I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.  1 0 ,   No .   5 ,   O cto b er   2 0 2 0 ,   p p .   4 5 9 2 ~ 4 6 0 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 0 i 5 . pp 4 5 9 2 - 4 6 0 3     4592       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   Co ntrol o f  the  po w er   q ua lity  for a   DFIG  pow ered    by   m ul tilevel i nv erte rs       H a che m i   H a che m i 1 ,   Ah m e d   Alla li 2 ,   B elk a ce m   B el k a ce m 3   1, 2 Un iv e rsity   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o l o g y   o f   Ora n   M o h a m e d   Bo u d iaf ,   L DD EE ,   L a b o ra to ire d e   Dé v e lo p p e m e n t  d u ra b le d e   l’ En e rg ie E lec tri q u e ,  A lg e ria   3 In stit u t   d e   M a i n ten a n c e   e t  d e   S é c u rit é   In d u strielle ,   Un iv e rsité d ' Or a n ,   A lg e ria       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   2 3 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Feb   2 4 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Ma r   2 5 ,   2 0 2 0       T h is p a p e r  trea ts t h e   m o d e li n g ,   a n d   th e   c o n tr o l  o f   a   w in d   p o w e r  s y s tem   b a se d   o n   a   d o u b ly   fe d   in d u c ti o n   g e n e ra to r  DFIG ,   th e   sta t o r  is   d irec tl y   c o n n e c ted   t o   th e   g rid ,   w h il e   th e   ro to r  is  p o we re d   b y   m u lt il e v e l  in v e rt e rs.  In   o rd e r  to   g e t     a  d e c o u p l e d   s y s t e m   o f   c o n t r o l f o r   a n   i n d e p e n d e n t l y   t r a n s i t s   o f   a c t i v e   a n d   r e a c t i v e   p o w e r ,   a   v e c t o r   c o n t r o l   m e t h o d   b a s e d   o n   s t a t o r   f l u x   o r i e n t a t i o n   S F O C   is   co n sid e re d :  D irec t  v e c to r  c o n tr o l  b a se d   o n   P I  c o n t ro ll e rs.  Ca sc a d e d   H - b rid g e   CHBI  m u lt il e v e l  in v e rte rs  a re   u se d   in   th e   ro t o r  c ircu i t  t o   st u d y   it s  e ff e c t  o n   su p p ly   p o w e r  q u a li ty .   A ll   si m u lat io n   m o d e ls  a re   b u i lt   in   M A TL A B /S im u li n k   so f t w a re .   Re su lt s  a n d   w a v e f o r m s  c lea rl y   sh o w   th e   e f fe c ti v e n e ss   o f   v e c to r  c o n t r o l   s t r a t e g y .   F i n a l l y ,   p e r f o r m a n c e s   o f   t h e   s y s t e m   w i l l   t e s t e d   a n d   c o m p a r e d   f o r   e a c h   lev e ls o f   in v e rter.   K ey w o r d s :   Do u b l y   f ed   in d u ct io n   g e n er ato r   DFI G   H - B R I DGE     Mu lti - le v els i n v er ter s   P I   c o n tr o ller s   S tato r   f lu x   o r ien ta tio n   S FOC   Co p y rig h t  ©   2 0 2 0 I n stit u te o f   Ad v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    All  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Hac h e m i  Hac h e m i ,   Un i v er s it y   o f   Scie n ce   a n d   T ec h n o lo g y   o f   Or a n   Mo h a m ed   B o u d iaf ,     E l   M n a o u a r ،   B P   1 5 0 5 ,   B i r   E l   D j i r   3 1 0 0 0 ,   A l g e r i a .   E m ail:  h . h ac h e m i @ y a h o o . f r       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   g en er atio n   o f   elec tr ici t y   th at  co m es  f r o m   n u clea r   p o w er   an d   f o s s il  n atu r al  r e s o u r ce s ,   p o s e   co n tin u ed   p r o b lem s   w h o s e  i m p o r ta n ce   is   g r o w i n g   o v er   th e  y ea r s ;  a s   th e  n u clea r   u n t r ea tab le  w aste  a n d   d is ap p ea r an ce   e x p ec ted   in   th e   2 1 st   ce n tu r y ,   f o r   m aj o r   s o u r ce   o f   f o s s il  en er g y .   