I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   2 0 1 3 ~ 2 0 2 8   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 3 . p p 2 0 1 3 - 2 0 2 8           2013       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   O ptima l  F O PID  c o ntrol for imp ro v ed loa d f req uency  regula tion  o f  a  renewable - in tegra ted  hy bri d p o wer sys tem usin g     the  Puma  optimiz er       M it a li Sa m a l 1 ,   Chin m o y   K u m a r  P a nig ra hi 1 ,   Dee pa k   K u m a r  G up t a 2   1 S c h o o l   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   K I I T  D e e m e d   t o   b e   U n i v e r si t y ,   O d i s h a ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   N e t a j i   S u b h a s   U n i v e r si t y   o f   Te c h n o l o g y ,   N e w   D e l h i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 4 ,   2 0 2 6   R ev is ed   J u l 2 3 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 4 ,   2 0 2 6       Th is  st u d y   a d d re ss e s  th e   c h a ll e n g e   o f   fre q u e n c y   sta b il iza ti o n   i n   a   c o m p le x   two - a re a   h y b ri d   p o we r  sy ste m   su b jec ted   to   l o a d   d istu r b a n c e s.  Are a   1   c o m p rise s  th e rm a l,   h y d ro ,   a n d   win d   p o we r  g e n e ra ti o n ,   wh il e   Are a   2   in teg ra tes   th e rm a l,   h y d ro ,   a n d   g a s  tu rb i n e   u n it s,  p re se n ti n g   a   d i v e rse   a n d   re a li stic  sy ste m   fo r  c o n tr o l  str a teg ies .   Th e   i n h e re n t  n o n li n e a rit ies   a n d   v a ry in g   d y n a m ics   o f  th e se   g e n e ra ti o n   so u rc e s,  p a rti c u larly   wi n d   p o we r,   n e c e ss it a te  a   ro b u st  a n d   a d v a n c e d   c o n tro l  so lu t io n .   Th e   p r o p o s e d   P u m a   o p ti m ize r - d ri v en   fra c ti o n a l - o r d e r   p ro p o rt io n a l - in teg ra l - d e riv a ti v e   (F OPID)   c o n tro ll e r  is  d e v e lo p e d   to   e n h a n c e   d y n a m ic  p e rfo rm a n c e   u n d e r  lo a d   d istu r b a n c e s  a n d   re n e wa b le  e n e rg y   fl u c tu a ti o n s.  T h e   p ro p o se d   P u m a   o p ti m ize r - b a se d   fra c ti o n a l - o r d e r  p ro p o r ti o n a l – i n teg ra l – d e riv a ti v e   (P O - F OPID)  c o n tro ll e r  is   ri g o r o u sl y   v a li d a ted   a g a in st   a  P u m a   o p ti m i z e r - b a se d   p ro p o rti o n a l - i n teg ra l - d e riv a ti v e   (P O - P ID)  c o n tro ll e r,   a   P S O - t u n e d   P I D   c o n tro ll e r,   a n d   a   P S O - t u n e d   fra c ti o n a l - o rd e r  P ID  (P S O - F O P ID)  c o n tro ll e r.   Th e   se tt li n g   ti m e   a n d   p e a k   o v e rsh o o t/ u n d e rsh o o t  a re   c o n si d e re d   fo r   c o m p a riso n ,   wh i le  t h e   i n teg ra l  o f  ti m e   m u lt i p li e d   b y   t h e   a b s o lu te  e rro r   (IT AE)  p e rfo rm a n c e   i n d e x   is u se d   a s  t h e   o b jec ti v e   f u n c ti o n   to   b e   m in imiz e d .   Th e   fi n d i n g s   h ig h li g h t   th e   p o te n ti a l  o f   c o m b i n in g   P u m a   o p ti m ize r  with   fra c ti o n a l - o r d e r  c o n tr o l  fo r  re li a b le  fre q u e n c y   re g u latio n   in   m o d e rn   h y b rid   p o we r  sy ste m s.   K ey w o r d s :   Fra ctio n al - o r d e r   p r o p o r tio n al - in teg r al - d er iv ati v e   Hy b r id   p o wer   s y s tem   L o ad   f r e q u en c y   co n tr o l   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   Pu m a  o p tim izer   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 :   C h in m o y   Ku m ar   Pan ig r ah i   Sch o o l o f   E lectr ical  E n g in ee r in g ,   KI I T   Dee m ed   to   b e  Un iv e r s ity   B h u b an eswar ,   Od is h a,   I n d ia   E m ail:  p an ig r ah ic h in m o y @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   in c r e a s i n g   i n te g r a t i o n   o f   co n v en t i o n a l   an d   r en e w ab l e   en e r g y   s o u r c e s   in t o   h y b r i d   p o w er   s y s t e m s   h a s   m ad e   l o a d   f r eq u en c y   co n tr o l   ( L F C )   m o r e   ch a l le n g in g   b e c au s e   o f   v ar i a t i o n s   in   g en e r a t io n ,   l o a d   d e m an d ,   r e n e w a b l e  in t e r m i t t en c y ,   an d   o p er a t i n g   c o n d i t io n s .   