I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b er   20 25 ,   p p .   5 0 9 1 ~ 5 1 0 5   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 6 . pp 5 0 9 1 - 5 1 0 5           5091       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   No nlinea r  ba ckst epping  and mo del  predic tive con t ro l f o r grid - co nnected   perma nent  ma g net  sy nc hro no us g enerato r   wind   turbines       Adil E l  K a s s o um i 1 ,   M o ha m ed  L a m ha m di 1 ,   Ahm ed  M o uh s en 2 ,   M o ha m m ed  F da ili 3 ,   I m a d Abo ud ra r 4 ,  Aze dd ine  M o uh s en 1   1 D e p a r t me n t   o f   R a d i a t i o n - M a t t e r   a n d   I n st r u me n t a t i o n ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e s   a n d   T e c h n o l o g y   S e t t a t ,   H a ss a n   F i r st   U n i v e r si t y ,     S e t t a t ,   M o r o c c o   2 D e p a r t m e n t   o f   E n g i n e e r i n g ,   I n d u s t r i a l   M a n a g e m e n t   a n d   I n n o v a t i o n ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e s   a n d   T e c h n o l o g y   S e t t a t ,   H a ss a n   F i r st   U n i v e r s i t y ,   S e t t a t ,   M o r o c c o   3 R e s e a r c h   C e n t e r   i n   S c i e n c e s  a n d   Te c h n o l o g i e s  o f   E n g i n e e r i n g   a n d   H e a l t h ,   N a t i o n a l   H i g h e r   S c h o o l   o f   A r t s  a n d   C r a f t s  M o h a m me d   V   U n i v e r si t y ,   R a b a t ,   M o r o c c o   4 En g i n e e r i n g   a n d   S u s t a i n a b l e   D e v e l o p me n t   R e sea r c h   Te a m,   EST  o f   D a k h l a   I b n   Z o h r   U n i v e r si t y ,   A g a d i r ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   3 1 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Au g   1 1 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Sep   1 5 ,   2 0 2 5       Th is  re se a rc h   i n v e sti g a tes   a n d   c o m p a re s  tw o   n o n li n e a r  c u rr e n t - c o n tr o l   stra teg ies ,   b a c k ste p p i n g   c o n tro l  (BS C)  a n d   fi n it e   c o n tr o l  s e t  m o d e l   p re d ictiv e   c o n tr o l   (F CS - M P C)  f o r  m a c h in e - sid e   a n d   g ri d - sid e   c o n v e rter s     in   g ri d - c o n n e c ted   d irec t - d r iv e   p e rm a n e n t  m a g n e t  sy n c h r o n o u s   g e n e ra to r     (DD - P M S G )  win d   tu r b in e s.   Ad d re ss in g   th e   c o n tr o l  c h a ll e n g e s   in   win d   e n e rg y   s y ste m s  with   v a ry i n g   s p e e d s,  th e   st u d y   a ims   to   d e term i n e   wh ich   stra teg y   o ffe rs  s u p e rio r   p e rf o rm a n c e   u n d e r  id e n t ica l  o p e ra ti n g   c o n d it io n s .   Th e   n o n li n e a r  BS C  re g u late s  sta t o r  a n d   g ri d   c u rre n ts  u sin g   Ly a p u n o v - b a se d   tec h n iq u e s,  wh il e   F C S - M P C  le v e ra g e s  m o d e l  p re d icti o n s  t o   se lec t  o p ti m a l   sw it c h in g   sta tes   b a se d   o n   a   c o st  f u n c ti o n .   A  c o m p re h e n si v e   sim u latio n   u sin g   M ATLAB/S imu li n k   is  c o n d u c t e d ,   a n a ly z in g   e a c h   c o n tr o ll e r’s   tran sie n t   b e h a v i o r,   ste a d y - sta te  re sp o n se ,   to rq u e   rip p le,  a n d   p o we r  q u a li ty   to ta l   h a rm o n ic  d ist o rti o n   (THD).  Re su lt s  sh o w  t h a t  F CS - M P C  a c h ie v e s  fa ste r  c o n v e rg e n c e ,   lo we r  o v e rsh o o t,   a n d   su p e rio r  p o we r  q u a li t y   c o m p a re d   to   BS C,   th o u g h   it   re q u ires   h ig h e r  c o m p u tati o n a l  re so u rc e s.  S tatisti c a l   v a li d a ti o n   su p p o rts  t h e   r o b u stn e ss   o f   F CS - M P C  u n d e r   p a ra m e ter  u n c e rtain ti e s.  Th i s   wo rk   c o n tri b u tes   a   stru c tu re d   c o m p a ri so n   o f  a d v a n c e d   n o n li n e a r  stra teg ies   fo r  P M S G - b a se d   win d   t u rb i n e s  a n d   p ro v i d e s  a   fo u n d a ti o n   fo r  f u tu r e   imp lem e n tatio n s   in   re a l - ti m e   e m b e d d e d   c o n tr o l  s y ste m s.  F u tu re   d irec ti o n s   in c lu d e   e x p e rime n tal  v a li d a ti o n   a n d   h y b rid   m o d e l  p re d icti v e   c o n tro ll e r - a rti ficia l  in telli g e n c e   ( MPC - AI )   c o n tr o l  fra m e wo rk s.   K ey w o r d s :   B ac k s tep p in g   co n tr o l   Dir ec t - d r iv e  p e r m an en t   m ag n et  s y n ch r o n o u s   g e n er ato r   Fin ite  co n tr o l set m o d el  p r ed ictiv e  co n tr o l   No n lin ea r   b ac k s tep p in g   W in d   tu r b in e   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ad il E l  Kass o u m i   Dep ar tm en t o f   R ad iatio n - Ma tter   an d   I n s tr u m en tatio n ,   Facu lt y   o f   Scien ce s   an d   T ec h n o lo g y   Settat,  Hass an   First Un iv er s ity   B P 5 7 7 ,   Settat,  Mo r o cc o   E m ail:  a. elk ass o u m i@ u h p . ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   I n   r ec e n t  y ea r s ,   th e  im p er ativ e   tr an s itio n   to war d s   s u s tain ab le  en er g y   p r ac tices  h as  f u eled   i n teg r atin g   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s   in to   elec tr ical  s y s tem s ,   m ar k in g   a  p ar ad ig m   s h if t  in   th e  g lo b al   en er g y   lan d s ca p e.   Am o n g   th ese  s o u r ce s ,   win d   e n er g y   s tan d s   o u t  as  a  p r o m in e n t  co n tr ib u t o r ,   h ar n ess in g   th e  p o wer   o f   th e  win d   to   g en er ate   elec tr icity   clea n l y   an d   ef f icien tly   [ 1 ] .   