I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0 ,   p p .   6 3 4 9 ~ 6 3 6 0   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 0 i 6 . pp 6 3 4 9 - 6 3 6 0          6349       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   I m pro v ing  t h e del iv ered pow er quality  f ro m   WECS  t o  t he grid  ba sed  on   PMS G   c o ntrol  m o d el       Sh i m a a   A.   H us s ien 1 ,   M .   A.   Dea b 2 N.   S.  H o s ny 3   1 El e c tri c a De p a rtme n t   F a c u lt y   o En g in e e rin g ,   P r in c e ss   No u ra h   b i n A b d u lra h m a n   Un iv e rsit y ,   S a u d A ra b ia   1 El e c tri c a P o w e a n d   Co n tro l   De p a rtm e n t ,   P y ra m id s Hig h e In stit u te  f o En g in e e rin g   a n d   T e c h n o l o g y ,   Eg y p t   2 P o w e a n d   En e rg y   De p a rt m e n t   Ne w   Ca iro   T e c h n o lo g ica Un iv e rsity ,   Eg y p t   3 El e c tri c a P o w e a n d   Co n t ro l   De p a rtm e n P y ra m id s Hig h e I n stit u te f o En g in e e rin g   a n d   T e c h n o lo g y ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   2 3 ,   2 0 2 0   R ev i s ed   J u n   7 ,   2020   A cc ep ted   J u n   17 ,   2 0 2 0       Re n e wa b le  e n e rg y   h a b e c o m e   o n e   o f   th e   m o st  e n e rg y   re so u rc e n o w a d a y s,   e sp e c iall y ,   w in d   e n e rg y .   It  is   im p o rtan to   im p le m e n m o re   a n a l y sis  a n d   d e v e lo p   n e w   c o n tro a lg o r it h m d u e   to   th e   ra p id   c h a n g e in   t h e   w in d   g e n e ra to rs  siz e   a n d   th e   p o w e e lec tro n ics   d e v e lo p m e n in   w in d   e n e rg y   a p p li c a ti o n s.  T h is  p a p e p ro p o se a   g rid - c o n n e c ted   w in d   e n e rg y   c o n v e rsio n   s y ste m   ( W ECS c o n tro sc h e m e   u sin g   p e rm a n e n m a g n e s y n c h ro n o u s   g e n e ra to (P M S G ).   T h e   m o d e l   w o rk to   im p ro v e   th e   d e li v e re d   p o w e r   q u a li ty   a n d   m a x i m ize   it v a l u e .   T h e   s y ste m   c o n tain e d   o n e   c o n t ro ll e o n     th e   g rid   sid e   c o n v e rter (G S C)  a n d   tw o   si m u latio n   p a c k a g e s u se d   to   sim u lat e   th is  m o d e l,   w h ich   w e re   P S IM   so f t w a re   p a c k a g e   f o si m u lati n g   p o w e r   c ircu it   a n d   p o w e e lec tro n ics   c o n v e rters ,   a n d   M A TL A so f t w a re   p a c k a g e   f o si m u latin g   th e   c o n tro ll e o n   S im u li n k .   It  e m p lo y ed   a   m e ta - h e u risti c   tec h n iq u e   t o   f u lf il   th is   targ e e ff e c ti v e l y .   M in e - b las a lg o rit h m   (M BA a n d   h a r m o n y   s e a r c h   o p t i m i z a t i o n   t e c h n i q u e   ( H S O )   w e r e   a p p l i e d   t o   t h e   p r o p o s e d   m e th o d   to   g e th e   b e st  c o n tro l ler  c o e ff icie n to   e n su re   m a x i m u m   p o w e to   th e   g rid   a n d   m in im i z e   th e   o v e rsh o o a n d   th e   ste a d y   sta te  e rro f o r     th e   d if f e re n c o n tro l   sig n a ls.  T h e   c o m p a riso n   b e tw e e n   th e   re su lt o f     th e   M BA   a n d   th e   HSO   sh o w e d   th a th e   M BA   g a v e   b e tt e re su lt s   w it h     th e   p r o p o se d   sy ste m .   K ey w o r d s :   P er m a n en m a g n e t s y n c h r o n o u s   g en er ato r   ( P MSG)   W in d   en er g y   co n v er s io n   s y s te m   ( W E C S)   Min b last   al g o r ith m   ( MB A )   Har m o n y   s ea r ch   o p ti m izatio n   tech n iq u ( HSO)   P SIM   MA T L A B /S i m u li n k     Co p y rig h ©   2 0 2 0   In stit u te o f   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 :   N.   S.  Ho s n y ,     E lectr ical  P o w er   a n d   C o n tr o Dep ar t m en t ,     P y r a m id s   Hi g h er   I n s tit u te  f o r   E n g i n ee r i n g   a n d   T ec h n o lo g y ,   Giza ,   E g y p t .   E m ail:  n esre e n . s a m ir @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h w o r ld w id d e m a n d   f o r   en er g y   is   i n cr ea s i n g   g r ad u all y .   R en e w ab le  en er g y   co u ld   b u s e f u l   p o w er   s o u r ce   to   r ed u ce   th e   f o s s il  f u el  co n s u m p tio n   a n d   its   co r r esp o n d in g   p o llu t io n .   W in d   en er g y   is   p o w er f u r e n e w ab le  s o u r ce ,   w h ic h   co u ld   b u s ed   i n   m an y   ar ea s .   Var io u s   t y p es   o f   w i n d   g e n er ato r s   h av e   b ee n   u s ed   i n   W E C S,  f o r   ex a m p le,   d o u b le - f ed   in d u ctio n   g en er ato r   ( DFI G) ,   t h w o u n d   r o to r   s y n c h r o n o u s   g en er ato r ,   s q u ir r el - ca g i n d u c tio n   g en er ato r ,   h i g h - te m p er at u r e - s u p er co n d u ct in g   s y n c h r o n o u s   g en er ato r ,   an d   p er m a n e n m a g n et   s y n c h r o n o u s   g en er ato r   ( P MSG) .   