T h e s e  f a c to r s   c an   c a u s e   s i g n i f i c an t  f r e q u e n cy   d e v i a t io n s   an d   co m p r o m i s e  s y s t e m   s t a b i l i t y ,   h ig h l ig h t in g   t h e   n e ed   f o r   ad v a n c ed   a n d   r o b u s t   c o n t r o l  s t r a t e g i e s   [ 1 ] - [ 3 ] .   A c co r d in g ly ,   o p t i m iz a t i o n - b a s e d ,   i n t e l lig e n t,   a d a p t iv e ,   an d   f r a c t i o n al - o r d e r   c o n t r o l l e r s   h a v e  b e e n   ex t en s i v e l y   in v es t i g a t e d .   P ar t i c l e  s w a r m   o p t i m i z a t i o n   ( P S O )   h a s   b e e n   u s ed   to   o p t i m i z e   p r o p o r t i o n a l – i n t eg r a l – d er i v a ti v e   ( P I D)   co n t r o l l er   p ar a m e te r s   i n   s i n g l e - ar e a   s y s t e m s   [ 4 ] ,   wh i l e   ad a p t iv e  a r t i f i c i a l   n eu r a l   n e t w o r k   ( A NN ) - b a s ed   P I D   co n tr o l   co m b i n e d   w i t h   th e   G r a s s h o p p e r   o p t im i z a t i o n   a l g o r i th m   ( G O A )   h a s   b e e n   e x p l o r e d   f o r   c o n t r o l l e r   o p t i m i z a t io n   a n d   c o m p ar a t i v e  p e r f o r m a n c e   e v a l u a t io n   [ 5 ] .   F r a c t i o n a l - o r d e r   co n tr o l l er s   p r o v i d e   a d d i t i o n a l   t u n i n g   f l e x ib i l i t y   an d   h a v e   d e m o n s t r a te d   p r o m i s i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   2013 - 2 0 2 8   2014   p e r f o r m a n c e   i n   co m p l e x   p o we r - s y s t e m   a p p l i c a t i o n s .   A   c a s c a d e   f r a c t io n a l - o r d er   P I D   ( C F O P I D )   c o n t r o l le r   c o m b i n in g   f r a c t io n a l - o r d er   PI   a n d   P D   c o n t r o l l e r s   h a s   b ee n   p r o p o s e d   f o r t w o - a r ea   s y s t em s   [ 6 ] .   S i m i l ar l y ,   a   h y b r i d   f r a c t i o n a l - o r d e r   P D μ N – I λ T   co n tr o l l er   o p t im i z e d   u s i n g   t h e   Af r i ca n   v u l tu r e   o p ti m i z a t i o n   a lg o r i t h m   ( A V O A )   a ch i ev e d   i m p r o v ed   p e r f o r m a n c e   co m p a r ed   w i th   P I D N ,   F O P I D ,   a n d   F O T I D  co n t r o l l er s   [ 7 ] .     R o b u s t  an d   d ec en tr alize d   ap p r o ac h es  h av e  also   b ee n   d ev el o p ed   to   ad d r ess   s y s tem   u n ce r tain ties   an d   d is tu r b an ce s .   A  d ec en tr alize d   r o b u s t - ad ap tiv e  co n t r o ller   in co r p o r atin g   a  d is tu r b a n ce   o b s er v er   an d   lin ea r   m atr ix   in eq u ality   ( L M I ) - b ase d   d esig n ,   with   g en etic  alg o r it h m   o p tim izatio n ,   d em o n s tr ated   r o b u s tn ess   ag ain s t  lo ad   an d   r en ewa b le   f lu ctu ati o n s   with o u t  r e q u ir in g   in ter - a r ea   in f o r m atio n   [ 8 ] .   A n   in teg r al  d er iv ativ e - tilt ed   (ID - T )   co n tr o ller   o p tim ized   u s in g   th e  Ar ch im ed es  o p tim izatio n   alg o r ith m   ( AOA)   h as  also   b ee n   in v esti g ated   f o r   m u lti - ar ea ,   m u lti - s o u r ce   s y s tem s   [ 9 ] ,   wh ile  ad ap tiv e  co n tr o ller s   h av e   b ee n   ap p lied   to   co m p en s ate  f o r   d is tu r b an ce s   ca u s ed   b y   in ter m itten t  p h o to v o ltaic  ( PV)   an d   wav e  en e r g y   co n v er s io n   s y s tem s   ( W E C S)  [ 1 0 ] .   I n tellig en t,  p r ed ictiv e,   an d   o p tim izatio n - b ased   c o n tr o ller s   h av e   s ig n if ican tly   en h a n ce d   L FC   p er f o r m an ce .   C o m p ar ativ e  s tu d ies  o f   PID ,   f u zz y - PID ,   an d   MPC   h av e   d em o n s tr ated   r ed u ce d   f r eq u en cy   d e v iatio n s   in   in ter co n n ec ted   s y s tem s   [ 1 1 ] ,   wh ile  QC GO - o p tim ized   T D - T I   co n tr o l  h as   s h o wn   r o b u s tn ess   ag ain s t  r en ewa b le  p en etr atio n ,   co m m u n icatio n   d elay s ,   lo ad   v a r iatio n s ,   an d   E V   in teg r atio n   [ 1 2 ] .   