T h is   p ap er   d elv es  in to   th e   d o m ain   o f   win d   en er g y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 0 9 1 - 5 1 0 5   5092   co n v er s io n ,   f o cu s in g   o n   g r id - co n n ec ted   d ir ec t - d r iv e  p er m a n en t  m ag n et  s y n ch r o n o u s   g en er ato r   ( DD - PMSG )   as  a  k ey   s o lu tio n   in   th is   tr an s f o r m ativ e  e r a.   Ho we v er ,   th e  g r id - in teg r atio n   o f   r e n ewa b le  p o wer   s o u r ce s   p o s es  s ig n if ican t  ch allen g es,  in cl u d in g   d y n a m ic  s tab ilit y ,   p ar am eter   v ar iatio n ,   an d   g r id   s y n ch r o n izatio n   r eq u ir em e n ts ,   wh ich   d em a n d   s o p h is ticated   co n tr o l stra teg ies.   Mo r o cc o ,   lik e  m an y   n atio n s ,   h as  em b r ac e d   th e   p o ten tial  o f   win d   e n er g y   to   d i v er s if y   its   e n er g y   m i x   an d   r ed u ce   d ep e n d en ce   o n   c o n v en tio n al  f o s s il  f u els  [ 2 ] .   Data   r ec en tly   co llected   b y   th e  Min is tr y   f o r   th e   T r an s itio n   to   E n er g y   a n d   Su s tain ab le  Dev elo p m en t,  th e  n a tio n ' s   win d   p o wer   ca p ac ity   h as  in cr ea s ed   at  an   asto u n d in g   r ate.   T h e  R E m ap   r ep o r t  p u b lis h ed   in   No v em b e r   2 0 2 3   s tates  th at  Mo r o cc o ' s   t o tal  in s talled   win d   ca p ac ity   s to o d   at  2 . 1 6   GW   with   an   am b itio u s   o b jectiv e  to   r ea ch   5 . 8   GW   b y   2 0 3 0   [ 3 ] .   T h is   s ig n if ican t   co n tr ib u tio n ,   wh ich   cu r r en tly   r ep r esen ts   ap p r o x im ately   1 8 %  o f   th e  co u n tr y ' s   to tal  el ec tr icity   g en er atio n   ca p ac ity ,   u n d e r s co r es  Mo r o cc o ' s   co m m itm en t  to   ac h iev in g   its   r en ewa b le  en er g y   tar g ets  an d   alig n s   with   its   p lan s   to   f u r t h er   ex p an d   its   win d   p o wer   ca p ab ilit ies  [ 4 ] .    E n s u r in g   o p tim al  p er f o r m a n ce   an d   s tab ilit y   o f   s u ch   g e n er ato r s   r eq u ir es  s o p h is ticated   co n tr o l   s tr ateg ies  f o r   b o th   th e  m ac h i n e - s id e  co n v er ter   ( MSC )   an d   th e   g r id - s id e  co n v er ter   ( G SC ) .   T h is   r esear ch   f o cu s es  o n   a d v an ci n g   th e   u n d er s tan d in g   o f   cu r r en t  c o n tr o l   t ec h n iq u es  in   th e  co n tex t  o f   D D - PMSG  s y s tem s ,   em p lo y in g   f iled   an d   v o ltag e - o r ien ted   co n tr o ls   [ 5 ] .   T h e   ac ad em ic  liter atu r e  r ev ea ls   a  p r o g r ess iv e  ev o lu tio n   in   co n tr o l  tech n i q u es  f o r   p er m an en t  m ag n et  s y n ch r o n o u s   g en er ato r   ( PMSG )   s y s tem s .   E ar ly   s tu d ies  p r ed o m i n an tly   f o cu s ed   o n   v e cto r   co n tr o l  m eth o d s ,   in clu d i n g   f ield - o r ie n ted   c o n tr o l   ( FOC )   an d   d ir ec t  to r q u e   co n tr o l   ( DT C ) .   T h ese  ap p r o ac h es  p r o v id ed   f o u n d atio n al  in s i g h ts   in to   co n tr o llin g   to r q u e  a n d   f lu x   e f f ec tiv ely ,   wh ich   ar e  cr itical  f o r   th e  ef f i cien t  o p er atio n   o f   PMSGs .   F o r   ex am p le,   FOC   an d   DT C   estab lis h ed   co n tr o l   m ec h an is m s   th at  im p r o v ed   th e  ac cu r ac y   an d   ef f icie n cy   o f   PMSG  s y s tem s ,   th o u g h   th ey   en co u n ter e d   ch allen g es  s u ch   as  to r q u e   r ip p les  an d   v a r iab le  s witch in g   f r eq u en cies  [ 6 ] .   W ith   th e   g r o win g   in teg r atio n   o f   PMSGs   in to   g r id - co n n ec ted   r e n ewa b le  en er g y   s o u r ce s ,   r esea r ch   p r io r ities   s h if ted   to war d   g r id   s y n ch r o n izatio n   an d   p o wer   q u ality   en h a n ce m e n t.  T h is   tr a n s itio n   em p h asized   th e  r o le  o f   r ea ctiv e  p o wer   co n tr o l  in   m ain tain i n g   g r id   s tab ilit y   an d   m itig atin g   d is tu r b an ce s .   Pro p o r tio n al - i n t eg r al  ( PI)   co n t r o ller s   h av e   b e en   wid ely   a d o p te d   d u e  to   th eir   s im p licity   an d   s tead y - s tate  p er f o r m an ce ; h o wev er ,   th eir   lim itatio n s   u n d e r   d y n am ic  co n d itio n s   an d   p ar am eter   v a r iatio n s   ar e  well - d o cu m e n ted   [ 7 ] ,  [ 8 ] .   Ad v a n c e d   co n t r o l   m et h o d o l o g ies,   l ik e  s li d i n g   m o d e   c o n tr o l   ( S MC)   a n d   b ac k s t e p p in g   c o n tr o l ,   h a v e   b e en   i n v esti g ate d   t o   o v e r c o m e   th e  co n s t r ai n ts   o f   t r a d i ti o n al   co n t r o ll er s .   S MC  is   r ec o g n ize d   f o r   its   r o b u s t n ess   ag ai n s t   s y s te m   u n c er tai n t ies   a n d   e x te r n al   d is tu r b a n c es  b u t   s u f f e r s   f r o m   c h atte r i n g   e f f ec ts ,   p o te n ti all y   im p ac ti n g   g e n e r a to r   s ta b il it y   [ 7 ] – [ 1 2 ] .   B ac k s t ep p i n g   c o n tr o l ,   w h il e  o f f er in g   s ta b i lit y   g u a r a n t ee s ,   b e co m es   co m p u tati o n a ll y   c o m p l e x   as   s y s te m   o r d er s   i n cr ea s e .   Si m il a r ly ,   a r ti f ic ial   in tel li g e n c e   ( AI )   b as ed   m e th o d s   s u c h   as  f u z z y   l o g ic  an d   n e u r a l  n et wo r k s   h av e  b e en   em p l o y e d   to   cr ea t e  a d a p t iv e  c o n t r o l  l aws ,   b u t  t h e ir   r e lia n ce   o n   ex t e n s i v e   t r a in in g   d a ta   an d   c o m p u t ati o n al   r eso u r c es   m ak es   t h e m   less   s u i te d   f o r   r e al - ti m e   c o n tr o l   a p p lic ati o n s   [ 1 3 ] .   