T o   ex tr ac t h m a x i m u m   p o w er   f r o m   s y s te m s   w it h   v ar iab le  s p ee d   w i n d   tu r b in e s   ( VSW T ) ,   d if f er en t p o w er   co n v er ter s   an d   co n tr o l to p o lo g ies co u l d   b u s ed .     T h ad v an ta g es  o f   V SW T   co m p ar ed   w i th   f ix ed   s p ee d   g e n e r ato r s   ar th at  t h e x tr ac ted   e n er g y   co u ld   b in cr ea s ed ,   o p er atin g   at   m a x i m u m   p o w er   p o i n i s   p o s s ib le,   an d   t h e f f icie n c y   alo n g   w it h   t h p o w er   q u alit y   co u ld   b i m p r o v ed   [ 1 ] .   Usi n g   d ir ec d r iv P MSG  co u ld   i m p r o v m ea n in g f u l l y   th d ep en d ab ilit y   o f   VSW T .   A lt h o u g h   m an y   t y p e s   o f   g e n er ato r s   co u ld   b u s ed   in   W E C S,  th P MSG  p la y s   ch ie f   r o le  i n   th m ar k et  [ 2 ,   3 ] .   Mo d ellin g   a n d   co n tr o o f   th i s   s y s te m   h a s   b ee n   i m p le m e n ted   f o r   g r id - tie  [ 4 - 7 ]   o r   s tan d - alo n s y s te m   [ 8 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0     6 3 4 9   -   6 3 6 0   6350   A l s o ,   p r o p o r ti o n al  r eso n a n co n tr o ller s   w er u s ed   to   h elp   i n   th eli m i n atio n   o f   s tead y - s tate   er r o r   an d   en h an c e   th p er f o r m a n ce   o f   t h r ef er en ce   tr ac k in g   o f   t h co n v er ter   [ 9 ] .     T h ad v an ta g es  o f   P MSG  ar th p o s s ib ilit y   o f   m u l ti - p o l d esig n   t h at  e n s u r es,   g ea r le s s   W E C S   co n s tr u ct io n   p o s s ib ili t y ,   o p er atin g   w it h   s lo w   s p ee d ,   an d   f r ee   m a in te n a n ce   o p er atio n   as   n o   b r u s h e s   ex i s t.     T h s ig n i f ica n d is ad v an tag e   o f   P MSG   is   th a t h o u tp u v o lta g d ep en d s   o n   t h s p ee d   o f   r o tatio n .     Ma n y   ap p licatio n s   a n d   co n tr o s y s te m s   w er e   ap p lied   o n   t h is   s y s te m   [ 1 0 - 1 9 ] .   A l s o ,   m a n y   a lg o r it h m s   w er e   u s ed   to   s u c h   p r o b le m s   [ 2 0 - 2 5 ] .   I is   p o s s ib le  th at  th m i n i m u m   v o ltag a n d   m a x i m u m   v o lta g d if f er e n ce   co u ld   r ea ch   f o u r   ti m es   i n   t h e   ap p licatio n s   o f   V SW T   [ 2 6 ] .   T h is   d is ad v a n ta g co u ld   b s i m p ly   o v er co m w i th   th h elp   o f   s u itab le  i n ter f ac i n g   co n v er ter .   Op ti m u m   p o w er /to r q u tr ac k in g   s tr ate g ies   ar co m m o n l y   u s ed   as   th e y   h elp   to   ac h ie v e   o p ti m u m   w i n d   e n er g y   ex tr ac tio n .   T h e y   u s th v elo cit y   o f   t h w i n d   in   o r d er   to   d eter m in th r eq u ir ed   s h af t   s p ee d   to   v a r y   t h e   s p e e d   o f   t h e   g e n e r a t o r .   H o w e v e r ,   a n e m o m e t e r   b a s e d   c o n t r o l   s t r a t e g y   d e c r e a s e s   t h e   s y s t e m   r e l i a b i l i t y   a n d   i n c r e a s e s   c o s t .   T h i s   c o n t r o l   s t r a t e g y   m a y   n o t   s u i t   o r   m a y   b e   w i t h   h i g h   c o s t   f o r   a   s m a l l   s c a l e   w i n d   t u r b i n e   s y s t e m .     I n   t h is   p ap er ,   p r o p o s ed   s y s te m   w as   in tr o d u ce d   co n tai n in g   f u ll y   co n tr o lled   in v er ter .   MB o p tim izatio n   tec h n iq u [ 2 7 ]   w a s   i m p le m e n ted   to   g et  t h e   m ax i m u m   p o w e r   u n d er   ce r tain   g r id   v o lta g e.   A   co m p ar i s o n   o f   th p r o p o s ed   s y s te m   r e s u l ts   w it h   th r es u lts   o f   th s a m s y s te m   u s i n g   HSO  tech n iq u [ 2 8 w a s   ca r r ied   o u to   id en tify   t h e   b est  tech n iq u e.   T h co m p ar ativ an al y s is   o f   t h r esu lt s   s h o w ed   th at  t h MB w a s   th b etter   o n e.   Sectio n   2   in tr o d u ce s   t h m ater ia ls   an d   m et h o d s   i n c lu d in g   th e   m at h e m atica l   m o d el   an d     th o p ti m izatio n   alg o r it h m s .   T h r esu lts   an d   th d is cu s s io n   ar p r esen ted   in   s ec tio n   3 Sectio n   4   w ill   in tr o d u ce   th co n clu s io n s   o f   t h w o r k .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D     T h s y s te m   w o u ld   b e   b u ilt  o n   P SIM   s o f t w ar to   s i m u late   th e   r esp o n s e   o f   W E C S.  T h co n t r o ller   an d   th o p ti m izatio n   alg o r it h m   wo u ld   b s im u lated   w it h   Ma tl ab /Si m u li n k   [ 2 9 ] .   