E v e n t - tr ig g e r ed   co n tr o l  f u r th er   im p r o v es  f r eq u e n cy   r eg u latio n   wh ile  r ed u cin g   co n tr o l  ef f o r t  [ 1 3 ] .   FR T - PID   with   Dis h - Sti r lin g   s o lar   th er m al  s y s tem s   an d   C HI OA  o p tim izatio n   h as   ac h iev e d   im p r o v e d   L FC   p er f o r m a n ce   [ 1 4 ] .   MPC F C   with   AN N   co o r d in atio n   h as  ad d r ess ed   d e m an d - s id e   r eso u r ce s   an d   co m m u n icatio n   d ela y s   [ 1 5 ] .   AO - FOPID,   I SS A,   B O A,   an d   MH AB C - P SO  h av e  f u r th er   im p r o v ed   co n tr o ller   o p ti m izatio n   [ 1 6 ] - [ 2 0 ] .   L OA,   AVOA ,   S C SO,  I W O,   OOA,   an d   s am p led - d ata  ap p r o ac h es  h av e  a d d r ess ed   p a r am et er   tu n in g ,   d ela y s ,   an d   s am p lin g   ef f ec ts   [ 2 1 ] - [ 2 3 ] .   C ascad ed   FO PID ,   GW O - f u zz y   PID ,   win d - p o wer - p r ed icti o n   MPC ,   an d   Sin h   C o s h - b as ed   co n tr o ller s   h av e   d em o n s tr ated   r o b u s t f r eq u e n c y   r eg u latio n   [ 2 4 ] - [ 2 7 ] .   Hy b r id   o p tim izatio n   tech n iq u es  h av e  s ig n if ican tly   im p r o v e d   co n tr o ller   tu n in g   an d   lo ad   f r eq u e n cy   co n tr o l   ( L FC )   p e r f o r m an ce .   GA - PS O  co m b in es  th e  g lo b al   s ea r ch   ca p ab ilit y   o f   g e n etic  alg o r ith m s   with   th e   r ap id   co n v er g en ce   o f   PS O  to   m in im ize  I SE,   I AE ,   I T AE ,   an d   I T SE  in d ices   [ 2 8 ] .   HSC OA   an d   im p r o v e d   an t   co lo n y   o p tim izatio n   h av e   en h an ce d   PID   an d   f u zz y - PID   c o n tr o l  u n d e r   v a r y in g   lo ad   co n d itio n s   [ 2 9 ] ,   [ 3 0 ] .   C h ao tic  C S SO - GSA   h as  im p r o v e d   s ettlin g   tim e  an d   I T AE ,   wh ile  GW O  h as  d e m o n s tr ated   s u p er io r   p er f o r m an ce   co m p ar ed   with   g en etic  alg o r ith m s   in   m u lti - s o u r ce   s y s tem s   [ 3 1 ] ,   [ 3 2 ] .   No tab ly ,   th e  Pu m a   Op tim izer   ( PO)   p r o v i d es  ef f e ctiv e  ex p lo r atio n   an d   e x p lo ita tio n   ca p ab ilit ies,  m ak in g   it  p r o m is in g   f o r   o p tim al  co n tr o ller   p ar am eter   tu n i n g   [ 3 3 ] ,   [ 3 4 ] .   R ec en t  s tu d ies  h av e  f u r th e r   in v esti g ated   Fu zz y - 3 D  PID ,   FOI PDF,   SME S - ass i s ted   f r ac tio n al - o r d er   co n tr o l,  an d   in tellig en t   co n tr o ller s   f o r   r en ewa b le - in teg r ated   s y s tem s   [ 3 5 ] ,   [ 3 6 ] .   R ec en t  r esear c h   in c r ea s in g ly   in c o r p o r ates  r e n ewa b le   en er g y ,   elec tr ic  v e h icles  ( E Vs),   en er g y   s to r a g e   s y s tem s ,   an d   ar tific ial   in tellig en ce .   R ev iews  h av e  h i g h lig h t ed   class ical,   AI - b ased ,   MPC ,   s lid in g - m o d e,   an d   ca s ca d e  co n tr o ller s   f o r   win d - in teg r ated   s y s tem s   wh ile  id en tify in g   r esear ch   g ap s   [ 3 7 ] .   Fra ctio n al - o r d er   co n tr o ller s   o p tim ized   u s in g   QORS A,   MO A,   an d   r ela ted   alg o r ith m s   h a v e   d em o n s tr ated   im p r o v ed   p er f o r m an ce   in   r e n ewa b le - in t eg r ated   m u lti - ar ea   s y s tem s   [ 3 8 ] ,   [ 3 9 ] .   Self - o r g an ize d   co n tr o l  u s in g   Self is h   Her d   Op tim izatio n   h as  c o o r d in ated   d is tr ib u ted   en e r g y   r eso u r ce s   ( DE R s ) ,   en er g y   s to r ag e   s y s tem s ,   an d   E Vs  th r o u g h   lo ca l  f r eq u e n cy   m ea s u r em e n ts   [ 4 0 ] .   R ein f o r ce m en t - lear n in g - b ased   m eth o d s ,   in clu d i n g   GSKO - ass is ted   ad ap tiv e  f r eq u e n cy   co n tr o l,   DDPG - b ased   s u p p lem en tar y   co n tr o l,   an d   d ee p   n e u r al  n etwo r k s ,   h a v e  f u r th er   en h an ce d   L FC   u n d er   r en ewa b le  in ter m itten cy   [ 4 1 ] - [ 4 3 ] .   