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.   4 ,   No .   1 A p r il   201 5 ,   p p .   13 ~ 22   I SS N:  2252 - 8792          13       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J APE   Co m pa riso n b etw een Tw o - Lev el Conv erte r and Th r ee - Lev el  NPC  Co nv erte r  f o r Ev a lua tion the  Q ua lity  Pow er of D FI G   Ba sed Wind Tu rb ines       Z e rz o uri N o ra * L a ba H o ci ne * K ec hid a   Sih e m * *   D e p a rt m e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   Ba d ji   M o k th a Un iv e rsity   A n n a b a ,   A lg e ria   **   A u to m a ti c   Co n tro L a b o ra to ry   a n d   C o m p u ter G u e l m a   L a ig ,   Un iv e rsit y   o f   G u e l m a ,   BP   4 0 1 . G u e lma   2 4 0 0 0 ,   A lg e ria       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   26 ,   2 0 1 5   R ev i s ed   Feb   1 0 ,   2 0 1 5   A cc ep ted   Mar   2 3 ,   2 0 1 5       T h is  p a p e d e a ls  th e   p o w e c o n tro f o th re e - lev e v o lt a g e   so u rc e   in v e rter  NP C - V S f e e d th e   ro to o f   th e   d o u b ly   f e d   in d u c ti o n   g e n e ra to ‘DFIG ’  b a se d   w in d   p o w e g e n e ra ti o n   sy st e m .   T h is  c o n v e rter  a ll o w c o n tro ll in g   th e   ro to r   v o lt a g e   in   m a g n it u d e   a n d   p h a s e   a n g le  w it h   a   h ig h   f lex ib il it y   a n d   c a n   th e re f o re   b e   u se d   f o a c ti v e   a n d   r e a c ti v e   p o w e c o n tro o f   DFIG .   Th e   c o n tro l   is  e sp e c iall y   d e sig n e d   to   re d u c e   th e   h a rm o n ic  d ist o rti o n   o f   th e   g e n e ra ted   c u rre n ts  a n d   a c ti v e   p o w e rip p le o f   th e   c las sic a c o n tro l.   In   a d d it io n ,   it ’s  c o n v e n ien f o h ig h   p o w e d riv e   a n d   v a riab le  sp e e d   g e n e ra to a p p li c a ti o n w it h   c o n sta n sw it c h in g   f re q u e n c y .   T h e   d e tailed   o p e ra ti o n   p ri n c ip le  a n d   sim u latio n   re su lt s f o 3   M W   o f   DFIG   a re   a lso   d isc u ss e d .   K ey w o r d :   Do u b l y Fed   I n d u ctio n   Ge n er at o r     P W T ec h n iq u e   T o tal  Har m o n ics   W in d   T u r b in e   Co p y rig h ©   2 0 1 5   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Z er zo u r i N o r a,   Dep ar te m en t   o f   E lectr ical  E n g in ee r in g ,   B ad j i M o k th ar   Un i v er s it y   An n ab a,   Un i v er s ité  B ad j i M o k h tar   - An n ab a -   B . P . 1 2 ,   A n n ab a,   2 3 0 0 0   A l g er ia.   E m ail:  n ze r zo u r i@ y a h o o . f r       1.   I NT RO D UCT I O N   W ith   t h f a s i n cr ea s i n g   o f   w i n d   en er g y   i n s talled   ca p ac it y   o v er   th last   t w o   d ec ad es,  it  is   p lay in g   a   v ital  r o le  in   w o r ld s   en er g y   m ar k ets  at  t h p r esen t.  I is   ex p e cted   th at  g lo b al  to tal  w in d   p o w er   g e n er atio n   w i ll   s u p p l y   ar o u n d   1 2 o f   th t o tal  w o r ld   elec tr icit y   g e n er at io n   at  th e n d   o f   2 0 2 0 .   C u r r en tl y   th p r e f er r ed   co n f i g u r atio n   f o r   w i n d   t u r b in e   g e n er atio n   is   d o u b l y   f ed   i n d u ctio n   g en er ato r ,   w h ic h   ca n   b s ee n   in   Fi g .   1 .   T h i s   ca n   b d u to   th eir   ad v an tag e o u s   ch ar ac ter is t ics.  I n   co m p ar is o n   w it h   th f i x ed   s p e ed   w in d   tu r b in e,   th e y   ca n   r ed u ce   m ec h an ica s tr es s es,  a n d   co m p en s ate  f o r   to r q u an d   p o w er   p u ls at io n s ,   a n d   as  r e s u lt  i m p r o v p o w er   q u alit y .   I n   ad d itio n ,   v ar iab le  s p ee d   tu r b in es  ca n   m a x i m ize  th ef f icie n c y   o f   t h en er g y   c o n v er s io n ,   as  th e y   ca n   o p er ate  at  o p tim al  r o tatio n al  v elo cit y   f o r   ea ch   g i v en   win d   s p ee d   [ 1 ] .   T h DFI w it h   v ec to r   co n tr o s tr ateg y   d eliv er s   g o o d   p er f o r m an ce   a n d   is   co m m o n l y   u s e d   in   w i n d   tu r b i n in d u s tr y   [ 2 ] .   T h er ar m an y   r ea s o n s   f o r   u s i n g   D FIG   f o r   v ar iab le  w i n d   s p ee d ,   s u c h   a s   r ed u ci n g   s tr ai n   o n     m ec h a n i ca p ar ts ,   n o i s a n d   th p o s s ib ilit y   f o r   co n tr o ac t i v a n d   r ea cti v p o w er   [ 3 ] .     