c t e d   d a t a   o b t a i n e d   t h r o u g h   P C T   b a s e d   o b s e r v e r   7 .   C u r r e n t   S e n s o r   S t a t u s   M o n i t o r i n g   o f   t h e   C o n v e r t e r     .   I m p a c t   o f   t h e   M e a s u r e m e n t   F a i l u r e s   o n   t h e   V i t a l   L o a d   B u s S i m u l a t i o n   r e s u l t s   o f   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   h i s   s i m u l a t i o n   s e c t i o n   i s   t o   e v a l u a t e   t h e   e f f i c i e n c y   o p t i m i z a t i o n   c a p a b i l i t y   w i t h   f o u r   p a r a l l e l e d   s u b s y s t e m s .   E a c h   D C / D C   c o n v e r t e r   i n   t h e   s u b s y s t e m   e f f i c i e n c y   c u r v e   a g a i n s t   p o w e r   o u t p u t   i s   s h o w n   i n     h e   g l o b a l   c o n t r o l   t a s k   i s   t o   o p t i m i z e   t h e   s y s t e m s   e f f i c i e n c y   b y   p r o p e r   c h o i c e   o f   t h e     t h a t   p u t   c o r r e s p o n d i n g   c o n v e r t e r   o n l i n e   i f   c i = 1   a n d   o f f l i n e   i f P j   a r e   t o   b e   c h o s e n   t o   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y ,   a s   s h o w n   i n   T a b l e   1 .   P o w e r   T h r e s h o l d   L e v e l   T h r e s h o l d   n u m b e r   L e v e l ,   k W   0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 T i m e   ( s ) M e a s u r e m e n t   F a i l u r e   n o t   R e c o n s t r u c t e d 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 - 1 0 1 2 3 4 T i m e   ( s ) C u r r e n t   ( A m p ) M e a s u r e m e n t   F a i l u r e   R e c o n s t r u c t e d 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T i m e   ( s ) V o l t a g e   ( V ) 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 T i m e   ( s )   G r i d s   w i t h   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n s   ( W e i l i n   L i n )   9 s h o w s   t h e   c o n s e q u e n c e s   t h a t   d e f e c t i v e   c u r r e n t   s e n s o r s ,   w h o s e   m e a s u r e m e n t s   A n d   t h e   i m p r o v e m e n t s   t h a t   c u r r e n t   i n   c a s e   i n c o r r e c t   m e a s u r e m e n t s   a r e   u s e d   a s   o r ,   e v e n   w i t h o u t   r e s u m i n g   t o   d a t a   r e c o n s t r u c t i o n ,   t h e   D C   b u s   v o l t a g e   t h a t   d i r e c t l y   f e e d s   t h e   l o a d   m a y   s t a y   r a t h e r   c o n s t a n t   ( b o t t o m   o f   t h e   l e f t   b a s e d   o n   b o t h   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t   a t   t h e   o u t p u t   c o n v e r t e r   i s   d a m a g e d .   H o w e v e r ,   w h e n   t h e   i n c o r r e c t   m e a s u r e m e n t s   a r e   r e p l a c e d   w i t h   r e c o n s t r u c t e d   d a t a ,   t h e   s i t u a t i o n   i s   m i t i g a t e d   ( r i g h t   s i d e   o f     d i r e c t l y   f e e d s   t h e   D C   b u s ,   a n d   i t   m a y   a l s o   r e s u l t   i n   u n p r e d i c t a b l e   d a m a g e   o f   o t h e r   c o m p o n e n t s   i n   t h e   p o w e r   s y s t e m .   O n   t h e   c o n t r a r y ,   t h e   o b t a i n e d   t h r o u g h   P C T   b a s e d   o b s e r v e r .           .   I m p a c t   o f   t h e   M e a s u r e m e n t   F a i l u r e s   o n   t h e   V i t a l   L o a d   B u s   o n   c a p a b i l i t y   o f   t h e   g l o b a l   c o n t r o l l e r   i n   t h e   s u b s y s t e m   i s   r a t e d   s   e f f i c i e n c y   b y   p r o p e r   c h o i c e   o f   t h e   a n d   o f f l i n e   i f   c i = 0 .   I n   o t h e r   m a x i m i z e   t h e   s y s t e m   e f f i c i e n c y ,   a s   s h o w n   i n   T a b l e   1 .   1 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I J A P E     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 2   :     1     1 2   1 0 P 1   4 5   P 2   8 4   P 3   1 2 0           F i g u r e   9 .   E f f i c i e n c y   o f   t h e   c o n v e r t e r s           F i g u r e   1 0 .   S y s t e m   e f f i c i e n c y     ( a )   w i t h o u t   c o o r d i n a t i o n   a n d   ( b )   w i t h   c o o r d i n a t i o n       T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   i n     F i g u r e   1 0   s h o w   t h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   p r o p o s e d   D C   m i c r o - g r i d s   b o t h   w h e n   t h e   s y s t e m   o p e r a t e s   w i t h o u t   g l o b a l   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   a n d   w i t h   g l o b a l   c o o r d i n a t i v e   c o n t r o l   t h a t   u s e   t h e   s w i t c h i n g   t h r e s h o l d s   a s   s h o w n   i n   T A B L E   1 .   I t   c a n   b e   s e e n   t h a t   t h e   p r o p o s e d   g l o b a l   c o n t r o l   a l g o r i t h m   p r o v i d e s   s u b s t a n t i a l   i m p r o v e m e n t   o f   t h e   s y s t e m   p o w e r   e f f i c i e n c y   a t   t h e   v e r y   b e g i n n i n g   o f   t h e   s y s t e m   o p e r a t i o n .         7 .   C O N C L U S I O N   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.