T h m o d el   co n tain e s   d ir ec t - d r iv en   w i n d   tu r b in w i th o u t   g ea r b o x ,   P MSG,   an   u n co n tr o lled   r ec tif ier ,   DC   li n k ,   f u ll y   co n tr o lled   in v er ter ,   an d   a   tr an s m is s io n   li n to   th g r id   as  s h o w n   in   Fig u r 1           Fig u r 1 .   S y s te m   b lo ck   d iag r a m       T w o   p o w er   co n v er ter s   u s ed   i n   th s y s te m   ar e   u n co n tr o lle d   th r ee - p h ase  r ec ti f ier ,   u s ed   i n   m ac h i n s id f o r   th co n v er s io n   o f   t h P MSG  o u tp u t to   DC   p o w er ,   an d   f u ll y   co n tr o lled   th r ee - p h a s in v er ter ,   u s ed   f o r   th DC   to   A C   p o w er   co n v er s io n   t h at  co u ld   b tr an s m itte d   to   th g r id .   P I   co n tr o lle r   w o u ld   b e   u s ed   to   g en er ate  t h in v er ter   s w itc h es  f ir in g   a n g le s   u s in g   p u l s w id t h   m o d u lat io n   ( P W M ) .   T h co n tr o ller   g ain s   co u ld   b d eter m i n ed   u s i n g   m eta - h eu r i s tic  o p ti m iza tio n   tec h n iq u e   to   g et  th o p ti m u m   w a v e   f o r m   d eliv er ed   to     th g r id   as  s h o w n   i n   Fi g u r e   2 .   Fu r th u r e m o r e,   o n l y   p r o p er   esti m a te  o f   t h f i lter   r esis ta n ce   an d   in d u cta n ce   w o u ld   b e   r eq u ir ed   f o r   th d esig n .     T h co n tr o ller   p er f o r m a n ce   w o u ld   b ev alu a ted   b y   th s i m u lat io n   r es u lts   a n al y s i s   f o r   v ar io u s   q u an tit ies   w it h   t w o   d if f er en o p tim izatio n   tec h n iq u es   MB A   a n d   HSO .   T h q u an titi es  u n d er   co n s id er atio n   ar th p o w er   a n d   th e   av er a g p o w er   d eliv er ed   to   t h g r id   ( P o ,   A v g .   P o ) ,   th e   w i n d   tu r b in s p ee d   an d     th m ec h a n ical  to r q u ( N m   ,T em ) ,   th t h r ee - p h ase  g en er ato r   t er m in a cu r r en t ,   t h th r ee - p h a s g r id   s id cu r r en t,   an d   th e   dc - li n k   v o ltag e T h ese  t w o   o p ti m izatio n   tec h n iq u e s   r es u lts   w o u ld   b e   co m p ar ed   to   id e n ti f y     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:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o vin g   th d elive r ed   p o w e r   q u a lity fro W E C S   to   th g r id …  ( S h ima a   A .   Hu s s ien )   6351   th b est  o n f o r   m a x i m u m   p o w er   ex tr ac tio n   d eli v er ed   f r o m   W E C S.   Fig u r 3   r ep r esen ts   t h r elatio n   b et w ee n   th g e n er ato r   s p ee d   an d   th ex tr ac ted   p o w er   at  d if f er e n win d   s p ee d .   I t   in d icate s   th at  t h m ax i m u m   p o w er   co u ld   b ca p tu r ed   f r o m   t h w i n d   tu r b in e s   o n l y   if   t h e y   ar o f   v ar iab le  s p ee d   ty p e.           Fig u r 2 .   S y s te m   co n tr o ller           Fig u r 3 .   Sp ee d - p o w er   c u r v e       2 . 1 .     M a t h e m a t ica m o del   W in d   tu r b in p o w er   i s   co m p u t ed   as [ 1 4 ] :     = 1 4  3   ( 1 )     w h er   is   t h p o w er   o f   t h t u r b in e,     is   th d e n s it y   o f   t h ai r ,   A   is   t h s w ep ar ea   o f   t h tu r b in e,   C P   is   th p er f o r m a n ce   co ef f icie n t a n d     is   th s p ee d   v alu o f   th w i n d .   D y n a m ic  m o d el  o f   t h P MSG  co u ld   b in tr o d u ce d   as:       = +       ( 2 )       = +       ( 3 )     w h er t h d q   co m p o n en ts   o f   th s tato r   v o lta g ar e     an d     ,   an d   th e   d q   co m p o n e n t s   o f   t h s tato r   cu r r e n t   ar   an d     an d   ar th d q   co m p o n en ts   o f   t h s tato r   f lu x   li n k a g e.     is   th r esi s ta n ce   o f   th e   s tato r .   T h elec tr ic  an g u lar   r o to r   s p ee d   is     ( r ad /s ) .   T h d q   co m p o n en ts   o f   t h s t ato r   f lu x   lin k a g co u ld   b ex p r ess ed   as:     =   +    ( 4 )     =     ( 5 )     w h er     is   th d - ax is   in d u cta n ce   an d       is   q - ax is   in d u cta n c o f   th s tato r .      th p er m an e n t   m a g n et     f l u x   li n k ag e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0     6 3 4 9   -   6 3 6 0   6352   2 . 2 .     M B t ec hn iqu e   Ob s er v atio n   o f   t h ex p lo s io n   m in b o m b   w as  th m ain   p u r p o s o f   co n s tr u cti n g   th MB A ,     w h er th r o w n   s h r ap n el  p iec es  w o u ld   co llid w it h   p o s s i b le  m i n b o m b s   i n   an   ex p l o s io n   a r ea   ca u s i n g     f u r t h er   ex p lo s io n .   T h d is co v er y   o f   th lo ca tio n   o f   t h o p tim u m   p o in o f   th m o s ex p lo s iv b o m b   i s     th o b j ec tiv [ 2 7 ] .   