T h w i n d   s y s te m   u s in g   a   DFI an d   th e   b ac k - to - b ac k   P u ls W id th   Mo d u latio n   ( P W M )   co n v er ter   w h ich   co n n ec ts   t h r o to r   o f   th g e n er at o r   an d   th n et w o r k   h as  m an y   ad v an tag e s .   On o f   th e m   is   t h p o w er   co n v er ter s   u s ed   th at  ar s ized   to   p ass   f r ac tio n   o f   t h to tal   p o w er   o f   t h s y s te m   [ 4 ] - [ 5 ] ,   th er b y   r ed u ci n g   lo s s es  i n   p o w er   elec tr o n ic  co m p o n e n t s .     T h p er f o r m a n ce   a n d   o u tp u t p o w er   d o   n o t   d ep en d   o n l y   o n   th e   DFI G,   b u t a ls o   t h w a y   t h b ac k - to - b ac k   co n v er t er   is   co n tr o lled .   T h b ac k - to - b ac k   co n v er ter   co n s is ts   o f   t w o   p ar ts t h m ac h in s id co n v er ter   ca lled   R o to r   Sid C o n v er ter   ( R S C )   an d   th n e t w o r k   s id co n v er t er   ca lled   Gr id   Sid C o n v er ter   ( GSC ) .   T h R SC   co n tr o ls   t h ac tiv p o w er   an d   r ea ctiv p o w er   p r o d u ce d   b y   t h m ac h i n e.   T h GSC   co n tr o ls   th DC   b u s   v o ltag a n d   p o w er   f ac to r .   I n   th i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   IJ A P E   Vo l.  4 ,   No .   2 A p r il   2 0 1 5   :   13     22   14   s tu d y ,   tec h n iq u to   co n tr o th t w o   a n d   t h r ee   le v el  i n v er ter   is   p r esen ted   a n d   t h w i n d   s y s te m   d y n a m i c   p er f o r m a n ce   i s   a n al y ze d   b y   s i m u lati o n s   i n   Ma tlab   Si m u li n k .   Firstl y ,   t h w i n d   tu r b i n i s   m o d elled   t h en   a   MP PT   tech n iq u f o r   ex tr ac ti n g   t h m a x i m u m   p o w er   is   p r esen ted .   Su b s eq u e n tl y ,   m o d el  o f   th D FIG   is   d er iv ed   in   d q   r ef er en ce   f r a m e   an d   p r esen ted   th m o d el  o f   t w o   an d   t h r ee   lev el  i n v er ter .   Fin all y ,   s i m u latio n   r esu lt s   an d   th e ir   in ter p r etatio n   ar p r o v id ed .       Fig u r 1 .   W in d   tu r b in s y s te m   w it h   d o u b l y   f ed   in d u ctio n   g e n er ato r       2.   M O DE L   O F   T H E   W I ND  T URB I NE   A E RO DYN AM I CS   T h m ec h a n ical  p o w er   ex tr ac t ed   f r o m   w i n d   t u r b in e,   P T is   d ep en d en o n   t h p o w er   co ef f icie n t,  C p ,   f o r   t h e   g iv e n   t u r b in o p er atio n   co n d it io n s   an d   i s   g i v e n   b y                      (       )                                                                                    ( 1 )       W h er C p A ρ an d   ar th p o w er   co ef f ic ien ( m ax i m u m   v alu B etz s   li m it  0 . 5 9 3 ) ,   th ar ea   s w ep b y   t h b lad es,  th s p ec i f ic  d en s it y   o f   air   an d   t h w i n d   s p ee d ,   r esp ec tiv el y .   T h er ef o r e,   if   t h air   d en s it y ,   s w ep ar e a   an d   w i n d   s p ee d   ar co n s tan t,  t h o u tp u p o w er   o f   th w i n d   tu r b in w ill  b f u n ctio n   o f   C p .   Ho w ev er ,   C is   a   f u n ctio n   o f   t h p itch   a n g el  o f   t u r b in r o to r   b lad es,   β ,   an d   th tip - s p ee d   r atio ,   ,   w h ic h   is   d e f i n ed   as                                                                                                                                                                                                                        ( 2 )     W h er   is   th s p ee d   o f   tu r b i n an d   R   t h b lad r ad iu s .       T h p o w er   co ef f icie n t o f   t h t u r b in is   g i v en   b y   [ 6 ] :           (       )       (                       )                                                      ( 3 )     A   t y p ical  C c u r v is   s h o w n   in   Fig u r 2 .       Fig u r 2 P o w er   co ef f icie n C   p   v er s u s   t ip   s p ee d   r atio     0 5 10 15 20 25 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5 V i t e s s e   d e   V e n t ( m / s ) c o e f f i c i e n t   C p     1 b e t a = 0 2 b e t a = 2 3 b e t a = 4 4 b e t a = 6 5 b e t a = 8 6 b e t a = 1 0 7 b e t a = 1 2 8 b e t a = 1 4 9 b e t a = 1 6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       C o mp a r is o n   b etw ee n   Tw o - Lev el  C o n ve r ter a n d   Th r ee - Leve l NPC   C o n ve r ter fo r …  ( Zer z o u r i No r a )   15   T h p ar am eter s   o f   w in d   t u r b i n f o r   t h is   ca lc u latio n   ar s h o w n   in   T ab le  I V.   