E n v ir o n m e n tal  co n s tr ain ts   o n   at m o s p h er ic  e m is s io n s   o f   g r e en h o u s e  g a s es  h as  led   r esear ch er s   a  w a y   o f   g e n er ati n g   cl ea n ,   ec o n o m ic  an d   s u s tai n ab le  elec tr icit y   [ 1 ] .   V a r i o u s   s t u d i e s   c a r r i e d   o u t   i n   t h i s   c o n t e x t   h a v e   s h o w n   t h a t   f a r - r e a c h i n g   c h a n g e s   a r e   e s s e n t i a l   i n   e n e r g y   s t r a t e g i e s   t o   e n s u r e   b e t t e r   m a n a g e m e n t   o f   t h e   p r o d u c t i o n ,   t r a n s f o r m a t i o n ,   d i s t r i b u t i o n   a n d   u s e   o f   e n e r g y   [ 2 ] .     F r o m   t h i s   p e r s p e c t i v e ,   c o n t r o l l i n g   e n e r g y   i n   a   b r o a d   s e n s e   c o n s t i t u t e s   a n   im p o r t a n t   c h a l l e n g e   i n   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   s u s t a i n a b l e   e n e r g y .   E n e r g y   e f f i c i e n c y   a n d   r e n e w a b l e   e n e r g i e s   a r e   t h e r e f o r e   i n t e r e s t i n g   a v e n u e s   f o r   m o r e   s u s t a i n a b l e   e n e r g y   d e v e l o p m e n t   a n d   a r e   c o n s i d e r e d   t o   b e   a m o n g   t h e   m o s t   e n v i r o n m e n t a l l y   f r i e n d l y   c o m p o n e n t s ,   p a r t i c u l a r l y   i n   t h e   f i g h t   a g a i n s t   c l i m a t e   c h a n g e   [ 3 ] .   T h u s ,   t h e   m o d e s   o f   p r o d u c t i o n   b a s e d   o n   t h e   t r a n s f o r m a t i o n   o f   r e n e w a b l e   e n e r g y   ( s o l a r ,   w i n d   . . . )   a r e   e x p e c t e d   t o   b e   i n c r e a s i n g l y   u s e d   i n   t h e   c o n t e x t   o f   s u s t a i n a b l e   d e v e l o p m e n t ,   a n d   t h a n k s   t o   r e c e n t   d e v e l o p m e n t s   o f   p o w e r   e l e c t r o n i c s   a n d   m ic r o   p r o c e s s i n g .   T h e  p r o d u ctio n   ar ea   o f   v ar iab le  s p ee d   w i n d   en er g y   h a s   in   r ec en t  y ea r s   a  b o o m .   A   g r ea t  a tten tio n   i s   pa id   to d ay   to   d o u b l y   f ed   m ac h in e  DFI M   f o r   v ar io u s   ap p licatio n s   s u c h as  g e n er ato r   f o r   w in d   e n er g y .     T h is   in ter est  i s   m ai n l y   d u e  to   th e  f ac t  o f   ac ce s s ib ilit y   f o r   its   r o to r   an d   th er ef o r e  th e  p o s s i b ilit y   o f   s u p p l y i n g     a  co n v er ter   as  w ell  as t h e  s ta t sid e  g o ld   o n   th e  r o to r   s id e .   P o w er - elec tr o n ic  co n v er ter s   h av e  b ee n   d ev elo p ed   f o r   in teg r atin g   w in d   p o w er   w i th   t h e  ele ctr ic  g r id .   T h e  u s e  o f   p o w er - elec tr o n ic  c o n v er ter s   allo w s   f o r   v ar iab le - s p ee d   o p e r atio n   o f   t h e  w i n d   tu r b in e,   an d   en h a n ce d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g   I SS N:  2088 - 8708       C o n tr o l o f th e  p o w er   q u a lity f o r   a   DF I G  p o w ered   b y   mu ltil e ve l in ve r ters   ( Ha ch emi  Ha ch emi )   4593   p o w er   ex tr ac tio n .   I n   v ar iab le - s p ee d   o p er atio n ,   a  co n tr o l  m e th o d   d esig n ed   to   ex tr ac t  m ax i m u m   p o w er   f r o m   th e  w i n d   tu r b in e  a n d   p r o v id e  co n s ta n t g r id   v o lta g e  an d   f r eq u en c y   i s   r eq u ir ed   [ 4 ].   I n   th i s   p ap er ,   a  v ar iab le - s p ee d   w i n d   tu r b in e  is   co n s id er ed   w it h   D FIG   an d   a  m u ltil e v el   ca s ca d ed     H - B r id g e  I n v er ter   C HB I .  