Min b o m b s   p lan ted   u n d er   th g r o u n d   ar w it h   v er s at ile  s izes  o r   p o w er   o f   ex p lo s io n .     An y   b o m b   w o u ld   s p r ea d   m a n y   s h r ap n el  p iece s   w h e n   it  i s   ex p lo d ed   as  s h o w n   i n   Fi g u r 4 .   E ac h   p iece   o f   s h r ap n el   w o u ld   ca u s v icti m s .   I f   t h e   n u m b er   o f   v ic ti m s   p er   p iece   in   a n   ar ea   i s   h i g h ,   s o   ex i s te n ce   o f   o th er   m i n es  i n   th is   ar ea   m ig h b ta k en   i n to   co n s id er atio n .   T h ese  m i n es  m i g h b w it h   h ig h er   p o w er   o f   ex p lo s io n .   T h er ar ce r tain   d ir ec tio n s   an d   d is ta n ce s   f o r   ea ch   s h r ap n el  p iece   w o u ld   co llid w it h   o th er   m in b o m b s ,   w h ic h   m a y   b th r ea s o n   o f   th ex p lo s io n   o f   o th er s .   T h d is co v er y   o f   t h m o s ex p lo s iv m in co u ld   b e   r ec o g n ized .   T h o b j ec tiv f u n ctio n   f itn e s s   at  th e   m in e   b o m b s   lo ca tio n   w o u ld   b co n s i d er ed   m i n b o m b   ex p lo s io n   b y   t h v icti m s .           Fig u r 4 .   Min b last   al g o r ith m       T h s u g g ested   MB A   tec h n iq u s tar ts   i n itiall y   w it h   p o in t( s )   n a m ed   t h f ir s t s h o t p o in t( s ) .   T h is   p o in co u ld   b d ef in ed   as  0   ,   w h er f   is   p ar am eter   d ef i n ed   b y   t h u s er ,   w h ich   eq u al s   th n u m b er   o f   f ir s s h o t   p o in t( s ) ,   ( f   1 ,   2 ,   3 ,   .   .   . ) .   T h f ir s s h o p o in t( s )   lo ca tio n ( s )   m i g h b ass u m ed   r an d o m l y   b y   th al g o r ith m   u s i n g   th p r o b le m   u p p er   an d   lo w er   b o u n d ar ies.  MB A ,   s i m ilar   to   o th er   m e ta - h e u r is tic  tech n iq u es,  r eq u ir e s   in itial l y   p o p u latio n   o f   i n d i v id u al s .   Us in g   t h f ir s s h o ex p lo s io n ,   MB A   co u ld   g e n er ate  p o p u latio n   to   p r o d u ce   s h r ap n el  p iece s   ( in d iv id u al s ) .      is   th in itial  p o p u la tio n   an d   its   v alu e   is   ac co r d in g   to   s h r ap n el   p iece s   v al u   .     A   s m al l r an d o m l y   g e n er ated   v alu w o u ld   b cr ea ted   b y   t h f ir s t sh o t p o in t to   g iv t h v alu e:      0 =  +  × (     )   ( 6 )   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:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o vin g   th d elive r ed   p o w e r   q u a lity fro W E C S   to   th g r id …  ( S h ima a   A .   Hu s s ien )   6353   H er 0   is   th in i tial  f ir s s h o p o in t,  L B   is   th lo w er   b o u n d ar y   a n d   UB   is   t h u p p er   b o u n d ar y   o f     th p r o b le m .   T h ter m   ( r an d )   is   to   i n d icate   t h at  t h d i s tr ib u tio n   is   u n i f o r m   b et w ee n   [ 0 ,   1 ]   r an d o m l y .   U s i n g   m an y   f ir s s h o p o in t s   w o u ld   i n cr ea s th i n it ial  p o p u latio n s   an d   n u m b er   o f   f u n ctio n s   to   b ev alu a ted .   Ass u m e     to   b e   th e   m i n b o m b   cu r r en t lo ca tio n   a n d   ex p r ess ed   as:     = {   } , = 1 , 2 , 3 , 4 , . ,   ( 7 )     T h v ar iab le         eq u als  th s ea r ch   s p ac d i m en s io n ,   w h ich     s h r ap n el  p iece s   o f   an   ex p lo s io n   w o u ld   ca u s e   an o th er   b o m b   to   ex p lo d at  + 1      lo ca tio n :     + 1   =     (   + 1 )   +  ( + 1 + 1   )     ,       = 0 , 1 , 2   ( 8 )     w h er e     (   + 1 )     is   t h ex p lo d in g   m i n b o m b   lo ca tio n ,   w h ich   w as   co llid ed   b y   s h r ap n el,   + 1   is   t h d is t an ce ,   an d   + 1   is   th t h r o w n   s h r ap n el  p ie ce s   s lo p ( d ir ec tio n )   in   ea ch   it er atio n .     T h lo ca tio n     (   + 1 )     is   ex p r ess ed   as:     (   + 1 )   =       ×    ×       ( )   ,       = 0 , 1 , 2 , 3   ( 9 )     ( )   is   th s h r ap n el  p iece s   a n g le,   w h ic h   co u ld   b o b tain ed   f r o m   =     360     in   co n s ta n t v a lu e.   I n   ( 9 )   is   u s ed   f o r   r ea w o r ld   s im u latio n   o f   m i n b o m b s   e x p lo s io n .   E ac h   in d i v id u al  ( s h r ap n el  p iece )   h as  v ar iab le  d is ta n ce s   w i th   d ef i n ite  d ir ec tio n s   f r o m   th e   ex p lo s io n   p o in t.  T h b est  o p ti m u m   p o in co u ld   b e   o b tain ed   b y   ex p lo r in g   at   ea ch   iter atio n   th d o m ai n   s p a ce   in   3 6 0 ,   w h ic h   is   s p ec i f i ed   b y     an d           T h v alu o f     w o u ld   b s et  to   360   to   ca r r y   o u u n i f o r m   s ea r ch .   