T h s am p ar am eter s   ar also   ad o p ted   in   s i m u latio n   o f   s ec ti o n   V.   A s   i ca n   b s ee n ,   t h er e   is   v a lu o f   λ  f o r   w h ich   C v alu e   is   m a x i m ized   ( C pmax )   b y   g i v en   p itc h   an g le   β  v alu e,   an d   t h C pmax   v alu is   r ed u ce d   w it h   t h β  v al u in cr ea s ed .   T o   ex tr ac th m a x i m u m   w i n d   en er g y ,   p itch   a n g le  i s   u s u all y   ar o u n d   z er o   w h en   t h w i n d s   s p ee d   b elo w   t h r ated   v al u e   [ 7 ] .   W ith   co n s tan t   b lad p itch   an g le,   t h m a x i m u m   v al u o f   t h p o w er   co ef f icie n t   C pmax   w o u ld   b o b tain ed   at  p ar ticu lar   v al u o f   ,   d ef in ed   as  opt.   Fo r   m ax i m u m   p o w er   p o in tr ac k i n g   ( MP PT ) ,     s h o u ld   b m ai n tai n ed   at  th is   o p ti m al  v a lu e.   T h Ma x i m u m   o u tp u t p o w er   o f   th w i n d   tu r b in es  P   t m a x   ca n   b ex p r es s ed   b y   [ 7 ] , [ 8 ] :                                                                                                                        ( 4 )       3.   DF I G   M O DE L L I N G   AND   P O WE R   CO NT RO L   3 . 1 .   Do ub ly   F ed  I nd uct io n M a ch ine Eq ua t io ns     T h DFI is   w o u n d   r o to r   i n d u ctio n   g e n er ato r   in   w h ic h   t h r o to r   cir cu it  is   co n n ec ted   to   th g r id   th r o u g h   t w o   b ac k - to b ac k   co n v er ter s   a n d   d c - lin k   ca p ac it o r   [ 9 ] .   T h ab ilit y   to   s u b tr ac t   an d   s u p p l y   p o w er   f r o m   t h r o to r   m a k e s   it  p o s s i b le  to   o p er ate  th DFI a s u b s y n c h r o n o u s   o r   s u p er s y n c h r o n o u s   s p ee d   w h ile   k ee p in g   co n s ta n t h v o lta g an d   f r eq u e n c y   o n   t h s tato r .   T h d m o d el  i n   an   ar b itra r y   r ef er e n ce   f r a m i s   ex p r ess ed   as f o llo w s   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] :     {                                                                                                                              (           )                                   (           )                                               ( 5 )     T h f lu x   eq u atio n s   ar e:     {                                                                                                                                                                          ( 6 )         W h er e   ω s : s y n ch r o n o u s   a n g u lar   f r eq u en c y   ω r : r o to r   an g u lar   f r eq u e n c y   Rs ,   Rr : e q u iv a len t r es is ta n ce s   o f   s tato r   an d   r o to r   w in d i n g s ,   r esp ec tiv el y   Ls ,   Lr ,   M s el f   an d   m u t u al  i n d u ctan ce s   o f   s tato r   an d   r o to r   w i n d in g s ,   r esp ec ti v el y   T h m o tio n   eq u atio n s   ar g i v e n   as  f o llo w s :                                                                                                                            ( 7 )                                                                                                     (                        )                                                                 ( 8 )                                                                                                          ( 9 )       W h er e   g :   s lip   an g u lar   f r eq u en c y   s : sli p   C m m ec h a n ical  to r q u p r o v id ed   to   th w i n d   tu r b in e   C e : e lectr o m ag n etic  to r q u e   J m o m e n t o f   i n er tia            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   IJ A P E   Vo l.  4 ,   No .   2 A p r il   2 0 1 5   :   13     22   16   3. 2 .     Ro t o s ide C o nv er t er   I n   t h r o to r   s id co n v er ter ,   r ea ctiv e   p o w er   a n d   t h r e f er en ce d   to r q u e   d eter m i n t h c u r r en t   r ef er en ce s ,   w h ic h   d eter m i n t h v o lta g es to   b ap p lied   to   th r o to r   s id e.   A   w in d - t u r b in e   g en er ato r   m u s b f u ll y   co n tr o llab le  s o   t h at  i ca n   o p er ate  at  s h a f s p ee d   th at  i s   i n d ep en d en t   o f   w i n d   co n d itio n s   to   g a in   th e   s tato r   v o lta g w h ic h   is   th s a m to   g r id   v o lta g e,   in c lu d i n g   t h s a m a m p lit u d e,   f r eq u en c y   a n d   p h ase.   I n   th i s   s ec t io n ,   t h co n tr o m o d el  o f   r o to r   s id co n v er ter   is   an al y ze d .   