AI - d r iv en   co n tr o l  m eth o d o lo g ies,  in clu d in g   f u zz y   lo g ic  s y s tem s   an d   n eu r al  n etwo r k s   ( NN) ,   an d   d ee p   r ein f o r ce m e n t  lear n in g   ( DR L )   ar e  g ain in g   in cr ea s in g   atten tio n   in   win d   tu r b in e  c o n tr o l  d u e  to   t h eir   ad ap tab ilit y   an d   d ata - d r iv en   n atu r e.   T h ese  m eth o d s   ca n   lear n   co m p lex   n o n lin ea r   r elat io n s h ip s ,   ad ap t  to   ch an g in g   co n d itio n s ,   an d   en h a n ce   co n tr o l  r o b u s tn ess .   W h ile  th ey   o f f er   p r o m is in g   alter n ativ es  to   co n v e n tio n al   o p tim izatio n - b ased   tech n iq u e s   lik e  p ar ticle  s war m   o p tim i za tio n   ( PSO )   an d   g en etic  alg o r ith m   ( GA )   [ 1 4 ] ,  wh ich   o f ten   s u f f er   f r o m   lo ca l  o p tim a  an d   h ig h   co m p u tatio n al  co s ts ,   AI   m eth o d s   also   p r esen t  ch allen g es   r elate d   to   tr ain in g   d ata   r eq u i r em en ts ,   r ea l - tim e  d ep lo y m en t ,   an d   h ar d war e  c o m p atib ilit y   [ 1 5 ] .   T o   p r o v id e   a   clea r er   o v e r v iew  o f   co n t r o l  s tr ateg ies,  T ab le  1   p r esen ts   a  c o m p ar ativ e  a n aly s is   b ased   o n   k ey   cr iter ia  s u c h   as   ac cu r ac y ,   r o b u s tn ess ,   co m p u tatio n al  d em a n d ,   an d   r ea l - tim e   f ea s ib ilit y .   T h is   c o m p ar is o n   h ig h lig h ts   th e   tr ad e - o f f s   b etwe en   tr a d itio n al,   o p tim izatio n - b ased ,   a n d   in tellig en t c o n tr o l m eth o d s .   Desp ite  ad v an ce m en ts   in   co n tr o l  s tr ateg ies  f o r   g r id - c o n n ec ted   PMSG  win d   tu r b in es,  ch allen g es   r em ain   with   class ical  PI  co n tr o ller s ,   an d   ad v an ce d   m eth o d s   lik e  b ac k s tep p in g   an d   m o d el   p r e d ictiv e  co n tr o l   ( MPC )   f ac e  lim itatio n s .   W h ile  b ac k s tep p in g   co n tr o l  o f f er s   r o b u s tn ess   f o r   n o n li n ea r   s y s tem s ,   its   co m p u tatio n al  co m p lex ity   ca n   h in d er   im p lem e n tatio n   in   h ig h er - o r d e r   s y s tem s .   On   th e   o th er   h an d ,   MPC   p r o v id es  s tr o n g   p er f o r m a n ce   i n   h an d lin g   m u lti - v ar iab le  co n s tr ain ts   b u t  s tr u g g les  with   its   r elian ce   o n   ac cu r ate  m o d els  an d   h ig h   c o m p u tatio n al  d em an d s ,   lim itin g   r ea l - tim e   ap p licab ilit y .   T h ese  g ap s   u n d er s co r e  th e  n ee d   f o r   a  d etailed   co m p ar is o n   o f   B ac k s tep p in g   an d   MPC   s tr ateg ies,  f o cu s in g   o n   th eir   t r ad e - o f f s   in   r o b u s tn ess ,   co m p u tatio n al  e f f icien cy ,   an d   ad ap tab ilit y   f o r   d y n am ic  g r i d - co n n ec ted   PMSG  s y s tem s .   T h is   r esear ch   aim s   to   ad d r ess   th ese  g ap s   th r o u g h   a   c o m p ar ativ e  a n aly s is   o f   b o t h   co n tr o l m eth o d s .   T h is   r esear ch   p ap er   is   m eth o d ically   s tr u ctu r ed   to   p r o v id e   a  t h o r o u g h   ex am i n atio n   o f   cu r r e n t  co n t r o l   s tr ateg ies  in   DD - P MSG s .   Sec tio n   1   th e  in tr o d u ctio n ,   u n d er s co r es  th e  cr itical  n ee d   f o r   p r e cise  cu r r en t  co n tr o l   in   DD - PMSGs ,   cr itiq u es  th e   l im itatio n s   o f   co n v en tio n al  an d   ad v an ce d   co n tr o l  m eth o d s ,   wh ile  also   o u tlin in g   th e  r esear ch   o b jectiv es  an d   co n tr ib u tio n s .   I n   s ec tio n   2   th e  p ap er   d elin ea tes  th e   ar ch it ec tu r e  o f   th e  win d   tu r b in e  s y s tem   ( W T S ) ,   in cl u d in g   k ey   c o m p o n en ts   an d   th eir   in ter ac tio n s .   T h is   s ec ti o n   p r o v i d es   a  d e tai le 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 - 8 7 0 8         N o n lin ea r   b a ck s tep p in g   a n d   mo d el  p r ed ictive  co n tr o l fo r   g r id - co n n ec ted   …  ( A d il E l  K a s s o u mi )   5093   m at h e m a tic al   m o d el   o f   t h e   D D - PMS G,   e n c o m p ass i n g   s t at o r   v o lt ag e  an d   c u r r en t  eq u ati o n s ,   a n d   ex te n d s   t o   m o d eli n g   t h e   GSC - c o n n ec te d   g r i d .   S ec ti o n   3 ,   wh er e  it  in tr o d u ce s   a n d   a n al y ze s   t h e   c o n ce p t ,   th e  d esi g n   m et h o d o lo g y ,   t h e  s y s t em   s t ab ilit y ,   an d   p e r f o r m an ce   c h ar ac t er is tics   o f   t h e  p r o p o s e d   n o n l i n e ar   B a ck s te p p i n g   co n t r o ll er .   T h e  p a p e r   th e n   p r o g r ess es   t o   s e cti o n   4 ,   w h ic h   e x p li ca t es  t h e  p r in ci p les   o f   MPC ,   t h e   im p le m e n ta ti o n   an d   t h e  d esi g n   p r o c ess es  o f   f i n it e  c o n t r o l  s e t  m o d el   p r e d i cti v e  c o n tr o l   ( FC S - MPC ) .   B esi d es  its   co m p u tat io n al   co m p le x it y   a n d   p er f o r m a n ce   ef f i ca c y .   T h is   is   f o ll o we d   b y   s ec ti o n   5   d esc r i b es  th e  s i m u lat io n   s et u p   a n d   p r ese n ts   r es u lts   f o r   v ar io u s   s y s te m   c o n d iti o n s ,   f ac ilit ati n g   a   c o m p ar ati v e   p e r f o r m a n c e  an al y s is   o f   t h e   tw o   co n t r o l  s t r a te g ies .   