B y   t h is   p r o ce d u r e,   ac cu m u lat io n   o f   in d iv id u als i n   s p ec i f ic  r eg io n   m i g h t b p r ev en ted .   In   (8 ),   t h e   o b t a i n e d   b l a s t   p o i n t   p r o g r e s s   i s   d o n e   u s i n g   t h e   e x p o n e n t i a l   t e r m   b y   m a n i p u l a t i n g     t h e   i n f o r m a t i o n   f r o m   p r e v i o u s   s o l u t i o n s   (     ) .   T h e   s h r a p n e l   p i e c e s   d i s t a n c e   ( + 1 )   a n d   d i r e c t i o n   ( + 1 )   a r e :     + 1 =     (   + 1    ) 2 + ( + 1     ) 2   ,             = 0 , 1 ,   ( 1 0 )     + 1   =     + 1     + 1               ,               = 0 , 1 , 2 , 3   ,   ( 1 1 )     w h er ( F)  is   th f u n ctio n   v al u o f   th e   ( ) .   T h in itial  d is ta n ce   w o u ld   b ca lcu lated   b y     0 = (     )   in   ea ch   d i m e n s io n   u s ed .   T o   s ea r ch   o p ti m u m   s o lu tio n ,   t h in iti al  d is tan ce   w o u ld   b p r o p o s ed   w it h i n   r an g (    0      ),   w h ich   is   co m p u ted   b y   m u lt ip l y i n g   r an d o m l y   g en er ated   n u m b er   a n d   t h i n it ial  d is ta n ce .   Sear ch i n g   f ac to r   ( )   is   u s ed   to   co n d u ct  d esig n   s p ac ex p lo r atio n   a s m al ler   an d   lar g er   d is tan ce s .   T h is   co n s tan w o u ld   b co m p ar ed   w i th   a n   iter atio n   n u m b er   in d ex   ( k )   to   b eg in   t h ex p lo r atio n   p r o ce s s   if   it  i s   lar g er   th a n   k .   E x p lo r atio n   o f   th s o lu tio n   s p ac co u ld   b in d icate d   as:     + 1     =           ×     (   |  |   ) 2     ,         = 0 , 1 , 2 , .   ( 1 2 )     ( + 1 )         =           ×       (   ) , = 0 , 1 , 2 , .   ( 1 3 )     I n   (1 3 )   m o d if ies  ea c h   s h r a p n el  p iece s   d is ta n ce .   (   |  |   ) 2   P r o v id es   b etter   ex p lo r atio n   o f   th ab ilit y   to   s ea r c h .   He n ce ,   th e y   s h i f clo s er   to   a n   o p ti m u m   p o i n q u ic k l y   d u r i n g   a   s m a ll  n u m b er   o f   iter atio n s .   T h lar g er   th ( v alu e,   th e   m o r r e m o te  r eg io n s   to   ex p lo r as  th ( )   v alu i s   u s ed   to   ass i g n     th e x p lo r atio n   i n ten s it y .   T h ab ilit y   o f   t h s ea r ch   w o u l d   b in cr ea s ed   g lo b all y   u s i n g   t h is   m e th o d o lo g y g r ad u al  r ed u c tio n   in   th e   d is t an ce   o f   s h r ap n el   p iece s   w o u ld   allo w   b etter   p r o b ab le   s ea r ch   f o r   th e   b o m b s   lo ca tio n .   T h d ec r ea s in   0       is   g i v en   a s :         =       1          (   )             = 1 , 2 , 3 ,   ( 1 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0     6 3 4 9   -   6 3 6 0   6354   w h er an d     ar th iter atio n   n u m b er   in d ex   a n d   d ec r ea s co n s ta n t,  r esp ec tiv e l y .   T h co n s t s n t   ( ) ,   w h ic h   i s   u s er   p ar am eter ,   d ep en d s   o n   th p r o b lem   d if f ic u lt y .   T h ef f ec o f   ( )   is   t o   d ec r ea s th d is tan ce   o f   ea ch   s h r ap n el  p iec e s   ag a in s as   in t r o d u ce d   in   (1 4 ) .   T h er ef o r e,   th p r o b le m   in ter v al  i s   to tall y   s ea r ch ed   b et w ee n   lo w er   an d   u p p er   b o u n d ar ies.  T o   f in d   th o p ti m u m   s o l u tio n   g lo b all y ,   th s h r ap n el  d is ta n ce   v alu w o u ld   b e   r o u g h l y   s et  to   ze r o   in   th f i n al  iter atio n .   T w o   p r o ce s s es  co u ld   b i m p le m e n ted   f o r   s ea r ch in g   t h s o lu tio n   d o m ai n t h ex p lo r atio n   p r o ce d u r an d   ex p lo itatio n   p r o ce d u r e.   W h o le  s ea r ch   to w ar d s   th o p tim a s o lu tio n   i s   g o b y   th d i f f er en ce   b et w ee n   th ese  t w o   p r o ce s s es,  w h ic h   i n   w h a w a y   t h e y   af f ec s p ec i f i ca ll y .   ( )   is   u s ed   as  an   ex p lo r atio n   f ac to r   to   s ig n i f y   t h v a lu o f   th f ir s iter at io n s .   L a ter ,   if   ( )   is   s et  to   ce r tain   n u m b er   o f   ite r atio n s ,   th e n   f o r   th i s   iter atio n s   n u m b er   th al g o r ith m   w o u ld   ca lcu late  th d is ta n ce   an d   th ex p lo s io n   lo ca tio n   as  il lu s tr ated   in   (1 3 )   an d   (1 4 ) ,   r esp ec tiv el y .   Fo r   t h ex p lo itatio n   p r o ce s s ,   t h al g o r ith m   i s   i n ter ested   o n   th o p ti m u m   p o i n t.  E x ac tl y ,   co n s id er i n g   t h p r o ce s s   o f   ex p lo itatio n ,   it  w o u ld   d eter m i n th e x p lo d ed   m in e   b o m b   lo ca tio n ,   s h r ap n e p iece s   d ir ec tio n   an d   d is tan ce ,   r esp ec tiv el y .   