Fin ally ,   B lack - win g ed   Kite  o p t im izatio n   an d   T I D - MRAC   ap p r o ac h es,  s u p p o r te d   b y   E V  in teg r atio n ,   h av e  d em o n s tr ated   im p r o v ed   r esil ien ce   an d   f r eq u e n cy   s tab ilit y   in   r en ewa b le - r ich   m icr o g r id s   an d   p o wer   s y s tem s   [ 4 4 ] ,   [ 4 5 ] .       2.   L E V E RAG I NG   E L E C T R I C  VE H I C L E S AN D  E NE R G Y  ST O RAG E   F O R  G RI D  F RE Q UE N CY  RE G UL AT I O N   Mo d er n   h y b r id   p o wer   s y s tem s   in cr ea s in g ly   in teg r ate  r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s ,   elec tr ic  v eh icles  ( E Vs),   an d   b atter y   en er g y   s to r ag e  s y s tem s   ( B E S S )   to   e n h an ce   g r i d   f lex ib ilit y   an d   s u s tain ab ilit y .   T h e  p r o p o s ed   PO - b ased   FOPID  co n tr o ller   ca n   e f f ec tiv ely   co o r d in ate  th ese  f ast - r esp o n s e  r eso u r ce s   with   co n v en tio n al  g en er atin g   u n its   to   im p r o v e  s y s tem   d am p in g ,   r ed u ce   s ettlin g   tim e,   an d   e n h an ce   f r e q u en cy   s tab ilit y .   T h e  b alan ce d   p o wer   ca n   b e  ex p r ess ed   as   ( 1 ) .     = +  +  −  −    ( 1 )     W h er e  Δ P EV   →  E V  s u p p o r t   p o wer ,  Δ    →  b atter y   s to r ag e   co n tr i b u tio n ,   an d   Δ    →  r e n e wab le   f lu ctu atio n   p o wer .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Op tima l F OP I D  co n tr o l fo r   imp r o ve d   lo a d   fr eq u en cy   r eg u l a tio n   o f  …   ( Mit a li S a ma l )   2015   2 . 1 .     T wo - a re a   t est  s y s t e m   T h i s   s t u d y   e m p l o y s   a   c o m p r eh e n s i v e   t wo - ar e a   h y b r id   p o we r   s y s t e m   m o d e l   to   ev a l u a te   t h e  p e r f o r m a n c e   o f   th e   p r o p o s ed   L F C   s t r a t eg y .   T h e   s y s t e m   i s   d ev e lo p ed   to   r e f l e c t  th e   co m p l e x i ty   an d   c h a l l en g e s   o f   m o d e r n   p o w er   g r i d s ,   wh i c h   in t e g r a t e  c o n v en t i o n a l  an d   r en e w ab l e  e n er g y   s o u r c e s   w i t h   v a s t l y   d i f f e r en t   d y n am i c s .   A s   i l lu s t r a t e d   in   t h e   s c h em a t i c   d ia g r am   ( F i g u r e   1 ) ,   th e   s y s te m   c o m p r i s e s   t w o   i n t e r co n n e c t ed   co n t r o l   ar e a s ,   e a c h   w i th   a   d i s t in c t   g e n er a t i o n   p o r t f o l i o   to   r e f l e c t   a   r e a l i s t ic   a n d   c h a l l en g in g   s c e n a r io   f o r   f r eq u en c y   r e g u l at i o n .   A r ea   1   i s   c o n f ig u r e d   w it h   a  t h er m a l  p o w er   p l a n t,   a  h y d r o   p o we r   p l an t ,   a n d   a   w in d   p o we r   p la n t .   A r ea   2   c o m p r i s e s   a   t h er m a l   p o we r   p l an t ,   a   h y d r o   p o w e r   p l an t,   a n d   a   g a s   tu r b i n e  u n i t .   T h i s   p o r t f o l i o   r ep r e s e n ts   c o n v en t i o n a l  g en e r a t i o n   te ch n o lo g i e s   w i th   c o n t r a s t i n g   r es p o n s e  t i m e s .   T h e  g a s   t u r b in e ,   i n   p a r t ic u l ar ,   p r o v i d e s   e s s en t i a l   f a s t - r am p in g   ca p a b i l i ty   to   b a l a n c e   s y s t em   f lu c t u a t io n s .     A   s t e p   lo a d   p er t u r b a t io n   ( S L P )   i s   a p p l i e d   i n   A r e a  1   t o   s i m u l a t e   a  s u d d en   ch a n g e   in   p o we r   d e m an d ,   r e p r e s e n t in g   a   s t an d ar d   y e t   cr i t i c a l   d i s tu r b a n ce   f o r   t e s t i n g   t h e   d y n am i c   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   L F C   s y s t e m .   T h e   p r im a r y   o b je c t i v e  o f   th e  L F C   m e ch an i s m   in   th i s   t e s t  s y s t e m   i s   to   m a i n ta i n   s y s t e m   f r e q u e n cy   in   b o t h   a r e a s   an d   r e g u l a t e  t h e  t i e - l i n e  p o w e r   f lo w   to   i t s   s c h ed u le d   v a l u e  f o l l o w in g   a  l o ad   d i s t u r b a n ce .   