Mu ltil e v el   in v er ter s   ar e  AC - DC - AC   co n v er ter s ,   w ell  s u ite d   f o r   m ed i u m   an d     h ig h - p o w er   ap p licatio n s   [ 5 ]   d u e  to   th eir   ab ilit y   to   m ee t  t h e   in cr ea s in g   d e m a n d   o f   p o w er   r atin g s   an d   p o w er   q u alit y   a s s o ciate d   w it h   r ed u ce d   h ar m o n ic  d is to r tio n ,   l o w er   elec tr o m a g n etic  i n ter f er en ce ,   an d   h ig h er   ef f icien c ies  w h en   co m p ar ed   w it h   t h e  co n v e n tio n al  t w o   o r   th r ee   lev el  to p o lo g y   [ 6 ] .   T h e  in cr ea s i n g   n u m b e r   o f   v o ltag e   lev el s   lead   to   t h e  p r o d u ctio n   o f   h i g h - p o w er   q u al it y   w a v e f o r m s   [ 7 ] ,   ca u s i n g   t h e  to tal  h ar m o n ic   d is to r tio n   T HD   to   b e  lo w er .   Mu ltil e v el  co n v er ter s   ar e  a  g o o d   tr ad eo f f   s o lu t io n   b et w ee n   p er f o r m an ce   an d   co s t   in   w i n d   h i g h - p o w er   s y s te m s   [ 8 ].   T h e   m o s t   t y p i c a l   c o n n e c t i o n   d i a g r a m   o f   t h i s   D F I G   i s   t o   c o n n e c t   s t a t o r   d i r e c t l y   t o   t h e   g r i d ,   w h i l e   t h e   r o t o r   i s   s u p p l i e d   t h r o u g h   a   c o n t r o l l e d   p o w e r   c o n v e r t e r .     T h i s   s o l u t i o n   i s   m o r e   a t t r a c t i v e   f o r   a l l   a p p l i c a t i o n s   w h e r e   s p e e d   v a r i a t i o n s   a r e   l i m i t e d   a r o u n d   t h e   s y n c h r o n o u s   s p e e d   b e c a u s e   t h i s   a r e a   o p e r a t i n g   p r e s e n t s   l o w   s l i p ,   an d   t h er ef o r e   th e  co n v er ter   as s o ciate d   w ith   th e  r o to r   h as  to   b e  tr ea ted   o n l y   f o r   a  f r ac tio n   o f   2 0   to   3 0   %  o f   t h e  n o m i n al   co n v er s io n   s y s te m   p o w er ;   t h is   m ea n s   th a t  t h e  lo s s es   in   t h e  c o n v er ter   ar e  r ed u ce d   ( p o w er   s u p p lied   to   th e   r o to r   is   lo w )   a n d   th e  co s t  th er eo f   is   r ed u ce d .   T h at  is   w h y   w e  f i n d   th is   m ac h i n e  i n   h i g h   p o w er   v ar iab le  s p ee d   an d   co n s ta n t  f r e q u en c y   f o r   p r o d u ctio n   s y s te m s .   A   s ec o n d   r ea s o n   is   t h e  p o s s ib ilit y   o f   co n tr o llin g   t h e  ac ti v e  a n d   r ea ctiv e  p o w er   in   t h e  s tato r   v i a  th e  co n tr o l o f   th e  p o w er   co n v er ter   [ 9 ] .   Fu r t h er   v ar iab le  s p ee d   w in d   t u r b in e  is   m o d eled   to   f i n d   a  r elatio n s h ip   b et w ee n   t h e  elec tr o m a g n eti c   to r q u e  an d   th e  m ec h a n ical  win d   s p ee d .   A f ter   d escr ib in g   m ec h a n ical  a n d   elec tr ical  m o d e l  o f   th e  DFI G  in   s ec tio n   3 ,   a  v ec to r   co n tr o l  m e th o d   b ased   o n   s tato r   f lu x   o r ie n tatio n   SF O C   is   co n s id er ed :  d ir ec t  v ec to r   co n tr o l  b ased   o n   P I   co n tr o ller s .   T h e   s i n u s   p u l s e   w a v e   m o d u l a t i o n   ( S P W M )   c o n t r o l   s t r a t e g y f o r   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r s i s   g i v e n   i n   s e c t i o n   4 .   Fi n a l l y ,   s i m u l a t i o n   a n d   r e s u l t s   a r e   p r e s e n t e d ;   p e r f o r m a n c e s   o f   t h e   s y s t e m   a r e   t h e n   e v a l u a t e d .       2.   WI ND  T URB I N E   M O DE L   Me ch an ical  p o w er   av a ilab le  o n   th e  s h a f t o f   a  w i n d   tu r b i n e  is   ex p r ess ed   b y   [ 1 0 ] :     = 1 2  3 = 1 2  2 3   ( 1 )     w h er e:   ρ   : air   d en s it y   ( 1 . 2 5   Kg / m 3 ) ;   R   :   B lad e  len g th   i n   m eter s ;   V v   :   w in d   v elo cit y   i n   m /s .   