T h alg o r ith m   w o u ld   co n v er g to   th g lo b al  o p ti m u m   s o lu tio n   a s   ill u s tr ated   in   ( 9 ) ,   ( 1 0 ) ,   an d   ( 1 1 ) ,   th en   i n   (1 4 r ed u ce s   ad ap tiv el y .   I co n v er g e s   to   th o b j ec tiv f u n ctio n   o p ti m al  s o l u tio n   o f   s h r ap n el  p iece s   d is ta n ce .   T h f lo w   ch ar in   Fi g u r 5   w il l   illu s tr ate  th s tep s   o f   al g o r ith m .     2 . 3 .     H SO   t ec hn iqu   A   m eta - h e u r is t ic  alg o r it h m   ca lled   HSO,   it  w a s   s ti m u lated   b y   t h b asic  p r in cip le s   o f   th m u s icia n s   in v e n tio n   o f   s ea r c h in g   f o r   th e   h ar m o n y   w it h   p er f ec s tate   o f   h ar m o n y   m u s ical  p r o ce s s   in   o r d er   to   o b tain     th b est s o l u tio n   i n   a n   o p ti m iz atio n   p r o ce s s   w ith   t h h ar m o n y   in   m u s ic  a n alo g o u s l y   [ 2 8 ] .   T o   g et  th b est t u n e ,   m u s icia n   p la y s   d if f er en s eg m en ts   o f   n o tes  o f   ch a n g ed   m u s ical  in s tr u m e n a n d   f i n d   th b est  co m b in a tio n   o f   f r eq u en c y   i n   m u s ic  i n v e n tio n   p r o g r ess io n .   I n   t h s a m w a y ,   in   th HS O   al g o r ith m ,   to   m i n i m ize  o r   m a x i m iz e   th o b j ec tiv f u n ct io n ,   s elec te   th b est  co m b i n atio n   o f   e x is ti n g   s o lu t io n s .   De f i n itel y ,   HS O   w a s   s ti m u lated   b y   m an a g i n g   m u s icia n s   eq u ip m en t w h o   r ap id l y   i m p r o v t h e ir   in d i v id u al,   r e s u l tin g   in   b ea u ti f u h ar m o n y .   HSO  h a s   m ai n l y   f iv s tep s :     I n itialize  t h alg o r it h m   p ar a m eter s   I n   s tep s   1 ,   s p ec if y   th e   p r o b le m   as f o llo w s :     Min i m ize    f ( x )   as     an   ob je c ti ve   fun c tion     Su b j ec t to       x j       X j   ,   j = 1 ,   2 ,   3 ,   ……n     w h er e ,     x j   is   th s e o f   ea ch   d ec i s io n   v ar iab le;      x j : n     is   th n u m b er   o f   d ec is io n   v ar iab les,  x i L   X j   x i U     is   th s et  o f   th lo w er   a n d   u p p er   b o u n d s   o f   ea ch   d ec i s io n   v ar iab le Her e,   th p ar em eter s   ar s p ec if ied   an d     th h ar m o n y   m e m o r y   ( HM )   i s   th m e m o r y   lo ca tio n   w h er t h s o lu tio n   v ec to r s   ar s to r ed .     Nu m b er   o f   s o lu tio n   v ec to r s   i n   th h ar m o n y   m e m o r y   ( HM )       Har m o n y   m e m o r y   co n s id er in g   r ate  ( HM C R )       P itch   ad j u s tin g   r ate  ( P A R )       Nu m b er   o f   i n v en t io n s   ( NI ) ,   o r   s to p p in g   cr iter io n   Her e ad j u s ts   t h HM   m atr ix   t o   co m p lete  w it h   lo t o f   s o l u ti o n   v ec to r s   cr ea ted   r an d o m l y     as th HM S.        =   [       1 1               2 1             . 1 1 2           2 2         . 2 : : . : 1  2 .  ]           ( 1 5 )       I m p r o v n e w   h ar m o n y     No v el  v ec to r   is   cr ea ted   d e p en d in g   o n   p itc h   ad j u s t m e n t,  m e m o r y   co n s id er atio n ,   a n d   r an d o m   s elec tio n ,   n e w   h ar m o n y   is   c alled   i m p r o v is atio n   w o u ld   b g en er ated .   T h f ir s d ec is io n   1 1   co u ld   b   ch o s en   f r o m   t h r a n g 1 1     1  ,   an d   t h s a m m a n n er   f o r   t h r est   o f   d ec i s i o n s   c h o ice.   HM C R     [ 0 , 1 ] ,   is   t h r at o f   s elec tin g   o n v al u f r o m   th s to r ed   h is to r ic  v alu es  in   th HM .   ( 1 MC R )   is   th r ate  o f   r an d o m l y   c h o o s i n g   o n v al u f r o m   t h p o s s ib le  r a n g o f   v al u es.           {           { 1 , 2   , . . . , 1                                                                        ( 1   )                               ( 1 6 )     T h is   p r o ce s s   u s es t h P AR   [ 0 , 1 ]   p a r a m eter ,   w h ic h   is   t h r ate  o f   p i tch   ad j u s t m 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:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o vin g   th d elive r ed   p o w e r   q u a lity fro W E C S   to   th g r id …  ( S h ima a   A .   Hu s s ien )   6355       {                                                                                                   ( 1    )               ( 1 7 )     T h v alu o f   ( 1     )   s ets  t h r ate  o f   d o in g   n o t h i n g .   I f   t h p itch   ad j u s t m e n d ec is io n   f o r        is   YE S,      is   r ep lace d   as:             ±        ×      ( 1 8 )     w h er e,        is   r an d o m   d is ta n ce   b an d   w id th .        is   r an d o m   n u m b e r   b et w ee n   0   an d   1 .       