T h e  d i v er s e   n a t u r e   o f   th e  g en e r at i o n   s o u r c e s ,   ea c h   w i t h   u n i q u e   tr a n s f e r   f u n c t io n s ,   t im e   c o n s t a n t s ,   g o v er n o r - t u r b in e   d y n a m i c s ,   a n d   n o n l i n ea r i t i e s   ( s u c h   a s   g e n er a t i o n   r a t e   c o n s t r a i n t s   ( G R C )   a n d   Go v er n o r   d e a d   b a n d   ( G D B ) ) ,   c r e a t e s   a  h ig h ly   co m p l e x   an d   h ig h - o r d er   s y s t e m   m o d e l .   T h i s   c o m p l ex i t y   e s t ab l i s h e s   a   r ig o r o u s   t e s t  s y s t e m   f o r   a s s e s s i n g   th e   r o b u s t n es s ,   a d a p ta b i l i ty ,   an d   s u p e r i o r i t y   o f   ad v an c ed   co n tr o l  t e c h n i q u e s   o v e r   c o n v e n t io n a l   m e th o d s .           Fig u r e   1 .   T r an s f er   f u n ctio n   b l o ck   d iag r am   o f   a  two - ar ea   h y b r id   p o wer   s y s tem       3.   M AT H E M AT I CA L   M O D E L L I NG   O F   SYST E M   CO M P O NE NT S   T h is   s ec tio n   p r esen ts   th e  m at h em atica l  m o d els  o f   th e   m ajo r   co m p o n en ts   in   th e  h y b r id   p o w er   s y s tem .   T h e  d y n am ic  b eh av i o r   o f   ea c h   s u b s y s tem   is   f o r m u lated   u s i n g   tr a n s f er   f u n ctio n s   t o   f ac ilit ate  lo ad   f r eq u en cy   co n tr o l  an aly s is   an d   co n tr o lle r   d esig n .   wh er e  Fig u r e  2 ( a)   r ep r esen ts   th e  b o iler   d y n am ics  ass o ciate d   wi th   a  co n v en tio n al  th er m al   g e n er at in g   u n it.  Fig u r e   2 ( b )   r ep r ese n ts   th e  g en er atio n   r ate  co n s tr ain t  ( GR C )   o f   a   th er m al   g en e r atin g   u n it.  Fig u r e  3   r ep r esen ts   th e  g en er atio n   r ate  co n s tr ain t o f   a  h y d r o   g en er atin g   u n it.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   2013 - 2 0 2 8   2016   ( a)     ( b )       Fig u r e  2 .   B lo ck   d iag r am   o f   th er m al  u n it :   ( a)   b o iler   d y n am ic s   an d   ( b )   GR C             Fig u r e   3 .   GR C   in   h y d r o   u n it       4.   F RACTI O N AL   O RD E R  P I D  CO NT RO L L E R   Fig u r e   4   d ep icts   th e  ar ch itec tu r e  o f   th e  p r o p o s ed   FOPID  co n tr o ller .   W ith in   th is   f r am ewo r k ,   th e  in teg r al  an d   d er iv ativ e  ter m s   ar e  g en er alize d   i n to   f r ac tio n al   o r d er s ,   r e p r esen ted   b y   λ   an d   μ ,   r esp ec tiv ely .   T h e   co r r esp o n d in g   m ath em atica l   f o r m u latio n   o f   th e   co n tr o ller   is   ex p r ess ed   as   ( 2 ) .     ( ) = ( ) / ( ) = + / +   ( 2 )     W h er e  K p,   K i ,   an d   K d   a r e  th e   p r o p o r ti o n al,   i n teg r al,   an d   d er i v ativ e  g ain s ;  λ  is   th e  o r d er   o f   in teg r atio n ;  μ  is   th e   o r d er   o f   d i f f er en tiatio n ;   e ( t)   i s   th e  in p u t  er r o r ;   an d   u ( t )   is   th e  o u tp u t  o f   th e   co n tr o ller .   B y   f in e - tu n in g   th e   f r ac tio n al  o r d e r s ,   th e  FOPID  c o n tr o ller   ca n   ef f ec tiv el y   r ed u c e  o v er s h o o t,  im p r o v e  s ettlin g   tim e,   an d   m in im ize   in teg r al  er r o r   in d ices su ch   as I T AE .       = ∫ ∗ | ( ) |   0   ( 3 )       W h er e  t sim   is   th e  s im u latio n   tim e.   I n   th e   cu r r e n t r esear ch   w o r k ,   p ar am eter s   o f   FOPID  co n tr o ller s   h av e  b ee n   f in e - tu n e d   with   th e  P u m a  o p ti m izer   ( PO)   alg o r ith m   b y   m in i m izin g   th e  I T AE   o b jectiv e  f u n ctio n .             Fig u r e  4 .   B lo ck   d iag r am   o f   th e  FOPID  co n tr o ller       5.   I M P AC T   O F   C O M M UN I CA T I O N   DE L AY   O N   L F C   P E R F O R M A N CE   T h e   p r o p o s ed   PO - F O P I D   c o n tr o l l e r   p r o v i d e s   i m p r o v e d   r o b u s t n e s s   a g a i n s t   c o m m u n i c a t i o n   la t e n c y   d u e   t o   t h e   e n h a n c e d   f l e x i b i li t y   o f f er e d   b y   f r a c t i o n a l - o r d e r   d y n a m ic s   a n d   t h e  e f f i ci e n t   t u n i n g   c a p a b i l i t y   o f   t h e   P u m a   O p t i m i z e r   a l g o r i t h m .   