T h e  ae r o d y n a m ic  p o w er   ex tr ac ted   f r o m   w in d   t u r b in e  ca n b e  ca lcu lated   as :      = = 1 2  3 = 1 2  2 3 . ( , )   ( 2 )     = Ω  .   (3 )     w h er e:    C p   :   P o w er   co ef f icie n t;    β   :  P itch   an g le  ( d eg ) ;   λ   : T ip   s p ee d   r atio ;   Ω Turb   :  T u r b in e  s p ee d   ( r d /s ) .   No   w i n d   t u r b in e  co u ld   co n v er t  m o r e  t h an   5 9   %   o f   t h e  k i n et ic  en er g y   o f   t h e  w i n d   i n to   m e ch an ical   en er g y   t u r n in g   a   r o to r   [ 1 1 ] .   T h is   is   k n o w n   as   th e   B etz  li m it ,   an d   it   is   th e   t h eo r etica l  m ax i m u m   co ef f icie n t  o f   p o w er   f o r   a n y   w i n d   t u r b in e:  C p ma x =  1 6 /2 7   ≈   0 . 5 9 3 .   T h e  m u ltip lier   i s   m at h e m a ticall y   m o d eled   b y     th e  f o llo w i n g   eq u atio n s :     {             =  Ω  = Ω =  2 +  =  Ω    ( 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :  2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 0 ,   No .   5 ,   Octo b e r   2 0 2 0   :    4 5 9 2   -   4603   4594   w h er e:   Ω turb ,  Ω m :  T u r b in e  s p ee d   r esp e ctiv el y   b e f o r e  an d   af ter th e  m u ltip lier ; T turb :  ae r o d y n a m ic  to r q u e;   T m :  to r q u e  af ter   th e    m u ltip lier ;   G:   Gea r   r atio ;   J g :   Gen er ato r   in er tia ;   J T : T o tal  in er tia;   J Turb : T u r b in e  i n er tia .   T h e  f u n d a m e n tal  eq u at io n   o f   d y n a m ics  to   d eter m i n e  t h e  e v o lu t io n   o f   t h e  m ec h a n ical  s p ee d   f r o m     th e  to tal  m ec h a n ical  to r q u e    ap p lied   to   th e  r o to r :      Ω  = = −  − Ω   (5 )     w h er e:   T em  :   E lectr o m a g n et ic  to r q u e ;   C f :   Vis co u s   f r ictio n   co e f f ic ien t .     2 . 1 .     M o delin g   o f   t he  DF I G ,  P a rk’ s   m o de l   T h e  d - q   ax is   r ep r esen ta tio n   o f   DFI G  i s   u s ed   f o r   m o d eli n g ,   co n s id er in g   f lu x   as  v ar iab le   b ased   o n   P ar k ' s   m o d el.   A ll  r o to r   q u an t ities   ar e  r ef er r ed   to   s tato r   s id e.   T h e  DFI G  m o d el  r ep r esen ted   b y   v o lta g e  ( 6 ) .     T h e  s tato r   an d   r o to r   s id e  f lu x   l in k a g e  eq u at io n s   ar e  g iv e n   as   [1 2 - 14 ]:     {                  =  + Ф   − Ф   =  + Ф   + Ф   =  + Ф   − ( − ) Ф   =  + Ф   + ( − ) Ф    (6 )     T h e  s tato r   an d   r o to r   f lu x   ca n   b e  ex p r ess ed   as :     {     Ф  =  +  Ф  =  +  Ф  =  +  Ф  =  +    (7 )     E lectr o m a g n etic  to r q u e  is   al s o   ex p r ess ed   in   ter m s   o f   c u r r en t s   an d   f l u x :      = ( Ф   − Ф   )   (8 )     w h er e:   R s ,   R r ,   ar e  r e s p ec tiv el y   th e   s t ato r   an d   r o to r   r esis ta n ce s ;   L s ,  L r :   in d u cta n ce s   o f   t h e   s tato r   a n d   r o to r   w in d i n g s ;   L m is   t h e  m u t u al   i n d u c tan ce ;  V d s ,  V q s ,  V d r et  V q r :  Dir ec t  an d   q u ad r ate  co m p o n en ts   o f   t h e  s p ac e  p h a s o r s   o f     th e  s tato r   an d   r o to r   v o lta g es ;   I d s ,   I q s ,   I d r ,   I q r :  Dir ec t  a n d   q u ad r ate  co m p o n en ts   o f   t h e  s p ac e  p h aso r s   o f     th e  s tato r   an d   r o to r   cu r r en t s ;   φ d s ,   φ qs ,  φ dr et  φ qr :  Dir ec t  a n d   q u ad r ate  co m p o n e n ts   o f   t h e  s p ac e  p h aso r s   o f     th e  s tato r   an d   r o to r   f lu x   r esp ec tiv el y ;   ɷ s :   R o tatio n al  s p ee d   o f   th e  s y n ch r o n o u s   r e f er en ce   f r a m e ;   ɷ r :   R o to r   s p ee d ,   p : N u m b er   o f   p air   p o les .   