T h e  p a p e r   en d s   w it h   a  c o n cl u s i o n ,   w h e r e  it  s y n t h esi ze s   th e  k e y   f i n d i n g s ,   em p h asi ze s   th e   co n t r i b u ti o n s   o f   t h e   r ese ar c h ,   d is c u s s es  t h e   p o te n ti al  r ea l - w o r l d   ap p l ica ti o n s   o f   t h e   p r o p o s e d   co n t r o l  s tr at eg ies ,   an d   p r o p o s es  f u t u r e  r es ea r c h   d ir e cti o n s   f o r   t h e   a d v a n ce m e n t   o f   PMS G  co n t r o l   te c h n iq u es .       T ab le  1 .   C o m p a r ativ e  tab le  o f   co n tr o l stra teg ies   C o n t r o l   t e c h n i q u e s   A c c u r a c y   R o b u st n e ss   C o m p u t a t i o n a l   c o m p l e x i t y   R e a l - t i me  f e a si b i l i t y   A d a p t a b i l i t y   t o     p a r a m e t e r   c h a n g e s   P I   c o n t r o l l e r   M o d e r a t e   Lo w   t o   m o d e r a t e   Lo w   Ex c e l l e n t   Lo w   B a c k s t e p p i n g   c o n t r o l   ( B S C )   H i g h   H i g h   M o d e r a t e   G o o d   M o d e r a t e   S M C   V e r y   h i g h   V e r y   h i g h   M o d e r a t e   t o   h i g h   M o d e r a t e   H i g h   F C S - M P C   V e r y   h i g h   H i g h   H i g h   R e q u i r e s  o p t i m i z a t i o n   H i g h   AI - b a se d   c o n t r o l     ( e . g . ,   F u z z y / N N )   P o t e n t i a l l y   v e r y   h i g h   H i g h   ( i f   t r a i n e d   w e l l )   V e r y   h i g h   D e p e n d s  o n   h a r d w a r e   V e r y   h i g h       2.   DD - P M SG   WI ND  T U RB I N E   SYS T E M   M O DE L I NG     Fig u r e  1   illu s tr ates  th e  d esi g n   o f   th e   p r o p o s ed   W T S.  I t  ty p ically   e n co m p ass es  th r e e  p r im ar y   co m p o n en ts :  th e  win d   tu r b in e ,   a  DD - PMSG,  an d   a  p o wer   elec tr o n ic  in ter f ac e  f o r   g r id   c o n n ec tio n ,   wh ich   i n   th is   ca s e  in clu d es  a  b ac k - to - b a ck   co n v er ter   s y s tem   ( B B C S).   T h is   B B C S  is   e s s en tially   co m p o s ed   o f   two   p ar ts :  a  r ec tifie r   ( MSC )   an d   an   in v er ter   ( GSC ) ,   co n n ec ted   b y   a   DC   lin k .   I n   o r d er   f o r   t h e  DD - PMSG ’ s   v ar iab le - f r eq u e n cy   o u t p u t  to   b e  p r o p e r ly   tu r n e d   in to   th e  f ix e d - f r eq u en cy   en e r g y   n ee d ed   f o r   g r id   co m p atib ilit y ,   th is   s etu p   is   v er y   im p o r tan t.  T h e  m ac h in e - s id e  co n v er ter   is   r esp o n s ib le  f o r   tr an s f o r m in g   th e   alter n atin g   cu r r en t   ( AC )   p o wer   p r o d u ce d   b y   th e   PMSG  in to   d ir ec t  cu r r en t  ( DC )   p o wer .   Su b s eq u en tly ,   th e  g r id - s id e  co n v er ter   tak es  th is   DC   p o wer   a n d   in v e r ts   it  b ac k   in to   AC   p o wer ,   m a tch in g   th e   g r i d   f r eq u e n cy .   T h i s   p r o ce s s   is   cr u cial   f o r   t h e  r e g u latio n   o f   b o t h   ac t iv e  an d   r ea ctiv e   p o wer   an d   f o r   en s u r in g   s y n ch r o n izatio n   with   th e  g r id ,   t h u s   f ac ilit atin g   a  s tab le  an d   ef f icie n t in teg r atio n   o f   win d   en er g y   i n to   th e  elec tr ical  g r i d   s y s tem   [ 1 6 ] .           Fig u r e  1 .   T h e  s u g g ested   W T S ’ s   ar ch itectu r e       2 . 1 .     Wind   t urbin e  m o del   T h e  m ec h an ical  p o wer   e x tr ac t ed   b y   a   win d   tu r b in e  f r o m   th e   win d   ca n   b e   r ep r esen ted   u s in g   ( 1 )   [ 1 7 ] :     =   1 2  3 ( , )   ( 1 )     Air   d en s ity   is   d en o ted   b y   ,   A  r ep r esen ts   th e  tu r b in e  r o to r ’ s   s wep t  ar ea   = 2 ,    s ig n if ies  win d   s p ee d ,   ( , )   in d icate s   th e  p o wer   c o ef f icien t,    r ef er s   to   th e   b lad e  p itch   an g le,   an d     d en o tes th e  tip - s p ee d   r atio .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 0 9 1 - 5 1 0 5   5094   T h e  p o wer   co ef f icien t  ( , )   is   a   cr u cial  f ac to r   in   th is   eq u atio n ,   r ep r esen tin g   th e  ef f icien cy   o f   th e  win d   tu r b in e   in   co n v er tin g   win d   en er g y   in to   m ec h an ical  e n er g y   [ 1 8 ] .   T h at  is   co n d itio n al  o n   th e  tip - s p ee d - r atio   λ ,   wh ich   is   d ef in e d   as:     = Ω   ( 2 )     ( , ) = 1 2 ( 116 − 0 . 4 − 5 ) − 21 + 0 . 0068   ( 3 )     w ith :   1 = 1 + 0 . 08 − 0 . 035 1 + 3       Ω   r ep r esen ts   th e  r o t o r ’ s   an g u lar   v elo city ,   wh ile    is   its   r ad iu s .     2 . 2 .     DD - P M SG   m o del   I n   o r d e r   to   tr an s f o r m   win d   tu r b in e  m ec h an ical  en er g y   in to   e lectr ical  en er g y ,   th e  DD - PMSG m o d el  is   r eq u ir ed .   T h is   m o d el  in clu d e s   k ey   elec tr o m ag n etic  eq u ati o n s   an d   d y n a m ics  o f   th e  g e n er ato r .   T h e  s tato r   v o ltag e  eq u atio n s   in   th e  d - q   f r am e  ar e  [ 1 9 ] :       =  +   −    ( 4 )      =  +   −    ( 5 )     w h er e   t h e   d - a x is   an d   q - a x is   p ar ts   o f   s tato r   v o ltag e   ar e   ca lle d      an d    ,   r esp ec tiv ely .   T h e   d - a x is   an d   q - ax is   p ar ts   o f   th e  s tato r   cu r r e n t  ar e  ca lled      an d    .   T h e  d - ax is   an d   q - ax is   p ar ts   o f   s tato r   f lu x   lin k a g e  ar e  ca lle d      an d    ,   r esp ec tiv ely .   T h e   s tato r   r esis tan ce   is   d en o ted   b y   .   T h e   s tato r ’ s   elec tr ical  a n g u lar   v el o city   is   d en o ted   b y   .   T h e  f o llo win g   ar e  th e  f lu x   lin k ag e   eq u atio n s :      =  +   ( 6 )      =    ( 7 )     w h er e     an d     ar e  th e   in d u ctan c es  o f   th e  s tato r ’ s   d - ax is   a n d   q - ax is .   