T h e   c o m m u n i c a t i o n   d e l a y   e −   s τ d ,   w h ic h   is   e x p r e s s e d   b y   T a y l o r   s e r ie s   e x p a n s i o n   a s   ( 4 ) .     −  = 1 −  2 1 +  2   ( 4 )     T h e   c o m m u n i c a t i o n   d e l a y   t r a n s f e r   f u n c t i o n   i n   a   l o a d   f r e q u e n cy   c o n t r o l   ( L F C )   s y s t e m   is   e x p r e s s e d   a s   ( 5 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Op tima l F OP I D  co n tr o l fo r   imp r o ve d   lo a d   fr eq u en cy   r eg u l a tio n   o f  …   ( Mit a li S a ma l )   2017    ( ) = −    ( 5 )     T h e   t r a n s f e r - f u n c t i o n   b l o c k   d ia g r a m   o f   a   t w o - a r ea   h y b r i d   p o w e r   s y s t e m   c o n s i d e r i n g   c o m m u n i c a t i o n   t i m e   d e l a y s   ( C T Ds )   i n   Fi g u r e  5   r e p r e s e n ts   t h e   d y n a m i c   r ela t i o n s h i p   b e tw e e n   g e n e r a ti o n ,   l o a d   d e m a n d ,   a n d   f r e q u e n c y .   E a c h   a r e a  i n c l u d es  g o v e r n o r ,   t u r b i n e ,   a n d   p o w er - s y s t e m   m o d e l s ,   i n te r c o n n e c te d   t h r o u g h   t i e - li n e   p o w e r .   C T Ds   a r e   r e p r e s e n t e d   b y   e − s T d ,   c a p t u r i n g   c o m m u n i c a t i o n   d e l a y s   a n d   t h e i r   e f f e ct s   o n   f r e q u e n c y   s t a b i l it y   a n d   L F C   p e r f o r m a n c e .           Fig u r e  5 .   T r an s f er   f u n ctio n   b l o ck   d iag r am   o f   a  two - ar ea   h y b r id   p o wer   s y s tem   co n s id er in g   C T Ds       6.   P UM A  O P T I M I Z E R  ( P O )   AL G O RI T H M     T h e  P u m a  o p tim izer   ( PO)   is   a  r ec en tly   d e v elo p ed   m etah e u r is tic  alg o r ith m   i n s p ir ed   b y   th e  s o cial   d y n am ics  an d   h u n tin g   s tr ate g ies  o f   P u m as  [ 2 2 ] .   T h e  m o s t  o p tim al  s o lu tio n   with in   th e  p o p u latio n   is   d esig n ated   as  th e  m ale   P u m a,   w h i c h   r ep r esen ts   th e   b est - k n o wn   p o s itio n   in   t h e  s ea r ch   s p ac e.   T h e   r em ain d er   o f   th e  p o p u latio n ,   co m p r is in g   o th er   ca n d i d ate  s o lu tio n s ,   is   m o d eled   as  f em ale  P u m as  d is tr ib u ted   th r o u g h o u t  th e   ter r ito r y ,   wh ich   c o r r esp o n d s   t o   th e  e n tire   o p tim izatio n   lan d s ca p e.   A  d is tin ctiv e  f ea tu r e   o f   th e  PO  alg o r ith m   is   its   d y n am ic  p h ase - s witch in g   m ec h an is m .   At  ea ch   iter atio n ,   ev er y   s o lu tio n   ca n d id ate  au to n o m o u s ly   s elec ts   b etwe en   two   f u n d am e n tal  p h a s es: ex p lo r atio n   an d   ex p lo itati o n .   T h is   ad ap tiv e  s tr ateg y   allo ws th e  alg o r ith m   to   ef f ec tiv ely   b ala n ce   g lo b al  s ea r ch   in ten s if icatio n   with   l o ca l  s ea r ch   r ef in em e n t.  T h e   f lo wch ar t   o f   t h e  Pu m a   Op tim izer   is   s h o wn   in   Fig u r e   6 .       6 . 1 .     E x plo ra t i o n pha s e:   t er rit o ria l r o a m ing   T h e  ex p lo r atio n   p h ase  in   PO  i s   m o d eled   af ter   th e   n atu r al   b e h av io r   o f   P u m as  tr a v er s in g   th eir   ter r ito r y   o v er   lo n g   d is tan ce s   to   lo ca te  p r ey .   T h is   p r o ce s s   in v o lv e s   in v esti g atin g   d iv er s e  r eg io n s ,   in clu d in g   b o th   p r ev io u s ly   f r u itf u l  ar ea s   a n d   u n ex p l o r ed   s ec tio n s   o f   th e  te r r ito r y .   Ma th em atica lly ,   t h is   tr an s lates  to   lar g e - s ca le  m o v em en ts   with in   th e   s ea r ch   s p ac e,   en ab lin g   th e   alg o r ith m   t o   escap e  l o ca l  o p tim a  an d   d is co v er   p r o m is in g   n ew  r e g io n s .   