T h s tato r   f lu x   o r ien tatio n   r e f er s   to   t h e   d - ax i s   s y n c h r o n o u s   r o tatin g   d q   co o r d in ate  s y s te m   o r ien ted   in   t h d ir ec tio n   o f   th e   d o u b l y - f ed   m o t o r   s ta to r   f l u x ,   s h o w n   in   F ig u r 3 .       Fig u r 3 Stato r   f ield   o r ien ted   co n tr o l o f   DFI G       W ca n   o b tain   th f o llo w in g   r elatio n s h ip :     {                                                                                                                   ( 1 0 )     T o   k ee p   th s tato r   f l u x   ϕ co n s tan t,  t h v o lta g eq u atio n s   ca n   b ex p r ess ed   as:       {                                                                                                                          ( 1 1 )     W h er V is   th s p ac v ec to r   am p lit u d o f   s tato r   v o lta g e.   T h ac tiv an d   r ea ctiv p o w er s   o f   s tato r   ca n   b d er iv ed   as:     {           (                       )                          (                       )                                                               ( 1 2 )     Fro m   ab o v p o w er   eq u atio n s ,   it  is   clea r   to   d escr ib e   th p o w er   f lo w   i n   th D FIG   f o r   s u b - s y n c h r o n o u s   an d   s u p er s y n c h r o n o u s   o p er atio n .   A b o v s y n c h r o n o u s   s p ee d ,   th e   f o u r q u ad r a n t c o n v er ter   o p er ates a s   a   g e n er ato r   o f   ac tiv p o w er   d eli v er in g   p o wer   to   th g r id   . Un d er   t h c o n d itio n   o f   s u b s y n ch r o n o u s ;   th f o u r - q u ad r an co n v er ter   cir cu late s   ac ti v p o w er   f r o m   th g r id   in to   t h r o to r   cir cu it.   Usi n g   eq u at io n s   ( 1 0 )   to   ( 6 ) ,   th r o to r   cu r r en ts   ca n   b d er iv ed   in   th f o llo w i n g   f o r m .         {                                                                                                                             ( 1 3 )     Fin all y ,   t h r o to r   r ef er en ce   v o l tag es a r ca lcu lated   u s i n g     {                                                                                                                                                ( 1 4 )     I is   clea r   f r o m   th e   s ta to r   p o w er   e x p r ess io n s   ( 1 0 ) ,   th at   s t ato r   ac tiv p o w er   is   co n tr o ll ed   b y   I dr ,   w h ile  I qr   co n tr o ls   s tato r   r ea cti v p o w er .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       C o mp a r is o n   b etw ee n   Tw o - Lev el  C o n ve r ter a n d   Th r ee - Leve l NPC   C o n ve r ter fo r …  ( Zer z o u r i No r a )   17   T h R S C   co n tr o s tr ate g y   is   il lu s tr ated   in   Fi g u r 4 .   Fo r   t h s tato r   to   o p er ate  at  u n it y   p o w er   f ac to r ,   t h f lo w   o f   r ea ctiv p o w er   f r o m   t h s tato r   s id to   g r id   is   s et  to   ze r o ,   th u s   I rq * ca n   b e   d eter m in ed   f r o m   ( 1 0 ) ,   s o   I d r *   ca n   b ca lcu lated   f r o m   ( 1 2 ) .   No w   t h e   ac tu al   r o to r   cu r r en ts   I dr   an d   I qr  a r co m p ar ed   w it h   t h r e f er en ce   r o to r   cu r r en t s   I dr  *   a n d   I qr   *   b ef o r b ein g   p r o ce s s ed   u s in g   i n n er   P I   cu r r en t   co n tr o ller s ,   i n   a   s i m i lar   m a n n er   to   th o n e s   u s ed   f o r   GSC ,   t h en   ad d ed   w it h   c r o s s - ter m s ,   to   f in al l y   g en er ate  t h e   co n tr o l sig n als  f o r   th R SC [ 1 0 ] .       Fig u r 3 .   Vec to r   co n tr o l o f   DFI w it h   g r id   a n d   r o to r   s id co n v er ter s .       4.     M O DE L L I N G   P WM   I NVE RT E R   4 . 1 .   T w o - lev el  inv er t er s   A   p o w er   cir cu it  o f   t h r ee - p h as v o ltag e - s o u r ce   b ac k - to   b ac k   P W co n v er ter s   i n cl u d in g   t w o   lel v p o w er   s e m ico n d u cto r   s w itc h es  is   s h o w n   in   Fi g u r 5 ,   w h er th t w o   co n v er ter s   ar lin k ed   th r o u g h   DC   ca p ac ito r .   As  ca n   b s ee n   i n   Fi g u r e5 ,   th D C / A C   in v er ter   h a s   a n   i n p u v o ltag ( Vd c)   an d   p r o d u ce s   t h r ee     o u tp u t   v o ltag e( v a’ ( t) v b ( t) v c ( t) )   ,   w h ic h   is   t h i n p u v o lta g o f   t h in v er ter ,   w h er ea s   th th r ee   p h ase  v o lta g e s   ( v a( t) ; v b ( t) ; v c( t) )   d esig n ate  t h in p u t te r m in al  o f   th co n v e r ter           Fig u r 5 .     