T h e  p er m an e n t  m a g n et  f lu x   lin k a g e  is   d en o ted   b y   .   W e  ca n   f ig u r e  o u t  th e  s tato r   c u r r en t  b e h av io r   f r o m   th ese  m o d els.  B y   s witch in g   th e  v o ltag e   eq u atio n s   ar o u n d   an d   ad d in g   th e  f lu x   c o u p lin g   e q u atio n s   in s tead ,   we  g et:        = 1 (  −  +   ) −   ( 8 )        = 1 (  −  +   )   ( 9 )     A  cr u cial  elem en t o f   en er g y   c o n v er s io n ,   th e  elec tr o m a g n eti c  to r q u e  ca n   b e  ca lc u lated   as:      = 2 3 (   −   )   (1 0 )     T h e  d y n am ic  b eh a v io r   o f   th e  g en er ato r   is   ex p lain ed   b y   (1 1 ) :     Ω  = ℎ −  − Ω     (1 1 )     T h e  elec tr o m a g n etic  to r q u e  i s   in d icate d   b y    ,   an d     s tan d s   f o r   th e  g en er at o r ’ s   n u m b er   o f   p o l e   p air s ,   th e  g en er at o r ’ s   m o m e n t  o f   in er tia  is   d en o ted   b y   ,   T h e  d am p i n g   co e f f icien t,  w h ich   r ep r esen ts   m ec h an ical  lo s s es,  is   r ep r esen ted   b y   ,   wh er ea s   th e  tu r b in e  to r q u e  is   r ep r esen ted   b y   ℎ .     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 - 8 7 0 8         N o n lin ea r   b a ck s tep p in g   a n d   mo d el  p r ed ictive  co n tr o l fo r   g r id - co n n ec ted   …  ( A d il E l  K a s s o u mi )   5095   2 . 3 .     DC  lin k   m o delin g   T h e  r ec tifie r   an d   th e  in v er ter   a r e  co n n ec te d   b y   th e  DC   lin k .   T h e  DC   lin k   v o ltag e  is   g iv e n   b y   [ 2 0 ] :      = 1  ∫ (  −  )    (1 2 )     T h e  DC   lin k ' s   ca p ac itan ce   is   r ep r esen ted   b y    .  T h e  r ec tifie r   cu r r e n t  is    .  T h e  in v er ter   cu r r en t  o n   th e     d - ax is   is   d en o ted   b y    .       2 . 4 .     G rid - s ide c o nv er t er   ( inv er t er )   m o del   T h e  in v er te r   co n v er ts   DC   p o wer   b ac k   t o   AC   f o r   g r id   i n ter co n n ec tio n   v ia  R L   f ilter .   T h e  g r id   v o ltag e   eq u atio n s   in   th e     f r am e  a r e  [ 2 1 ] :      =  −  −   +    (1 3 )    =  −  −   −    (1 4 )     Her e,   th e  d - ax is   an d   q - ax is   co m p o n e n ts   o f   th e  in v er ter   v o ltag e  ar e  d en o te d   b y      an d    ,   r es p ec tiv ely ,   th e   d - ax is   an d   q - ax is   c o m p o n en t s   o f   t h e  in v er ter   cu r r en t  a r e  d en o ted   b y   th e      an d    ,    an d     ar e   th e   r esis tan ce   an d   in d u ctan ce   o f   t h e  f ilter ,   an d   is   th e  elec tr ical  a n g u lar   v elo city   o f   th e  g r id .     3.   NO NL I N E AR  B ACK S T E P P I NG   CO NT RO L   O F   T H E   DD - P M SG   WI ND  T U RB I N E   C o n tr o llin g   th e  MSC   an d   t h e  GSC   is   a  v er y   im p o r ta n t  p ar t  o f   m a k in g   s u r e  th at  a  wi n d   en er g y   co n v er s io n   s y s tem   ( W E C S )   s y s tem   wo r k s   well  a n d   ef f icien tly .   Fo r   t h e  MSC ,   its   k ey   f u n c tio n   is   to   m ax im ize   win d   en er g y   ca p tu r e.   T h is   is   ac h iev ed   b y   im p le m en tin g   m a x im u m   p o wer   p o in t tr ac k in g   ( MPPT)   b ased   o n   th e  g en er ato r ' s   s p ee d ,   alo n g s id e  m an ag in g   t o r q u e  o r   p o wer   c o n tr o l.  C o n v er s ely ,   th e  GSC   is   r esp o n s ib le  f o r   a   r an g e  o f   cr itical  f u n ctio n s :  it  r eg u lates  th e  v o ltag e  o f   th e  D C   b u s ,   m an ag es  th e  g r id ' s   r ea ctiv e  p o wer ,   en s u r es   g r id   s y n c h r o n izatio n ,   a n d   m a in tain s   o p er atio n   d u r in g   g r id   f au lts   ( f au lt  r id e - th r o u g h   ( FR T ) )   [ 2 2 ] .   A  ty p ica l   co n tr o l sch em e  u s in g   a  n o n lin ea r   b ac k s tep p in g   s tr ateg y   is   g i v en   in   Fig u r e  2 .           Fig u r e  2 .   No n lin ea r   b ac k s tep p in g   co n tr o l  f o r   MSC   an d   GSC       3 . 1 .     M SC c o ntr o l by   no nli nea r  ba ck s t eppin g   ba s ed  o n  o ptim a l t o rque  co ntr o l  M P P T   T h e  o b jectiv e  o f   th e  MSC   i s   t o   co n tr o l  th e  PMSG  to   ex tr ac t   m ax im u m   p o wer   f r o m   th e  win d .   T h is   is   ac h iev ed   b y   a d ju s tin g   th e  t o r q u e  o f   th e  g en er at o r .   Op tim al   to r q u e   co n tr o l  ( OT C )   is   im p l em en ted   f o r   MPPT.   T h e  o p tim al  to r q u e   r ef er e n ce   (  )   is   d e r iv ed   b ased   o n   th e  wi n d   s p ee d   an d   th e   ch ar a cter is tics   o f   th e   win d   tu r b in e.     B ased   o n   t h e  c o n n ec t i o n   b etw ee n   wi n d   s p ee d     a n d   th e  t ip   s p ee d   r ati o   ,   a n d   b y   s u b s t it u ti n g     wit h   its   o p ti m al   v al u e     a n d   eq u ati n g   t h e   p o w er   c o ef f i cie n t       to   i ts   m ax i m u m   v al u e         [ 2 3 ] ,   we   d e r i v e   (1 5 ) :        = 1 2  5     3   (1 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 0 9 1 - 5 1 0 5   5096   T h u s ,   th e  r e f er en ce   f o r   elec tr o m ag n etic  to r q u e,   d e n o ted   as     ,   is   f o r m u lated   in   th e  f o llo win g   m an n er :        =    Ω 2   (1 6 )     T h e  r ef er e n ce   cu r r en ts   ar e  d e f in ed   as:     {    ∗ = 0                                                      ∗ = 2 3 1    ∗   (1 7 )     3 . 2 .   