T h e  m o v em en t  d u r in g   th is   p h ase  is   g u id ed   b y   a  co m b in atio n   o f   th e  g lo b al  b est   s o lu tio n   ( th e  m ale  P u m a' s   p o s i tio n )   an d   s to ch asti c  f ac to r s ,   en s u r in g   a  r o b u s t a n d   wid esp r ea d   s ea r ch .     6 . 2 .     E x plo it a t io n pha s e:   prey   ca pture   s t ra t eg ies   On ce   a  p r o m is in g   a r ea   is   id en t if ied ,   th e  al g o r ith m   s witch es  to   th e  e x p lo itatio n   p h ase,   w h ich   em p lo y s   two   d is tin ct  o p er ato r s   in s p ir e d   b y   th e   P u m a' s   p r im ar y   h u n tin g   tech n iq u es:  am b u s h in g   a n d   r u n n in g .   T h ese   o p er ato r s   f ac ilit ate  in ten s iv e  lo ca l  s ea r ch   ar o u n d   p r o m is in g   s o lu tio n s .   T h e   am b u s h   s tr a teg y   s im u lates  th e   P u m a' s   p atien t,  s tealth y   ap p r o ac h ,   in v o lv i n g   s u b tle  an d   p r e cise  m o v em en ts   to   r ef in e  th e  s o lu tio n ' s   p o s itio n .   T h e  r u n n in g   s tr ateg y   em u lates  a  m o r e  d ir ec t  an d   r ap id   p u r s u it,  allo win g   f o r   q u ic k er   co n v er g en ce   to war d s   a   lo ca l  o p tim u m .   B y   lev er ag i n g   th ese  two   tactics,  th e  PO   alg o r ith m   ca n   e f f ec tiv ely   n a v ig ate  th e   co m p lex   to p o g r a p h y   o f   th e  s o lu tio n   s p a ce ,   en h an ci n g   th e  q u ality   o f   s o lu tio n s   th r o u g h   f o cu s ed   lo ca l s ea r ch .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   2013 - 2 0 2 8   2018       Fig u r e   6 .   Flo wch ar t  o f   th e   PO o p tim izatio n   tech n i q u e       6 . 3 .     P ha s e  s wit ching   m ec ha nis m   T h e  co r e   o f   th e   PO' s   ad a p tab ilit y   lies   in   its   p h ase - s witch in g   cr iter io n .   T h is   m ec h an is m   p r o b a b ilis tically   d eter m in es  w h eth er   an   in d iv id u al  ag en t  will  en g ag e  in   ex p lo r atio n   o r   ex p lo itatio n   d u r in g   an   iter atio n .   T h e  d ec is io n   is   o f ten   b ased   o n   co n tr o l  p ar am et er s   th at  ca n   b e  tu n ed ,   allo win g   th e  alg o r ith m   to   p r io r itize  b r o a d   ex p l o r atio n   in   th e  ea r ly   s tag es  an d   in ten s if y   ex p lo itatio n   as  th e  s ea r ch   p r o g r ess es.  All  th ese   o p er atio n s   ar e  e x p r ess ed   b y   ( 6 )   an d   ( 7 ) .     1   = 1 .  1      ( 6 )     1   = 1 .  1      ( 7 )     Du r in g   th e  e x p lo r atio n   p h ase,   th e  co s t o f   th e  b est s o lu tio n   ca n d id ates is ca lcu lated   as  ( 8 ) .        1   =     −  1    (8 )     I n   ( 8 ) ,    1     d en o tes  th e  co s t  o f   th e  b est  s o lu tio n   ac h iev ed   in   th e  f ir s t  iter atio n .   Af te r   co m p letin g   t h e  th ir d   iter atio n ,   th e  P u m as  ar e  c o n s id er ed   ex p er ien ce d   a n d   m u s t  d ec id e   b e twee n   en ter in g   th e   ex p lo r atio n   o r   e x p lo itatio n   p h ase.   T o   m ak e  th is   d ec is io n ,   th e  s co r es a r e  co m p u ted   as  in   ( 9 )   an d   ( 1 0 ) .         = (  1 . 1    ) + (  2 . 2   )   ( 9 )          = (  1 . 1    ) + (  2 . 2   )   ( 1 0 )     Acc o r d in g   t o   ( 9 )   an d   ( 1 0 )   if   ‘ S co r eE xp lo r a tio n ’   is   g r ea ter   t h an   ‘ S co r eE xp l o ita tio n ’   th e n   th e  ex p lo r atio n   p h ase   is   s elec ted .   Pu m a  o p tim izer   a lg o r ith m   is   u s ed   to   o p tim ally   tu n e  th e  p ar am eter s   o f   th e  F OPI D  co n tr o ller   b y   m in im izin g   th e  I T AE   p er f o r m an ce   in d ex   g iv en   in   ( 2 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Op tima l F OP I D  co n tr o l fo r   imp r o ve d   lo a d   fr eq u en cy   r eg u l a tio n   o f  …   ( Mit a li S a ma l )   2019   C o n v en tio n al  PI  an d   PID   co n t r o ller s   ar e  wid ely   u s ed   in   p r ac tical  p o wer   s y s tem s   d u e  to   th eir   s im p le   s tr u ctu r e  an d   ea s e  o f   im p lem en tatio n ;  h o we v er ,   th eir   p e r f o r m an ce   s ig n if ican tly   d eg r ad es  u n d er   n o n lin ea r   o p er atin g   co n d itio n s ,   r e n ewa b le  in ter m itten cy ,   an d   p a r am eter   u n ce r tain ties .   