A ct iv e  a n d   r ea ctiv e  p o w er s   at  th e  s tato r   ( P s ,   Qs ) ,   an d   th e  r o t o r   ( P r ,   Qr )   ar e  d ef in ed   as [ 1 5 - 16] :     {     =   +   =   −   =   +   =   −     (9 )     2 . 2 .     Co ntr o l st ra t eg y   o f   t he  DF I G   On ce   t h e  DFI G  is   co n n ec ted   to   an   ex i s ti n g   g r id ,   t h e  tr an s it   o f   ac ti v e  an d   r ea cti v e  p o w er s   m u s t  b e   co n tr o lled   s ep ar ately .   T o   o b tain   a  d ec o u p led   p o w er s   co n tr o l  o f   DFI G,   th e  m et h o d   b ased   o n   f ield   o r ien tatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g   I SS N:  2088 - 8708       C o n tr o l o f th e  p o w er   q u a lity f o r   a   DF I G  p o w ered   b y   mu ltil e ve l in ve r ters   ( Ha ch emi  Ha ch emi )   4595   ca n   b e  r eg ar d ed   as  th e  e f f icie n t  o n e.   T h e  p r in cip le   o f   th is   m et h o d   co n s i s ts   to   o r ien tate  t h e  s tato r   f l u x   i n   s u c h     a  w a y   t h at  th e  s tato r   f l u x   v ec t o r   p o in ts   in to   d - a x is   d ir ec tio n ;   t h is   ap p r o ac h   is   r ea lized   b y   s ettin g   t h e  q u ad r atic   co m p o n e n t o f   th e  s tato r   f l u x   t o   th e  n u ll v al u e ,   d etailed   r ep r esen tat io n   is   s h o w   i n   Fi g u r e   1  [ 17,   18 ] .           Fig u r e   1 .   Stato r   f lu x   o r ien tatio n       T h e  s tato r   f lu x es o f   (6 )   w ill b e  s i m p li f ied   as  f o llo w s :     { Ф  =  +  = Ф Ф  =  +  = 0   (1 0 )     T h e  s tato r   r esis ta n ce   w i ll  b e   n e g lecte d ,   f o r   m ed i u m   p o w er   m ac h in e s   u s ed   i n   W E C S;   th e  s tato r   v o ltag e  v ec to r   is   co n s eq u en tl y   in   q u ad r ate  ad v an ce   i n   co m p a r is o n   w it h   th e  s tato r   f l u x   v ec to r .     {  = 0  = Ф =   (1 1 )     Usi n g   ( 1 0 ) ,   w e  ca n   es tab lis h   t h e  co n n ec tio n   b et w ee n   th e  r o t o r   an d   s tato r   cu r r en ts :     {      = −  + ∅  = −    (1 2 )     Usi n g   ( 1 1 )   an d   ( 1 2 ) ,   th e  s tato r   ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o w er   an d   r o to r   v o ltag e  ar e  g iv en   b y :     {         =  = −  =  = −  + 2   (1 3 )     Fo r   co n tr o llin g   th e   DFI G,   es tab lis h ed   e x p r ess io n s   s h o w i n g   t h e  r elatio n s h ip   b et w ee n   c u r r en t  a n d   r o to r   v o ltag es  w ill b e  ap p lied   to   it.     {          =  + ( − 2 )   −  ( − 2 )   =  + ( − 2 )   +  ( − 2 )  +           (1 4 )     B y   co n s id er in g   σ   as t h e  cr o s s   co u p lin g   ter m ,   ( 1 4 )   ca n   b e  r e w r ite   as :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :  2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 0 ,   No .   5 ,   Octo b e r   2 0 2 0   :    4 5 9 2   -   4603   4596   {              =  +   −    =  +   +   + = 1 − 2             (1 5 )     T h e  b lo ck   d iag r a m   r ep r esen t in g   t h e  in ter n al  m o d el  o f   t h e  s y s te m   i s   s h o w n   in   Fig u r e   2 .   Fiel d   o r ien ted   co n tr o l  o f   th e  DFI G  ca n   th en   b e  ap p lied   w it h   t h e  ac ti v e  an d   r ea cti v e  p o w er   co n s i d er e d   as  v ar iab les     to   b e  c o n tr o lled .   T h e  in p u t  b lo ck s   r elatin g      to      r ep r ese n t  th e  s i m p li f ied   r o to r   c o n v er ter   m o d el.     Kn o w i n g   ( 1 3 )   an d   ( 1 5 ) ,   it is   th en   p o s s ib le  to   s y n t h esize  t h e  r eg u la to r s   [1 9 ].           Fig u r e  2 .   