M SC c o ntr o l us ing   no nli nea r  ba ck s t eppin g   a pp ro a ch   Fro m   Fig u r e  2 ,   it  ca n   b e  s ee n   th at  th e  s tato r   cu r r en ts   ca n   b e  co n tr o lled   b y      an d    ,   h en ce   th e   s tato r   cu r r en ts   er r o r s   ar e  ex p r e s s ed   as  [ 2 4 ] :     { =  ∗ −  =  ∗ −    (1 8 )     w h er e   ∗   an d    ∗   ar e  th e  cu r r e n t c o m p o n e n t r ef er e n ce s .   B ased   o n   ( 1 7 )   a n d   ( 1 8 ) ,   we  ca n   wr ite:     {  = − 1 (  −  +  )                                            =  ∗ − 1 (  −  −  − )   ( 19 )     T h e  L y ap u n o v   f u n ctio n   is   ch o s en   as g iv en   in :     { = 1 2 ( 2 + 2 ) > 0  =  +            (2 0 )     Fu r th er m o r e ,   co ef f icien ts   Υ   an d   Υ   m u s t b e  p o s itiv e  to   en s u r e  th e  s y s tem   s tab ilit y   [ 2 5 ] .      = − 2 − 2 < 0   (2 1 )     T h e  s tato r   cu r r e n ts   tr ac k in g   e r r o r s   ar e  ac h ie v ed   if   o n ly   th e   f o llo win g   d /q   v o ltag e  r e f er en ce s   ar e  ch o s en :     {  ∗ = +  −                                                                     ∗ = +  +  + +  ∗    (2 2 )     3 . 3 .   G SC c o ntr o l us ing   no nli nea r  ba ck s t eppin g   a pp ro a ch   T h e   e r r o r s   i n   t h e   d i r e c t   a n d   q u a d r a t u r e   g r i d   c u r r e n t s   c a n   b e   d e s c r i b e d   u s i n g   t h e   f o l l o w i n g   f o r m u l a s   [ 2 6 ] :     { =  ∗ −  =  ∗ −    (2 3 )     u s in g   ( 1 3 )   an d   ( 1 4 ) ,   we  o b tain :       {  =  ∗  − 1 (  − −  +  )  = − 1 (  −  −  )                                           (2 4 )     t h e  f o llo win g   f o r m u la  p r o v id e s   th e  L y ap u n o v   f u n ctio n :     { = 1 2 ( 2 + 2 ) > 0  =  +          (2 5 )   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 - 8 7 0 8         N o n lin ea r   b a ck s tep p in g   a n d   mo d el  p r ed ictive  co n tr o l fo r   g r id - co n n ec ted   …  ( A d il E l  K a s s o u mi )   5097   F u r th er m o r e ,   to   en s u r e  th e  s y s tem ' s   s tab ilit y ,   th e  co ef f icien ts   Υ ′   an d   Υ ′   m u s t b e  p o s itiv e.      = − ′ 2 − ′ 2 < 0   (2 6 )     T h e  tr ac k in g   er r o r s   o f   th e   g r id   cu r r en ts   ca n   b e  attain ed   p r o v id ed   th at  th e  d /q   v o ltag e  r ef e r e n ce s   ar e  s elec ted :     {  ∗ = ′ +  ∗  + +  −   ∗ = ′ +  +                                                    (2 7 )       4.   M O DE L   P RE DIC T I V E   CO NT RO L   T h e  p r e d ictiv e  co n tr o l  a p p r o a ch ,   s p ec if ically   m o d el  p r ed icti v e  co n tr o l  ( MPC ) ,   h as g ain ed   s ig n if ican t   im p o r tan ce   in   p o wer   c o n v er te r s   an d   elec tr ic  d r iv e   s y s tem s   [ 2 7 ] ,  [ 2 8 ] .   MPC   u tili ze s   a  m at h em atica l  m o d el   f o r   p r ed ictin g   h o w   a  p r o ce s s   will   b eh a v e  in   th e   f u t u r e  i n   r elatio n   to   a   ce r tain   c o n tr o l  v a r iab le.   T h e   g o al  is   to   d eter m in e  th e  o p tim al  ac tio n   b y   m in im izin g   a  p r e d ef in e d   c o s t  f u n ctio n ,   b ased   o n   s et  o p t im izatio n   cr iter ia.   On e  v ar ian t  o f   MPC ,   k n o wn   as  p r ed ictiv e  d ea d b e at  co n tr o l ,   ad ju s ts   th e  co n tr o l  v a r iab le  r ap id ly   to   m atch   t h e   r ef er en ce   in p u t.  Ho we v er ,   it  i s   s en s itiv e  to   ch an g es  in   s y s tem   p ar am eter s   an d   d is tu r b a n ce s .   I n   co n tr ast,  MPC   is   f av o r ed   f o r   its   ab ilit y   to   e f f ec tiv ely   h an d le  co m p lex ,   n o n lin ea r   s y s tem s   with   co n s tr ain ts ,   as  it  p r ed icts   s y s tem   b eh av io r   u s in g   a  m ath em atica l m o d el  an d   o p tim izes  co n tr o l a ctio n s   ac c o r d in g ly   [ 2 9 ] .   T h er e  ar e  two   ty p es  o f   MPC   f o r   p o wer   co n v er ter s :  co n tin u o u s   co n tr o l  s et  MPC   ( C C S - MPC )   an d   FC S - MP C .   A  m o d u lato r   is   n ec ess ar y   f o r   C C S - MPC   to   f li p   b etwe en   s tates,  en s u r in g   a  co n s is ten t  s witch in g   f r eq u e n cy .   Ho wev er ,   it  f ac es  ch allen g es  d u e  to   th e  co m p le x ity   o f   o p tim izatio n   p r o b lem s   ar is in g   f r o m   m o d e l   n o n lin ea r ities .   T h e  d is cr ete  f e atu r e  o f   s tatic  co n v er ter s ,   wh i ch   h a v e  a   lim ited   q u an tity   o f   s tates  th at  s witch ,   is   ex p lo ited   b y   FC S - MPC .   T h is   r ed u ce s   th e  co m p u tatio n al  d em an d s   f o r   p r ed ictio n   an d   p r o ce s s in g .   I n   FC S - MPC ,   th ese  d is cr ete  s tates  ar e  th e  o n ly   s tates  th at  ca n   b e   p r ed icted ;  t h e  id ea l  s tate  o r   v o ltag e  v ec to r   f o r   co n tr o l  is   ch o s en   in   an   o p tim i za tio n   s tag e.   T h e  ef f ec tiv en es s   o f   th is   m eth o d   d ep en d s   o n   an   ac cu r ate  s y s tem   m o d el  an d   a  well - d ef in ed   c o s t  f u n ctio n .   T h e  im p lem en tatio n   o f   FC S - MPC   co n s is ts   o f   f o u r   k ey   s tep s   [ 3 0 ] ,  [ 3 1 ] :   a.   R ef er en ce   ca lcu latio n :  d ep e n d in g   o n   th e  p a r ticu lar   ap p licatio n ,   th is   p h ase  en tails   d eter m in in g   th e   r ef er en ce   c o n tr o l  v alu e  ∗ ( ) ,   wh ich   m ay   b e  to r q u e,   f l u x ,   p o wer ,   v o ltag e,   an d   cu r r en t.   b.   Pre d ictio n :  Her e,   th e  co n v er ter   s witch in g   s tate  co m b in atio n s   ( ) ,   s y s tem   ch ar ac ter is tics ,   an d   th e   d is cr ete  tim e  ( DT )   m o d el  ar e  u s ed   to   p r e d ict  th e  f u t u r e  v al u es o f   th e  co n tr o l v a r iab les  (   +   1 ) .   