C ir cu it c o n f i g u r at io n   o f   t w o - lev el  b ac k - to - b ac k   P W co n v er ter s .       T h P W tech n iq u e   is   o b tain ed   b y   co m p ar is o n   o f   t r ian g u lar   ca r r ier   w a v e f o r m   w it h   th e   r ef er e n ce   s in u s o id al  w a v e f o r m   at  t h f u n d a m e n tal  f r eq u e n c y   o f   t h o u tp u t v o lta g e.   T h en ,   t h s w itc h i n g   p u ls e s   ( S 1 ; S 4 )   f o r   p h ase  A   ar illu s tr ated   in   T ab le  1       T ab le  1 .   Sw itch in g   s tate s   o f   T w o - L ev el  O n e - P h ase  I n v er ter   S w i t c h i n g   st a t e s   O u t p u t   v o l t a g e   ( v ao )   S 1   S 4   1   0   Vd c / 2   0   1   - Vd c / 2     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   IJ A P E   Vo l.  4 ,   No .   2 A p r il   2 0 1 5   :   13     22   18   4 . 2 .   I nv er t er   M o del   T h o u tp u v o ltag e s   ( v ab   ( t ) , v bc ( t) , v ca ( t ) )   ar m ad u p   b y   u s i n g   s w i tch in g   f u n ct io n s .   W h er ca n   b e   f o r m u lated   as f o llo w i n g s :     {        (   )         (   )             (   )         (   )             (   )         (   )                                                                               ( 1 5 )     W h er Sa’ ( t) ,   Sb ( t) ,   an d   Sc ( t)   ar s w itch in g   f u n ctio n s   f o r   ea ch   le g   o f   a   t w o - le v el  DC /AC   i n v er ter .   T h f u n ctio n   m o d el  f o r   DC / AC   i n v er ter   ca n   b ex p r es s ed   as:     {               (   )       (               )       (   )       (               )       (   )       (               )                                                                       ( 1 6 )     4 . 3 .   T hree   L ev el  I nv er t er     T h cir cu it  co n f i g u r atio n   o f   t h r ee - le v el  b ac k - to   b ac k   P W M   co n v er ter s   co n s i s ts   o f   t w o   n e u tr al - p o i n cla m p ed   co n v er ter s ,   li n k ed   th r o u g h   D C   ca p ac ito r s ,   w h ic h   is   s h o w n   i n   Fig u r e5 .   E ac h   i n v er ter   u s e s   t w el v s w itc h es  a n d   s ix   ad d itio n al  d io d es.       Fig u r 5 .     C ir cu it c o n f i g u r at io n   o f   t h r ee - le v el  b ac k - to - b ac k   P W co n v er ter s .       T o   g en er ate  th s w i tch i n g   p u l s es  f o r   th i n v er ter s ,   t w o   ca r r ier   w av e f o r m s   ar s i m u lta n eo u s l y   co m p ar ed   w it h   s in u s o id al  w a v e f o r m   at  t h e   f u n d a m en ta f r eq u e n c y .   I n   t h ca s o f   p h ase  A ,   f o r   i n s ta n ce s ,   t h s w i tch in g   p u ls es ( Sa1 ; Sa2 ; Sa3 ; Sa4 )   ar d escr ib ed   in   T a b le  2 .       T ab le  2 .   Sw itch in g   s tate s   o f   T h r ee - L e v el  O n e - P h a s I n v er te r   S w i t c h i n g   st a t e s   O u t p u t   v o l t a g e   ( v ao )   S a 1   S a 2   S a 3   S a 4   S a   1   1   0   0   +   + Vd c / 2   0   1   1   0   0   0   0   0   1   1   -   - Vd c / 2       4 . 4 .   I nv er t er   M o del   T h o u tp u v o lta g es  ( v a   ( t ) , v b ( t ) , v c ( t) )   ar m ad u p   b y   u s in g   s w i tch i n g   f u n ctio n s .   W h er ca n   b f o r m u lated   as f o llo w i n g s :     {       (   )         (   )            (   )         (   )            (   )         (   )                                                                                       ( 1 7 )     W h er Sa’ ( t) ,   Sb ( t) ,   an d   Sc’ ( t)   ar s w itc h i n g   f u n ct io n s   f o r   ea ch   leg   o f   th r ee - le v el  D C / AC   in v er ter .   T h e   f u n ctio n   m o d el  f o r   DC / AC   i n v er ter   ca n   b ex p r es s ed   as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       C o mp a r is o n   b etw ee n   Tw o - Lev el  C o n ve r ter a n d   Th r ee - Leve l NPC   C o n ve r ter fo r …  ( Zer z o u r i No r a )   19   {               (   )       (                                   )       (   )       (                                   )       (   )       (                                   )                                                             ( 1 8 )       5.   SI M UL AT I O R E S UL T S   Si m u latio n   r esu lts   w er p er f o r m ed   u s i n g   s o f t w ar Ma tla b   Si m u lin k .   T o   v alid ate  th co n tr o ls   p r o p o s ed   in   th is   p ap er ,   w p r esen t w o   o p er atin g   p o in t s   i n   h y p o - o r   h y p er - s y n c h r o n o u s   f as h io n .   