B lo ck   d iag r a m   o f   t h e  s y s te m   to   r eg u late       I n   o r d er   to   i m p r o v e  t h e  la s t  co m m an d ,   w e   w ill  in tr o d u ce   a n   ad d itio n al  co n tr o l  lo o p   at  t h e  cu r r en ts   to   eli m i n ate   th e   s ta tic  er r o r   w h il e  p r eser v i n g   t h e  d y n a m ics   o f   t h e  s y s te m ,   t h en ,   t w o   ad d itio n al  P I   co n tr o ller s   ar e   ad d ed   t o   r eg u late  th e  ac ti v e  an d   r ea ctiv e  p o w er s .   S o ,   w e   n e e d   s i x c u r r e n t s   s e n s o r s ,   t h r e e   t o   c o n t r o l   t h e   r o t o r   c u r r e n t s   ( i ar ,  i br   a n d   i cr )   a n d   t h r e e   a s s o c i a t e d   w i t h   t h r e e   v o l t a g e   s e n s o r s   t o   m e a s u r e   t h e   s t a t o r   p o w e r s   P s   a n d   Q s .    T h e  ac tiv e   p o w er   P I   co n tr o ll er   r eg u la tes   th e   r o to r   cu r r en t   r ef er en ce   iq r   f r o m   th e   er r o r   b et w ee n   t h e  ac tiv e   p o w er   m ea s u r ed   P s   an d   th e   d esire d   ac tiv e   p o w er   P ref .   F u r th e r m o r e,   th e  r ea cti v e  p o w er   P I   co n tr o ller   r eg u late s   th e  r o to r   cu r r en t r ef er en ce   id r   f r o m   t h e  er r o r   b etw ee n   t h e  r ea ctiv e  p o w er   m ea s u r ed   Q s   an d   t h e  d esire d   r ea ctiv e   p o w er   Q ref .   T h e  clo s ed   lo o p   co n tr o l o f   ac tiv e  a n d   r ea ctiv e  p o w er s   i s   p r esen ted   i n   Fi g u r e   3:           Fig u r e   3 .   C lo s ed   lo o p   co n tr o l  o f   ac tiv e  a n d   r ea ctiv e  p o w er s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g   I SS N:  2088 - 8708       C o n tr o l o f th e  p o w er   q u a lity f o r   a   DF I G  p o w ered   b y   mu ltil e ve l in ve r ters   ( Ha ch emi  Ha ch emi )   4597   3.   CASCAD E D  H - B RID G E   I N VE R T E R  CH B I   T H E O RY   Sev er al  m u lt ilev el  to p o lo g ies   u s ed   f o r   g r id   co n n ec tio n   h av e  b ee n   p r o p o s ed   in   [ 2 0 ,   21 ] .   Mu ltil e v e l   co n v er ter   s tr u ct u r es  h av e   th r e e  m aj o r   class i f icatio n s ;  n e u tr al  p o in t  c la m p ed   ( NP C o r   d io d e  cla m p ed ) ,   f l y i n g   c a p a c i t o r   ( F C   o r   c a p a c i t o r   c l a m p e d ) ,   a n d   c a s c a d e d   H - b r i d g e   i n v e r t e r   C H B I ,   w i t h   i s o l a t e d   D C   s o u r c e   F i g u r e   4 .   C o m p ar ed   w it h   t h e  latter   t w o ,   th e  m u lt ilev e l  C HB I   h as  m a n y   d is tin ct  ad v a n ta g es:     S w itc h   d ev ices r eq u ir ed   ar e  less   u n d er   th e  s a m e  s w itc h in g   f r eq u en c y   a n d   lev e l n u m b er .     T h e  h ar m o n ic  co n te n t i s   lo w er   in   th e  o u tp u t  v o ltag e  f o r   a  g iv en   s w itc h i n g   f r eq u e n c y .     Mo d u lar ized   cir cu it  la y o u t  a n d   p ac k ag in g   is   p o s s ib le  b ec au s e  ea ch   ce ll  h as  t h e  s a m e  s tr u ctu r e,   an d   th er e   ar e  n o   ex tr a  cla m p in g   d io d es  as  in   th e  ca s e  o f   d io d e  cla m p ed   to p o lo g y ,   o r   v o ltag e  b alan ci n g   ca p ac ito r s   as   in   th e  ca s e  o f   t h e  ca p ac ito r   clam p ed   to p o lo g y   [ 22 ].       .         Vd c S 1 S 2 S 3 S 4 Vo u t + -     Fig u r e  4 .   Sin g le  p h ase  H - b r id g e  in v er ter       3 . 1 .     T heo ry   o f   ca s ca ded H - B ridg e  m u lt ilev el  inv er t er     T h e  ca s ca d ed   H   b r id g e  m u l til ev el  in v er ter   cir cu it  co n s i s t s   o f   in d i v id u al  H - b r id g e  ce lls   w h ich   ar e   f ed   b y   i n d iv id u al  d c  s u p p l y .   E a c h   H - b r i d g e   c e l l   c o n t a i n s   f o u r   s w i t c h e s .   