c.   E x tr ap o latio n : I n   th is   s tag e,   p r esen t a n d   p ast s am p le  v alu es  ∗ ( ) , ∗ ( − 1 )   ar e  u s ed   to   p r ed ict  th e  f u t u r e   v alu e  o f   t h e  r ef e r en ce   co n tr o l  v ar iab le    ∗ ( + 1 ) .   d.   C o s t  f u n ctio n   m in im izatio n :   T h is   f u n ctio n ,   r e p r esen ted   as  =   ∗ ( + 1 ) − ( + 1 ) ,   s ee k s   to   m in im ize  th e  er r o r   b etwe en   th e  p r ed icted   a n d   ex t r ap o lated   r ef er en ce s .     4 . 1 .     M P C  us ing   f ini t e  co ntr o l set   f o r  M SC   T h e  d is cr ete  PMSG  m o d el  is   u s ed   b y   th e   MPC   alg o r ith m .   T o   s im p lify   th e  a n aly s is ,   a  f o r war d   E u le r   ap p r o x im atio n   ap p r o ac h ,   wh ic h   tak es  in   co n s id er atio n   th e  f u tu r e  s am p le  ( k   +  1 )   as  well  as   th e  p r esen t  s am p le   ( k ) ,   is   ad o p ted   in   t h is   s tu d y .   T h is   ap p r o ac h   is   g iv en   as  [ 3 2 ] :     {  ( )  } = ≈   (  + ) − ( )   ;     ∈   {  ,  }   (2 8 )     T h e  (2 8 )   m ay   b e  m a d e  s im p le r   as :     ( + 1 ) ≈ ( ) +   {  ( )  } =   ( 29 )     F o llo win g   th e  n ec ess ar y   d is cr etiza tio n   p r o ce s s ,   th e  DT   m o d el  o f   th e  PMSG c an   b e  g iv en   a s   [ 2 3 ] :     [  ( + 1 )  ( + 1 ) ] = ( ) [  ( )  ( ) ] +   [  ( )  ( ) ] + ( )   (3 0 )     w ith :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 0 9 1 - 5 1 0 5   5098   {                 ( ) ≈   [ + ( ) ] ≈   [ 1 −  ( )   − ( )   1 −  ] ≈   ≈ [  0 0  ]                                                                                                                 ≈ ( ) ≈ [ 0 − ( )  ]                                                                                     (3 1 )     T ak in g   in to   ac co u n t  th e   DT   m o d el  o f   t h e  PMSG  as  d escr ib e d   b y   ( 3 0 ) ,   th e   f u tu r e   s tates  o f   th e  PMSG  cu r r en ts   ar e   f o r ec asted   b y   d eter m in in g   th eir   s u b s eq u en t   v alu es.  C o n s eq u en tly ,   th e   f o r ec asted   d ir ec t  a n d   q u ad r atu r e  (  )   ax is   cu r r en ts   ca n   b e  d elin ea ted   as   [ 3 3 ] :     [  ( + 1 )  ( + 1 ) ] =   ( ) [  ( )  ( ) ] + [  ( )  ( ) ] + ( )   (3 2 )     w h er e  th e  v a r iab le ’ s   p r ed icted   v alu e  is   in d icate d   b y   th e  s u p e r s cr ip t  .   T h e  MSC   v o ltag e  p r ed ictio n s ,      an d    ,   ar e  d er iv ed   b ased   o n   s witch in g   s tates  an d   th e  DC - l in k   v o ltag e  (  )   th r o u g h   t h e  m o d el  d escr ib ed   as:     [  ( )  ( ) ] =  ( )   [  ( )  ( ) ]   (3 3 )     T h e  v o ltag e  ac r o s s   th e  ca p ac it o r   is   d e n o ted   b y   ( ) ,   an d   ,  ( )   s ig n if ies  th e  s tate  o f   s witch in g   alo n g   th e   /   ax is .   T h e  f o r m al  ex p r ess io n   is   p r esen ted   as:     [  ( )  ( ) ] =   [  ( )  ( ) −  ( )  ( ) ] 2 3 [ 1 − 1 2 − 1 2 0 √ 3 2 − √ 3 2 ] [  ( )  ( )  ( ) ]   (3 4 )     B y   in co r p o r atin g   ( 3 2 )   i n to   ( 3 3 ) ,   we  d er iv e   th e  m o d el  f o r   th e  p r ed icted   s tato r   cu r r en ts :     [  ( + 1 )  ( + 1 ) ] =   ( ) [  ( )  ( ) ] + ( ( )   [  ( )  ( ) ] ) + ( )   (3 5 )     C o n v er s ely ,   th e   cu r r e n t  r e f er e n ce s   at  th e  ( )   s am p lin g   in s tan t  a r e  p r o jecte d   to   th e  (   +   1 )   s am p lin g   in s tan t   th r o u g h   th e  a p p licatio n   o f   f ir s t - o r d er   L ag r a n g e   ex t r ap o latio n   [ 3 4 ] .     { ̇ ̂  ∗ ( + 1 ) = 2  ∗ ( ) −  ∗ ( − 1 ) ̇ ̂  ∗ ( + 1 ) = 2  ∗ ( ) −  ∗ ( − 1 )   (3 6 )     I n   th is   s itu atio n ,   ̇ ̂  ∗   r ep r esen ts   t h e  ex tr ap o lated   r e f er en ce   cu r r en ts ,   an d   ̇ ̂  ∗   s ig n if ies  th e  g e n er a to r ' s   r ef er en ce   cu r r en ts .   Un d er   all  o p e r atio n al  co n d itio n s ,   th e  d ir ec t  cu r r e n t   ∗   is   s e t  to   ze r o   in   o r d er   to   p r eser v e  a  u n ity   p o wer   f ac to r .   Me an wh ile,    ∗   is   d eter m in ed   th r o u g h   MPPT  c o n tr o l.   Ultim ately ,   to   r ed u ce   th e  d is cr ep an c y   b etwe en   th e  p r e d icted   an d   ex tr ap o lated   r ef e r en ce   c u r r en ts ,   th e  f o llo win g   c o s t f u n ctio n   is   im p lem en ted   [ 3 5 ] :      ( ) = [ ̇ ̂  ∗ ( + 1 ) −  ( + 1 ) ] 2 − [ ̇ ̂  ∗ ( + 1 ) −  ( + 1 ) ] 2   (3 7 )     4 . 2 .     M P C  us ing   f ini t e  co ntr o l set   f o r  G SC   Usi n g   th e  s am e  m eth o d   ap p li ed   to   estab lis h   th e  MSC   p r ed ictiv e  co n tr o ller ,   th e  GSC   co s t  f u n ctio n   ca n   b e  f o r m u lated   as  [ 3 5 ] :      ( ) = [ ̇ ̂  ∗ ( + 1 ) −  ( + 1 ) ] 2 − [ ̇ ̂  ∗ ( + 1 ) −  ( + 1 ) ] 2   (3 8 )     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 - 8 7 0 8         N o n lin ea r   b a ck s tep p in g   a n d   mo d el  p r ed ictive  co n tr o l fo r   g r id - co n n ec ted   …  ( A d il E l  K a s s o u mi )   5099   Fig u r e  3   d e p icts   th e  o v er all  f r am ewo r k   o f   th e  MPC   ap p lied   to   th e  PMSG w in d   en er g y   co n v er s io n   s y s tem .           Fig u r e  3 .   Ov e r v iew  d iag r am   o f   MPC   im p lem en tatio n   in   th e  PMSG w in d   en er g y   co n v er s io n   s y s tem       5.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T h is   s tu d y   c o m p a r es  two   a d v an ce d   c o n tr o l   s tr ateg ies,  B SC   an d   MPC   f o r   c o n tr o llin g   b o th   MSC   an d   GSC   in   a  p er m an en t  m ag n et  s y n ch r o n o u s   g en e r ato r   ( PMSG) - b ased   W T S  co n n ec ted   to   t h e  p o wer   g r id .   