Up d ate  m e m o r y   o f   h ar m o n y     T h o b j ec tiv f u n c tio n (   )   v al u i s   ca lcu lated   w h e n   t h n o v el  H S O   v ec to r   i s   b etter   th a n   t h wo r s h ar m o n y   i n   t h HM .   T h HM   w o u ld   in cl u d th n e w   h ar m o n y ,   w i th   t h o m it tio n   to   th c u r r en w o r s t o n e.     C h ec k ed   th s to p p in g   cr iter io n     I f   i n v e n tio n s   m a x i m u m   n u m b er   is   r ea ch ed ,   th s to p p in g   cr iter io n   is   f i n is h ed .   E ls e,   i m p r o v an u p d ate  th m e m o r y   i s   r ep ea ted .   Fin all y ,   t h b est  HM   v ec to r   is   d esig n ated   a n d   is   w e ll - th o u g h t - o u as   b e s t   s o lu tio n .   Fig u r 6   illu s tr ated   th f lo w   c h ar t o f   t h h ar m o n y   s ea r ch   alg o r ith m .           Fig u r 5 .   Flo w   c h ar t o f   m in b last   alg o r it h m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0     6 3 4 9   -   6 3 6 0   6356   S t a r t   D e f i n e   p i t c h   a d j u s t i n g   r a t e   ,   p i t c h   l i m i t s   ,   b a n d   w i d t h   D e f i n e   h a r m o n y   m e m o r y   a c c e p t i n g   r a t e   G e n e r a t e   i n i t i a l   s o l u t i o n   ( r e a l   n u m b e r   a r r a y   ) P u t   t h e   r a n d o m   s o l u t i o n   a s   t h e   b e s t   s o l u t i o n   G e n e r a t e   a   n e w   s o l u t i o n   A d j u s t   p i t c h   t o   g e t   n e w   s o l u t i o n s I f   t h e   n e w   s o l u t i o n <     a c c e p t i n g   r a t e C h o o s e   t h e   c u r r e n t   s o l u t i o n   a s   t h e   b e s t   s o l u t i o n   N o Y e s A d j u s t   p i t c h   o f   a   n e w   s o l u t i o n s I f   t   >   t   m a x . A c c e p t   t h e   s o l u t i o n   P r i n t   t h e   c u r r e n t   s o l u t i o n   E N D Y e s P u t     t = 0 t   =   t + 1 N o     Fig u r 6 .   Flo w   c h ar t o f   h ar m o n y   s ea r ch   al g o r ith m       3.   RE SU L T A ND  D I SCU SS I O N   Si m u latio n   p r o g r a m s   h a v b e en   u s ed   to   s i m u late   th e   s y s te m P SIM / Si m u li n k   co n tai n ed   th W E C S   p o w er   cir cu it,  an d   Ma tlab /Si m u lin k   h ad   th co n tr o s y s te m   an d   o p ti m iza tio n   tec h n iq u e.   T h w i n d   tu r b i n e   ch ar ac ter is tic s   ar s h o w n   in   T ab le  1 ,   an P MSG  p ar a m et er s   ar e   i n   T ab le  2   [ 30 ].   T o   g et  th e   b est   li n k a g e   b et w ee n   t h Si m u li n k   an d   P S I s i m u lat io n ,   t h s a m p li n g   ti m f o r   t h s i m u latio n   w as   t ak en   5 μ s ,   th to tal  s i m u lat io n   ti m w a s   ta k e n   0 . 2 s ,   an d   r u n g   k u tt a   f i x ed   s tep   s o lv er   w er u s ed .   A ls o ,   s tep   ch an g f r o m   1 2   m / s   to   1 8   m / s   in   w i n d   s p ee d   w a s   i m p le m en ted   o n   th s y s te m   to   s tu d y   t h r esp o n s e.   T h t w o   o p ti m izatio n   tech n iq u es   w er i m p le m e n ted   o n   t h s y s te m   to   f in d   t h co n tr o ller   p ar am eter s ,   w h ic h   w o u ld   lead   to   th g o al  o f   d eliv er ed   p o w er   o p ti m izati o n .   T h s ettin g s   f o r   th MB A   an d   HSO  ar s h o w n   i n   T ab les  3   an d   4   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:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o vin g   th d elive r ed   p o w e r   q u a lity fro W E C S   to   th g r id …  ( S h ima a   A .   Hu s s ien )   6357   T ab le  1 .   W in d   tu r b in m o d el   p ar am eter s   P a r a me t e r     V a l u e   N o mi n a l   o u t p u t   p o w e r   1 9   k w   B a se   w i n d   sp e e d   1 2   m/ s   B a se   r o t a t i o n a l   sp e e d   1 9 0   r p m   M o me n t   o f   i n e r t i a   1   m   P i t c h   a n g l e   o f   b l a d e     0◦     T ab le  2 .   P MSG  m o d el   p ar am e ter s   P a r a me t e r   V a l u e     ( st a t o r   r e si st a n c e )   1   m       ( i n d u c t a n c e   o f   d - a x i s)   1   m       ( i n d u c t a n c e     o f   q - a x i s)   1   m   P   ( n u mb e r   o f   p o l e s)   30   M o me n t   o f   i n e r t i a   1 0 0   m         T ab le  3 C o n tr o l p ar am eter s   o f   MB A   P a r a me t e r   V a l u e   N o .   o f   sh r a p n e l   p i e c e s   50   R e d u c t i o n   f a c t o r   1 . 5   N o .   o f   f u n c t i o n   e v a l u a t i o n s   1 0 , 0 0 0   N o .   o f   i t e r a t i o n s   1 0 0     T ab le  4 C o n tr o l p ar am eter s   o f   HSO   P a r a me t e r   V a l u e   H a r mo n y   me mo r y   ( H M )   50   H a r mo n y   me mo r y   c o n si d e r i n g   R a t e   ( H M C R )   0 . 9   P i t c h   a d j u st i n g   r a t e   ( P A R )   B a n d   w i d t h   0 . 