I n   t h i s   t o p o l o g y ,   I G B T   i s   u s e d   a s   s w i t c h   b e c a u s e   o f   i t s   l o w   s w i t c h i n g   l o s s e s .   E a c h   H - b r i d g e   g e n e r a t e s   t h r e e   d i f f e r e n t   o u t p u t   v o l t a g e s ,   + V d c ,   0   a n d   – V d c   u s i n g   v ar io u s   co m b in at io n s   o f   s w itc h i n g   w it h   t h e  f o u r   s w i tc h es   [ 2 2 ,   23] .   T h e  s w itc h i n g   tab leo f   th e  th r ee   le v el   C HB   is   g i v e n   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .  Sw itch in g   tab le  f o r   3 - lev el  C HB   in v er ter   S1   S2   S3   S4   O u t p u t   V o l t a g e   1   0   0   1   V dc   0   1   1   0   - V dc   0   0   0   0   0       C ascad ed   m u lti lev el   in v er ter   is   t h e  ca s ca d e  co n n ec tio n   o f   N   H - b r id g e  i n v er ter s .   E ac h   H - b r id g e   in v er ter   h as  t h e  s a m e  co n f i g u r atio n   as  a  t y p ical  s i n g le - p h ase   f u ll - b r id g e  i n v er ter .   I n   t h is   to p o lo g y   th e  n u m b er   o f   p h ase  v o ltag e  le v el s   at  th e  co n v er ter   ter m i n al s   is   2 N+ 1 ,   w h er e  N  is   t h e  n u m b er   o f ce lls   o r   d c  lin k   v o lta g es .  T h e   I GB T   s w itc h es  h av e  lo w   b lo ck   v o ltag e  an d   h ig h   s w i tch in g   f r eq u e n c y .   C o n s id er   th e  s ev en   le v el  in v er ter ;   it  r eq u ir es  1 2   I GB T   s w itc h e s   an d   t h r ee   d c  s o u r ce s .   T h e  p o w er   cir cu it   o f i n v er ter   is   s h o w n   i n   Fi g u r e  5 .     B y   c l o s i n g   t h e   a p p r o p r i a t e   s w i t c h e s ,   e a c h   H - b r i d g e   i n v e r t e r   c a n   p r o d u c e   t h r e e   d i f f e r e n t   v o l t a g e s :   + V d c ,   0   a n d   - V d c .   I t  is   al s o   p o s s ib le  to   m o d u lar i ze   cir cu it  la y o u t  a n d   p ac k ag in g   b ec au s e  ea c h   le v el  h as  t h e  s a m e  s tr u ct u r e,   an d   th er e   ar e  n o   ex tr a  cla m p in g   d io d es  o r   v o ltag e  b alan ci n g   ca p ac ito r s .   T h e  n u m b er   o f   s w itc h es  is   r ed u ce d   u s i n g   th e  n e w to p o lo g y   [ 2 4 ,   2 5 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :  2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 0 ,   No .   5 ,   Octo b e r   2 0 2 0   :    4 5 9 2   -   4603   4598   S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - S 1 S 2 S 3 S 4 V d c + - Vc Vb Va Vc N     Fig u r e   5 .   C ascad ed   H - b r id g e  7 - lev el  i n v er ter       4.   SI M UL AT I O N  R E S UL T S   T h e  s y s te m   b ased   o n   a  v ar ia b le  s p ee d   w i n d   tu r b i n e  w it h   a  d o u b l y   f ed   i n d u c tio n   g en er ato r   DFI G.     T h e  s i m u lat io n   is   ca r r ied   o u t  u s i n g   t h e  Ma tL ab / Si m u li n k   s o f t w ar e.   T h e  DFI G  is   co n n ec ted   d ir ec tl y   to     th e  n et w o r k   th r o u g h   t h e  s tato r ,   an d   co n tr o lled   b y   its   r o to r   th r o u g h   a  t h r ee   lev el  C HB I .    Sim u latio n   r es u lt s   ar e  p r esen ted   in   Fi g u r e   6   to   Fig u r e   14 .   T h ey   s h o w   p er f o r m a n ce s   o f   o u r   s y s te m .             Fig u r e  6 .   W in d   s p ee d     Fig u r e  7 .   E lectr o m a g n etic  to r q u e               Fig u r e  8 .   I s d   cu r r en t   Fig u r e  9 .   I s q   cu r r en t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g   I SS N:  2088 - 8708       C o n tr o l o f th e  p o w er   q u a lity f o r   a   DF I G  p o w ered   b y   mu ltil e ve l in ve r ters   ( Ha ch emi  Ha ch emi )   4599         Fig u r e  1 0 .   