Fo r   th ese   s i m u lat io n s ,   w co n s id er   th at  th w in d   s y s te m   is   s tead y   an d   w o r k i n g   in   t h zo n o f   o p ti m a f u n ctio n in g   ( zo n e   2 ) ,   th at  is   to   s a y   th a it  p r o d u c es  m a x i m u m   p o w er   v er s u s   s p ee d   o f   th w in d .   T h r ef er e n c v o ltag e   o f   t h D C   lin k   is   s et  at  1 2 0 0 V.   W h av v ar y   t h s tato r   r ea ctiv p o w er   Qs  p la y in g   o n   its   r ef er en ce   v alu e.   T h e   p ar am eter s   o f   th D FIG   ar g i v en   i n   T ab le  I I I .     5 . 1 .   Wind   po w er   s y s t e m   o pera t io m o de  hy po   s y nchro no u s .     Fo r   th i s   m o d e,   w i n d   v elo cit y   eq u a to   8 m s - 1   is   ap p lied   o n   w in d   tu r b i n b lad es,  w h ic h   c o r r esp o n d s   to   s p ee d   o f   DFI G   in   MP PT  co n tr o ap p r o x i m atel y   1 3 8 0   tr / m i n ,   s h i f 3 0 h y p o   s y n ch r o n o u s   m o d e,   a s   s h o w n   in   F ig u r 7 .   Fig u r 8   s h o w s   th te m p o r al  ev o lu tio n   o f   th v ar io u s   p o w er   s u p p l y   Qs,  P s   an d   P r ,   Qr .   A ti m 2 s ,   th w i n d   s y s te m   o p er ates a s   u n it y   p o w er   f ac to r   an d   r ea cti v p o w er   Qs_ r e f   i m p o s ed   ze r o .   Fro m   ti m t =   2 s   to     3 , 5 s ,   w s e th e   s tato r   r ea ctiv p o w er   r e f er en ce   eq u al  to   - 1 MV ar   co r r esp o n d in g   to   ch an g es   in   th e   r ef er en ce   d ir ec t   cu r r en r o to r   an d   also   o n   th e   r o to r   r ea ctiv e   p o w er   Qr .   Fro m   ti m t   3 . 5 s   w e   s et   th e   s tato r   r ef er en ce   r ea ctiv p o w er   eq u a l to   1   MV ar ,   ag ain ,   d if f er e n t r ea ctiv p o w er s   ar p r o p er ly   r e g u la ted .       Fig u r 7 . Gen er ato r   s p ee d               Fig u r 8 .   P s ,   Qs,  P r ,   Qr ,   ir d ,   ir q   an d   iar   ( h y p o s y n ch r o n o u s )     0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 T i m e ( s ) G e n e r a t o r   s p e e d   N r ( t r / m i n ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 -3 -2 -1 0 1 2 3 T i m e ( s )     Q s( M V A R )   P s( M W ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 - 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 T i m e ( s ) P r ( M W ) Q r ( M V a r ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 - 2 0 0 0 - 1 5 0 0 - 1 0 0 0 - 5 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 T i m e ( s ) I q r ( A ) I d r ( A ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 - 2 5 0 0 - 2 0 0 0 - 1 5 0 0 - 1 0 0 0 - 5 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 T i m e ( s ) R o t o r   p h a s e   c u r e n t   I a r ( A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   IJ A P E   Vo l.  4 ,   No .   2 A p r il   2 0 1 5   :   13     22   20   5 . 2 .   Wind   po w er   s y s t e m   o pera t io m o de  hy per  s y nchro no u s     Fo r   th is   m o d e,   w i n d   s p ee d   eq u al  to   1 1 m / s   co r r esp o n d s   to   th n o m in al  o p er atio n   o f   t h tu r b in i s   ap p lied   o n   w i n d   tu r b in b lad e s ,   w h ic h   co r r esp o n d s   to   s p e ed   o f   DFI in   MP PT   c o n tr o ap p r o x im a tel y   1 9 5 0   tr   / m i n ,   s h i f o f   - 3 0 h y p er   s y n ch r o n o u s   m o d e,   as  s h o w n   i n   Fi g u r 9   an d   Fig u r 1 0 .   T h s a m s tato r   r ea ctiv p o w er   v ar iatio n s   h a v b ee n   ap p lied   to   th is   m o d as  th p r ev io u s .   W also   n o te  th at  th d   q   ax is   r o to r   cu r r en ts   ar p er f e ctl y   d ec o u p l ed   th r o u g h   th e   d ec o u p lin g   s tr ateg y   b y   en s u r i n g   n atu r al   P W M.   W also   o b s er v e   th r o to r   p h ase  cu r r en f o llo w s   p er f ec tl y   t h r ef er e n ce   o b tain ed   b y   th o r ien ta tio n   o f   t h s tato r   f l u x .   B o th   m o d e s   ar v alid ated   an d   in d ep en d en t c o n tr o l o f   d i f f er e n t p o w er s   o f   th w i n d   s y s te m .       Fig u r 9 . Gen er ato r   s p ee d             Fig u r 1 0 . P s ,   Qs,  Pr,   Qr ,   ir d ,   i r q   an d   iar   ( h y p er s y n c h r o n o u s )       Fig u r 1 1   an d   Fig u r 1 2   s h o w   t h h ar m o n ic  s p ec tr u m   o f   o u tp u p h a s s tato r   cu r r en o b tain ed   u s i n g   Fas t   Fo u r ier   T r an s f o r m   ( FF T )   tec h n iq u f o r   P W f o r   2 - lev el  an d   3 - lev el  i n v er ter   r esp ec tiv el y .   