T h e   win d   tu r b in e  o p er ates  with   v a r iab le  win d   s p ee d s   b etwe en   8 . 9   m /s   a n d   1 2 . 1 5   m /s   as  s h o w n   in   Fig u r e   4 ,   an d   th e  s y s tem 's p ar am eter s   ar e  o u tlin ed   in   T ab le  2 .           Fig u r e  4 .   W in d   p r o f ile       T ab le  2 .   Per f o r m an ce   co m p a r is o n : b ac k s tep p in g   v s   FC S - MP C   M e t r i c   B S C   F C S - M P C   S e t t l i n g   T i me   ( S p e e d )   0 . 4 2   s   0 . 3 1   s   O v e r sh o o t   ( To r q u e )   5 . 8 %   2 . 3 %   S t e a d y - S t a t e   Er r o r   2 . 7   r p m   0 . 9   r p m   TH D   ( G r i d   C u r r e n t )   0 . 4 7 %   0 . 2 1 %   S t d .   D e v .   ( T o r q u e )   1 . 3 8   N m   0 . 7 9   N m   C o m p u t a t i o n   T i me / S t e p   <   0 . 4   ms   >   1 . 2   ms       5 . 1 .     K ey   f ind ing s   T h e  p r im ar y   aim   o f   th is   s tu d y   was  to   co m p ar e  th e  p er f o r m an ce   o f   two   ad v an ce d   co n tr o l  s tr ateg ies  u s ed   in   g r id - co n n ec ted   win d   en er g y   s y s tem s :  th e  FC S - MPC   an d   th e  s tan d ar d   n o n lin ea r   B SC .   T h is   co m p ar is o n   was  co n d u cted   u n d er   v a r y in g   win d   c o n d itio n s   an d   s y s tem   p ar a m eter   f lu ct u atio n s   to   ev al u ate  th e   r o b u s tn ess   an d   ef f ec tiv en ess   o f   ea c h   a p p r o ac h   i n   r ea lis tic  o p er atin g   en v ir o n m en ts .   T h e   FC S - MP C   s tr ateg y   lev er ag es  p r ed ictiv e  m o d elin g   an d   o p tim izatio n   t o   an ticip ate  s y s tem   b eh av io r   an d   s elec t  o p tim al  co n tr o l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 0 9 1 - 5 1 0 5   5100   ac tio n s   in   r ea l - tim e.   T h is   en ab les  it  to   ac h iev e   s u p er io r   p er f o r m an ce   i n   b o th   d y n am i c  an d   s tead y - s tate   co n d itio n s .   I n   p ar ticu lar ,   it  d em o n s tr ated   b etter   t r ac k in g   o f   s et  p o i n ts   an d   m o r e  r eli ab le  co n t r o l  d u r in g   d is tu r b an ce s   an d   p ar am eter   v ar iatio n s .   I n   c o n tr ast,  th e  B SC   ap p r o ac h ,   wh ile  n o n lin ea r   an d   m ath em atica ll y   r ig o r o u s ,   is   less   co m p u tatio n a lly   d em an d in g   b u t  d o es  n o t   i n co r p o r ate  p r ed ictiv e  f ea t u r es.  As  a  r esu lt,  B SC   s h o wed   lim itatio n s   in   m ain tai n in g   o p tim al  p e r f o r m an ce   u n d er   r a p id ly   c h an g in g   co n d itio n s ,   h ig h lig h tin g   t h e   tr ad e - o f f   b etwe en   c o n tr o l  p r ec is io n   an d   co m p u tatio n al  c o m p lex ity .     5 . 2 .     Set   po int  t ra c k ing   s ce na rio   I n   th e  s ce n ar io   o f   s et  p o in t  tr ac k in g ,   th e   win d   s p ee d   was  v ar ied   ac co r d in g   to   th e  p r o f ile   s h o wn   in   Fig u r e  4 ,   lead in g   to   c h an g es  i n   th e  g en er ato r ' s   m ec h an ical  s p ee d .   As  s h o wn   in   Fig u r e  5 ( a ) ,   th e  PMSG  s p ee d   cu r v es  clo s ely   f o llo w  th e  win d   p r o f ile  b u t  ex h ib it  s m o o th er   d y n am ics  d u e  to   th e  h ig h   m a ch in e  in er tia.   B o th   co n tr o l   s tr ateg ies  s u cc ess f u lly   en s u r ed   th e   W T   ex tr ac ted   m ax im u m   p o wer ,   co n f ir m in g   t h e  ef f ec tiv e n ess   o f   th e  MPPT  m eth o d .   Ho wev er ,   b etter   tr ac k in g   was  d em o n s tr ated   b y   th e  FC S - MPC   ap p r o ac h ,   g u a r an teein g   m o r e  r eliab le  p er f o r m an ce   i n   a  r an g e  o f   win d   s itu atio n s .   Fig u r e  5 ( b )   s h o ws  th e  PMSG  to r q u e,   wh ich   m ir r o r s   th e   m ec h an ical  s p ee d .   T h e   to r q u e  i s   s m o o th er   with   MPC   co n tr o l,  r ed u ci n g   m ec h an ical  s tr ess   an d   en h a n cin g   th e  tu r b in e' s   lo n g ev ity .   T h e  r ed u ctio n   in   to r q u e   r ip p les  in d icate s   th e  ef f ec tiv en ess   o f   b o th   c o n tr o l  s tr ateg ies,  b u t  MPC   p r o v id ed   a  m o r e  co n s is ten t  an d   s m o o th er   to r q u e  p r o f ile,   lea d in g   to   b etter   p er f o r m a n ce   in   ter m s   o f   r ed u cin g   m ec h an ical  we ar .           ( a)   ( b )     Fig u r e  5 .   PMSG  ( a)   m ec h an ic al  s p ee d   an d   ( b )   elec tr o m ag n et ic  to r q u e       5 . 3 .     Curre nt  co ntr o l per f o rm a nc e   Fig u r es  6 ( a)   an d   6 ( b )   s h o w  th e  m ac h in e - s id e  d ir ec t  an d   q u a d r atu r e  cu r r en ts .   W h ile  th e  d ir ec t  cu r r en t   o s cillates  ar o u n d   ze r o   ( Fig u r e   6 ( a) ,   th e  q u ad r atu r e  cu r r en t  F ig u r e  6 ( b ) )   is   p r o p o r tio n al  to   t h e  elec tr o m ag n etic   to r q u e.   T h e   MPC   s tr ateg y   f o l lo ws  th e  r ef e r en ce   c u r r e n t  p r o f iles   m o r e   p r ec is ely   t h an   B SC ,   h ig h lig h tin g   its   s u p er io r   c o n tr o l   ac cu r ac y   an d   p r e d ictiv e  ca p a b ilit ies.  T h e  s m o o th   r esp o n s e  o f   th e   MPC   s tr ateg y   en s u r e s   o p tim al  o p er atio n   with   m in im al  d ev iatio n   f r o m   th e   d esire d   v alu es.           ( a)   ( b )     Fig u r e  6 .   C o m p a r is o n   o f   s tato r   cu r r e n t tr ac k in g   p er f o r m a n ce   ( a)   m ac h i n e - s id e  d ir ec t c u r r en t a n d   ( b )   m ac h i n e - s id e  q u ad r atu r e  cu r r en t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.