1 - 0 . 9   0 . 0 0 1 - 1   N o .   o f   i t e r a t i o n s (N I )   200         Fig u r 7   ( s ee   i n   ap p en d ix )   p r esen t s   t h s i m u latio n   r es u lts   f o r   th s y s te m   u s in g   t h MB A   w it h   1 2   m / s   s p ee d .   W h en   t h s p ee d   in c r ea s ed   w i th   6   m / s ,   t h s y s t e m   s h o w ed   g o o d   r esp o n s w it h   th at   ch a n g e.     T h s i m u la tio n   r esu lts   f o r   t h s y s te m   w i th   H SO  tech n i q u ar s h o w n   in   Fi g u r 8   ( s ee   in   ap p en d ix ) ,   co n s id er in g   t h e   s a m co n d itio n s .   T h s y s te m   q u an t ities   p o w er   a n d   t h a v er ag e   p o w er   d eliv er ed   to   t h g r id   (P o ,   A v g.  P o ) ,   th w i n d   t u r b in s p ee d   a n d   t h m ec h an i ca to r q u e   (N m   ,T em ) ,   th e   t h r ee - p h ase   g e n er ato r   ter m i n al  cu r r en t ,   th t h r ee - p h ase  g r id   s id cu r r en t,  an d   th dc - li n k   v o ltag e   w er ev alu a ted .   Fig u r 9   illu s tr ates  th d i f f er e n ce   b et w ee n   th p o w er   cu r v es  w it h   MB A   an d   HSO  tech n iq u es.  T h MB A   r esp o n s h a s   less   m a x   p o s iti v e   an d   n e g ati v o v er   s h o o an d   r ea ch es  t h s tead y   s tate  f a s th a n   HS O   tech n iq u as  w ell.   Fig u r 1 0   d ep icts   th DC   li n k   v o ltag w i th   MB A   a n d   HSO  t ec h n iq u es [ 3 1 ] .   C o m p ar in g   b et w ee n   t h t w o   s y s te m s   r esp o n s es,  it  co u ld   b n o ticed   th at  th m ain   c h an g ap p ea r ed   in   th D C   li n k   v o ltag e   cu r v a n d   th p o w er   d eliv er ed   c u r v e.   Als o ,   t h s y s te m   r esp o n s e   o s cillated   w it h   HSO   tech n iq u an d   h ad   m a x   o v e r s h o o o f   6 3 5 V.   T h MB A   tech n iq u r esp o n s w as  b etter   s in ce   i h ad   6 1 0 V   m ax   o v er s h o o an d   th er w a s   n o   o s cillatio n .   Fro m   th o s e   r esu lts ,   it  m i g h b s u g g est ed   th at  th u s o f     th p r o p o s ed   tech n iq u w it h   t h i m p ele m e n taio n   o f   th MB A   w o u ld   b ab le  to   g iv b etter   r esu lts .           Fig u r 9 .   T h e   p o w er   d eliv er ed   to   g r id   f o r   th t w o   tech n iq u es   Fig u r 10 .   T h e   DC   lin k   v o ltag f o r   th t w o   tech n iq u es       4.   CO NCLU SI O N   A   P MSG  u s ed   i n   W E C co n n ec ted   to   g r id   h a s   b ee n   s i m u l ated .   Ma tlab /Si m u li n k   s o f t w a r p ac k ag w a s   u s ed   to   s i m u late  t h co n t r o ller   an d   o p tim izatio n   tech n i q u e,   an d   th P SIM   s o f t w ar p ac k ag w a s   u s ed   to   s i m u late  t h p o w er   cir c u its   a n d   p o w er   co n v er ter .   T h p r o p o s ed   s y s te m   co n tai n ed   d ir ec t - d r iv e n   tu r b i n e   w it h o u g ea r b o x   a n d   an   u n co n tr o lled   g en er ato r   s id co n v er ter   t h at  w a s   u s ed   to   co v er th o u tp u o f     th g en er ato r   to   DC   p o w er .   A   f u ll y   co n tr o lled   in v er ter   w a s   u s ed   to   co v er th D C   p o w e r   in   th e   DC   lin k   to   AC   p o w er   t h at  w o u ld   b d eliv er ed   to   th g r id .   A   PI   co n tr o ller   w as  u s e d   to   g en er ate  t h in v er ter   s w itc h es   f ir in g   a n g les  u s i n g   P W M,   w h ich   p ar a m eter s   co u ld   b m o d if ied   to   g et  t h o p ti m u m   w a v e   f o r m   d eli v er ed   to   th g r id .   T w o   o p ti m izatio n   tech n iq u es - MB A   an d   HSO - w er i m p le m e n ted   o n   th co n tr o ll er   an d   th eir   r esu lts   w er co m p ar ed .   T h MB A   tech n iq u r es u lts   w er b etter   as  th e y   h ad   les s   m a x i m u m   o v er s h o o an d   les s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0     6 3 4 9   -   6 3 6 0   6358   s ettli n g   ti m th a n   t h e   r esu lts   o f   t h HSO   tech n iq u e.   I n   co n cl u s io n ,   it   co u ld   b r ec o m m e n d ed   to   u s e   t h MB A   tech n iq u e   w it h   t h p r o p o s ed   s y s te m   to   g et  t h b est  co n tr o ller   p ar am eter s   th a g et  th b est  w av f o r m   f o r     th p o w er   d eliv er ed   to   th g r i d .       AP P E NDI X           Fig u r 7 .   MB A   tech n iq u s i m u latio n   r es u lt s   ( a )   T h p o w er   d eliv er ed   to   th g r id   an d   its   a v er ag e ,     ( b )   T h tu r b in s p ee d   an d   m ec h an ica l to r q u e ,   ( c )   T h r ee - P h as g en er ato r   cu r r en t ,   ( d )   T h r ee - P h ase  g r id   s id cu r r en t a n d   ( e )   DC   v o lta g o f   D C   lin k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.