I ca n   b clea r   o b s er v ed   th at  all   t h lo w er   o r d er   h ar m o n ic s   ar r ed u ce d   f o r   3 - lev e i n v er ter   ( T HD  3 . 8 8 %)  w h e n   co m p ar ed   to   2 - lev el  i n v er ter   ( T HD  4 . 0 9 %).                                                     ( a)                                                                                                                                                         ( b )     0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 T i m e ( s ) G e n e r a t o r   s p e e d   N r ( t r / m i n ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 - 1 0 -5 0 5 10 15 T i m e ( s ) Q s( M V A R ) P s( M W ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 T i m e ( s ) Q r ( M V A R ) P r ( M W ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 - 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1000 2000 3000 4000 T i m e ( s ) I q r ( A ) I d r ( A ) 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 - 4 0 0 0 - 3 0 0 0 - 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1000 2000 3000 4000 T i m e ( s ) R o t o r   p h a s e   c u r e n t   I a r ( A ) 1 . 6 1 . 6 5 1 . 7 1 . 7 5 1 . 8 1 . 8 5 1 . 9 1 . 9 5 2 - 8 0 0 - 6 0 0 - 4 0 0 - 2 0 0 0 200 400 600 800 T i m e ( s ) R o t o r   p h a s e   v o l t a g e   V a r ( V ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 - 1 . 5 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 x   1 0 4 T i m e ( s ) S t a t o r   p h a s e   c u r r e n t   I a s ( A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       C o mp a r is o n   b etw ee n   Tw o - Lev el  C o n ve r ter a n d   Th r ee - Leve l NPC   C o n ve r ter fo r …  ( Zer z o u r i No r a )   21   (c )     Fig u r 1 1 . ( a)   R o to r   p h ase  v o l tag e,   ( b )   Stato r   p h ase  cu r r en t,  ( c)   Sp ec tr u m   h ar m o n ic s   u s in g   2 - lev el       ( a)                                                                                                 ( b )     ( c)       Fig u r 1 2 . ( a)   R o to r   p h ase  v o l tag e,   ( b )   Stato r   p h ase  cu r r en t,  ( c)   Sp ec tr u m   h ar m o n ic s   u s in g   3 - lev el        T ab le  3 3 M W   W T I n d u ctio n   Ma ch i n P ar a m eter s   p a r a me t r e   v a l u e   R o t o r   r e si st o r   p e r   p h a se     2 , 9 7 m Ω   R o t o r   r e si st o r   p e r   p h a se     3 , 8 2 m Ω   I n d u c t a n c e   o f   t h e   st a t o r   w i n d i n g   I n d u c t a n c e   o f   t h e   r e t o r   w i n d i n g   M u t u a l   I n d u c t a n c e   N u mb e r   o f   p o l e   p a i r s   I n e r t i a   R a t e d   p o w e r   R a t e d   v o l t a g e   1 2 1   mH   5 7 , 3   mH   1 2 , 1 2   mH   2   1 1 4   k g . m 2   3MW   6 9 0 V       T ab le  4 . T h p ar am eter s   o f   w i n d   tu r b in e   p a r a me t r e   v a l u e   N o mb e r   o f   b l a d e     3   R e t e d   s p e e d     I n e r t i a   G e a r b o x   r a t i o   R o t o r   D i a me t e r   1 1 m / s   1 1 4   k g . m     1 0 0   45m     1 . 6 1 . 6 5 1 . 7 1 . 7 5 1 . 8 1 . 8 5 1 . 9 1 . 9 5 2 - 8 0 0 - 6 0 0 - 4 0 0 - 2 0 0 0 200 400 600 800 T i m e ( s ) R o t o r   p h a s e   v o l t a g e   V a r ( V ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 - 1 . 5 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 x   1 0 4 T i m e ( s ) S t a t o r   p h a s e   c u r r e n t   I a s ( A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   IJ A P E   Vo l.  4 ,   No .   2 A p r il   2 0 1 5   :   13     22   22   6.   CO NCLU SI O   T h is   p ap er   p r esen ts   s i m u latio n   r es u lts   o f   Field   o r ien tatio n   m et h o d   co n tr o f o r   ac ti v an d   r ea ctiv e   p o w er   co n tr o o f   DFI G,   u s i n g   t h m o d u latio n   s tr ateg y   o f   th P W in v er ter   f o r   t w o   a n d   th r ee   lev el.   W ith   r esu lt s   o b tain ed   f r o m   s i m u la tio n ,   it   is   c lear   t h at  f o r   th e   s a m e   o p er atio n   co n d itio n ,   t h DFI ac ti v a n d   r ea ctiv p o w er   co n tr o w it h   f ield   o r ien ted   co n tr o u s in g   in   th th r ee   lev e h ad   b etter   p e r f o r m an ce   t h a n   th e   P W tech n iq u e   t w o   le v el  a n d   th at  is   clea r   in   th e   s p ec tr u m   o f   p h a s s tato r   cu r r en t   h ar m o n i cs  w h ich   th e   u s o f   th th r ee   le v el,   it is   r ed u ce d   o f   h ar m o n ics  m o r t h an   t w o   le v el  i n v er ter .         