I r d   cu r r en t     Fig u r e  1 1 .   I r q   cu r r en t             Fig u r e  1 2 .   A cti v e  p o w er         Fig u r e  1 3 .   R ea ctiv e  p o w er       Fig u r e  1 4 .   Stato r   cu r r en ts     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :  2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 0 ,   No .   5 ,   Octo b e r   2 0 2 0   :    4 5 9 2   -   4603   4600   T o   c o n tr o l  th e  p o w er   e x ch a n g ed   b et w ee n   t h e  s tato r   an d   t h e  n e t w o r k ,   o n e  u s e s   th e   v ec to r   co n tr o l  w it h   d ir ec t  s tato r   f lu x   s h o w n   in   Fig u r e   15 .   Sim u latio n   r esu lts   ar e  o b tain ed   u n d er   v ar io u s   s tato r   ac tiv e  a n d   r ea ctiv e  p o w er   s tep s .   T h e  b o th   co n tr o l  s tr ate g ies  w i th   5   lev els  C HB I ,   an d   1 3   lev els   C HB I   s ep ar atel y ,     ar e  s i m u lated ,   test ed   a n d   co m p ar ed   in   ter m s   o f   p o w er   r ef er en ce   tr ac k i n g .   W e  in itial  s i m u la tio n   at  f ir s t,  w it h   an   ac ti v e  p o w er   s tep   Ps r ef =  - 5 KW .   At  ti m e  t  =  0 . 5 s   to   2 s   an   ap p licatio n   o f   t h e  ec h el o n   o f   ac ti v e  p o w er     Ps r ef   =  -   1 0 KW ,   an d   a f ter   ti m e  t  =  2 s   to   3 s   w e  r et u r n   at   s tep   Ps r ef   =  - 5 KW .   T h e  r ea ctiv e  p o w er   s tep   i s   ch an g ed   f r o m   Qs r ef   =  - 1   to   - 4   KVA R   at  t h e  in s tan t  t  =  1   s   an d   ag ain   f r o m   - 4   to   - 1   KVAR  at  th e  i n s ta n t    t  =  1 . 5   s ;  a  last   v ar iatio n   o f   t h e  r ea cti v e  p o w er   s tep   at   th e   in s ta n t   t  =  2 . 5   is   ap p lied   f r o m   Qs r ef   =. - 1   K V A R .   Si m u latio n   r esu lts   ar e  s h o w n   i n   Fi g u r e   16   to   Fig u r e   19.   I t  ca n   b e  s ee n   th at   m u lt ilev e l  C HB I   ca n   co n tr o l  th e   ac ti v e  a n d   r ea ctiv e   p o w er s   o f   D FIG   w it h   a   v er y   f ast  ti m e  r esp o n s e.   Ho w e v er ,   th e  r ip p les  in   p o w er s   ar e  m o r e  s ig n i f ica n t  f r o m   co n tr o l  w it h   5   lev el s   C HB I .     T o   o b s er v e  th e   ef f ec t iv e n es s   o f   t h e  p r o p o s ed   co n tr o l  s tr ate g y ,   w e  i n cr ea s ed   le v el s   o f   C HB I   g r ad u all y   u p   to     1 3   lev els.  I n   o r d e r   to   p r o d u ce   q u alit y   e n er g y ,   it  is   ap p ar en t  th at  th e  co n tr o l  w ith   1 3   lev els  C HB I ,     ha r m o n ics  ar e  al m o s t  eli m in a t ed .   T h u s ,   w e  esti m ate  t h at  t h e s e  p o w er s   in j ec ted   in to   th e  n e t w o r k   w i ll  h a v e  n o     s ig n i f ica n t i m p ac t.           Fig u r e  1 5 .   B lo ck   d iag r am   o f   DFI G  p o w er   co n tr o l   Si tu   p e u x   le  ch a n g er   s o u s   f o r m e  d e  b lo c  c’ est  m ie u x           Z OOM     Fig u r e  1 6 .   R ee l a n d   r ef er en ce   ac tiv e  p o w er   w it h   5   lev el s   C H B I   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g   I SS N:  2088 - 8708       C o n tr o l o f th e  p o w er   q u a lity f o r   a   DF I G  p o w ered   b y   mu ltil e ve l in ve r ters   ( Ha ch emi  Ha ch emi )   4601       Z OOM     Fig u r e  1 7 .   R ee l a n d   r ef er en ce   r ea ctiv e  p o w er   w it h   5   lev el s   C HB I           Z OOM     Fig u r e  1 8 .   R ee l a n d   r ef er en ce   ac tiv e  p o w er   w it h   1 3   lev els  C HB I           Z OOM     Fig u r e  1 9 .   R ee l a n d   r ef er en ce   r ea ctiv e  p o w er   w it h   1 3   lev els  C HB I     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.