RE F E R E NC E   [ 1 ]   A .   B a b a ie  L a ji m i,   S .   As g h a G h o lam ian ,   M .   S h a h a b i .   M o d e li n g   a n d   Co n tro o f   a   DFI G - B a se d   W in d   T u rb in e   d u ri n g   a   G rid   V o lt a g e   Dro p .   ET A S -   En g in e e rin g ,   T e c h n o lo g y   &   A p p li e d   S c ien c e   Re se a rc h   V o l .   1 ,   No .   5 ,   2 0 1 1 ,   121 - 1 2 5 .   [ 2 ]   M   A .   M o ss a   . F ield   Orie n tati o n   C o n tr o o f   a   W in d   Driv e n   DFI G   Co n n e c ted   to   th e   G rid .   W S E A S   T R A NS A C T ION S   o n   P OW ER  S YST EM S ,   Iss u e   4 ,   V o l u m e   7 ,   Oc to b e 2 0 1 2 .   [ 3 ]   A . Bo u m a ss a ta,  D.Ke rd o u n ,   N.C h e rf ia,  N.Be n n e c ib .   P e rf o rm a n c e   o w in d   e n e rg y   c o n v e rsio n   s y ste m s   u sin g   a   c y c lo c o n v e rte to   c o n tro a   d o u b l y   f e d   in d u c ti o n   g e n e ra to r.     En e rg y   P ro c e d ia  4 2   (2 0 1 3 1 4 3     1 5 2   [M e d it e rra n e a n   G re e n   En e rg y   F o ru m   M G EF 1 3 ] .   [ 4 ]   S a S in d h u ra   K,  G .   S rin iv a s Ra o Co n tr o l   a n d   M o d e li n g   o f   Do u b ly   F e d   In d u c ti o n   M a c h in e   f o W in d   T u rb in e s .       In t.   J o u r n a o f   En g in e e ri n g   Re se a rc h   a n d   A p p li c a ti o n s,  Vo l.   3 ,   Iss u e   6 ,   N o v - De c   2 0 1 3 ,   p p . 5 3 2 - 5 3 8 .   [ 5 ]   S rin a th   V a n u k u ru ,   S a tee sh   S u k h a v a si Ac ti v e   &   R e a c ti v e   P o w e Co n tr o Of   Do u b ly   F e d   In d u c ti o n   G e n e ra to r   Driv e n   B y   A   W in d   T u rb in e In t e rn a ti o n a Jo u rn a o f   P o w e S y s tem   Op e ra ti o n   a n d   En e rg y   M a n a g e m e n t,   IS S N   (P RINT ):  2 2 3 1 4 4 0 7 ,   V o l u m e - 1 ,   Iss u e - 2 ,   2 0 1 1 .   [ 6 ]   Zh e n   S u n ,   Ho n g y u   W a n g ,   Yin g   L i M o d e ll in g   a n d   S im u la ti o n   o Do u b ly - Fe d   In d u c ti o n   W in d   Po w e S y ste Ba se d   o n   M a tl a b /S imu li n k .   S u sta in a b le   P o w e G e n e ra ti o n   a n d   s u p p ly   (S u p e rg e n   2 0 1 2 ),   In tr n a ti o n a C o n f e re n c e   o n , 8 - 9 se p t. 2 0 1 2 , p a g e (s).  1 - 5.   [ 7 ]   H.  L i. ,   Z.   C h e n .   O p ti ma P o we Co n tro S tra teg y   o M a x imizi n g   W in d   E n e rg y   T ra c k in g   a n d   Co n v e rs io n   fo r   VS C F   Do u b ly   Fed   In d u c ti o n   Ge n e ra to r   S y ste m P o w e r   El e c tro n ics   a n d   M o ti o n   C o n t ro l   C o n f e re n c e ,   2 0 0 6 .   I P EM 2 0 0 6 .   CES /IE EE   5 th   I n tern a ti o n a l V o l u m e   3 ,   P u b li c a ti o n   Ye a r:  2 0 0 6 ,   P a g e (s):  1   -   6 ,   IEE E   CON F ERE NCE  P UBL ICAT ION S .   [ 8 ]   J.  T ian .   Rea c ti v e   P o we Ca p a b il it y   o f   th e   W in d   T u r b in e   wit h   Do u b ly  Fed   In d u c ti o n   Ge n e ra to r .   In d u stria l   El e c tro n ics   so c iety   IECON  2 0 1 3 ,   3 9 th   A n n u a Co n f e re n c e   o f   th e   IEE E,   P u b li c a ti o n   Ye a r:  2 0 1 3 ,   P a g e (s):  5 3 1 2     5 3 1 7 .   [ 9 ]   Do n g k y o u n g   Ch w a ,   Ky o - Be u m   L e e   . V a riab le  S tru c t u re   Co n tro o f   th e   A c ti v e   a n d   Re a c ti v e   P o w e rs  f o a   DFIG   in   W in d   T u rb in e s.  IE EE   T RAN S A C T ION S   ON   IND UST R A P P L ICAT ION S ,   V OL .   4 6 ,   NO .   6 ,   NO V EM BER/ DECE M BER  2 0 1 0 .   [ 1 0 ]   M o h a m m a d   S leim a n ,   Ba c h ir  Ke d jar,  A b d e lh a m id   Ha m a d i,   Ka m a A l - Ha d d a d ,   Ha d Y.  Ka n a a n .   M o d e li n g ,   Co n tro l   a n d   S im u la t io n   o f   DFIG  fo M a x imu Po we P o in t   T ra c k in g Co n tr o l   C o n f e re n c e   (A S CC),   2 0 1 3   9 t h   A sia n P u b l ica ti o n   Ye a r:  2 0 1 3 ,   P a g e (s):  1     6,   IEE CON F ER ENCE  P U BL IC AT ION S .   [1 1 ]   Z e rz o u ri  No ra ,   L a b a Ho c in e   . A c ti v e   a n d   Re a c ti v e   P o we Co n tro o f   a   Do u b ly   F e d   In d u c ti o n   G e n e ra to r.   In tern a ti o n a Jo u rn a o f   P o w e El e c tro n ics   a n d   Driv e   S y ste m   (IJP E DS). Vo l.   5 ,   N o .   2 ,   Oc to b e 2 0 1 4 ,   p p .   2 4 4 ~ 2 5 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.