Ad v an ce d   co n tr o ller s   s u ch   as  m o d el  p r e d ictiv e  co n t r o l   ( MP C ) ,   f u zz y   lo g ic  co n tr o ller s ,   an d   ad ap tiv e  c o n tr o l  tec h n iq u es  p r o v i d e  im p r o v ed   d y n am ic  p e r f o r m an ce   b u t  o f te n   in v o lv e   h ig h e r   co m p u tatio n al  co m p lex ity ,   e x ten s iv e  r u le - b ase  d esig n ,   o r   t h e   r eq u ir em e n t o f   ac c u r ate  s y s tem   m o d els.   C o m p ar e d   with   th e s e  ap p r o ac h es,  th e  p r o p o s ed   P O - FOPID  co n tr o ller   co m b in es  th e  f le x ib ilit y   o f   f r ac tio n al - o r d e r   co n t r o l  with   th e  ef f icien t  g lo b al  o p tim izatio n   ca p ab ilit y   o f   th e   Pu m a  o p tim izer ,   as sh o wn   in   T ab le  1 .       T ab le   1.   C o m p a r is o n   b etwe en   ad v an ce d   co n tr o ller s   C o n t r o l l e r   S e t t l i n g   t i me   O v e r sh o o t   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   PI   H i g h   H i g h   M o d e r a t e   Lo w   P I D   M o d e r a t e   M o d e r a t e   M o d e r a t e   Lo w   F u z z y   M o d e r a t e   Lo w   G o o d   M o d e r a t e   A d a p t i v e   Lo w   Lo w   G o o d   H i g h   M P C   V e r y   l o w   V e r y   l o w   Ex c e l l e n t   V e r y   h i g h   PO - F O P I D   V e r y   l o w   V e r y   l o w   Ex c e l l e n t   M o d e r a t e       7.   R E SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T h e  p r o p o s ed   PO - FOPID  co n tr o ller   is   ev alu ated   th r o u g h   MA T L AB /Si m u lin k   s im u latio n s   o n   a  two - ar ea   h y b r id   p o wer   s y s tem   co m p r is in g   th e r m al,   h y d r o ,   win d ,   an d   g as   u n its .   T h e  co n tr o ll er   is   co m p ar ed   with   PO - PID ,   PS O - PID ,   an d   PS O - FOPID  ap p r o ac h es  u s in g   p e r f o r m a n ce   in d ices  in clu d in g   s ettlin g   tim e,   p ea k   o v er s h o o t/u n d er s h o o t,  an d   I T AE .     7 . 1 .     Ca s e  s t ud y   I   ( lo a d v a ria t io n )   A  s tep   lo ad   d is tu r b a n ce   test   was  co n d u cted   to   ev al u ate  s y s tem   p er f o r m a n ce ,   wh e r ein   Ar ea   1 ' s   d em an d   was  s u b jecte d   to   a  1 %  in cr ea s e  wh ile  Ar ea   2 ' s   lo a d   was  h eld   f ix ed .   T h e  r esu lti n g   PID   an d   FOPID   co n tr o ller   g ain s ,   o p tim ized   v ia   th e  PS O   alg o r ith m   an d   Pu m a  Op tim izer   ( PO) ,   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  2 .   T h e   p er f o r m an ce   o f   th ese  co n tr o ll er s   was  ev alu ated   in   ter m s   o f   o v er s h o o t   an d   s ettlin g   tim e   f o r   th e   f r e q u en c y   d ev iatio n s   ( Δf 1   an d   Δ f 2 )   an d   tie - lin e  p o wer   d e v iatio n   ( ΔP 12 ) .   T h e  c o r r esp o n d in g   r esu lts   ar e  p r esen ted   in     T ab le  3 ,   an d   th e  d y n am ic  r esp o n s es a r e  illu s tr ated   in   Fig u r e   7.       T ab le   2.   C o n tr o ller   p ar am eter s   tu n ed   with   d if f er en t  o p tim izat io n   tech n iq u es   C o n t r o l l e r   p a r a m e t e r s   PSO - b a se d   P I D   c o n t r o l l e r   PO - b a se d   P I D   c o n t r o l l e r   PSO - b a se d   F O P I D   c o n t r o l l e r   PO - b a se d   F O P I D   c o n t r o l l e r   ( p r o p o s e d )   K P 1   3 . 2 5 5 3   3 . 2 0 7 7 5 9 4 2 3   0 . 1 7 6 6   2 . 9 7 8 0 4 5 3 2 3   K I 1   2 . 5 5 4 1   4 . 2 4 5 9 0 6 3 4 3   6 . 0 7 8 8   3 . 1 7 6 9 8 4 2 1 5   K D 1   0 . 1   0 . 3 9 0 9 3 3 8 4 7   2 . 2 7 4 1   0 . 4 0 5 7 6 6 8 8 7   λ1   ***   ***   0 . 7 5 1   0 . 9 6 2 8 4 8 6 3 9   µ1   ***   ***   0 . 6 5 2 9   0 . 9 0 9 8 7 9 9 4   K P 2   1 . 8 5 2 9   3 . 6 4 6 9 9 1 1 0 3   0 . 9 1 5 3   0 . 5 4 3 6 7 6 3 4 3   K I 2   9 . 4 4 9   0 . 1 1 1 2 0 2 6 5 1   9 . 1 0 7 1   10   K D 2   1 . 5 6 0 8   0 . 6 6 5 1 5 4 2 3 7   0 . 2 5 5 3   0 . 4 8 3 2 1 7 6 9 8   λ2   ***   ***   0 . 5 6 2 7   0 . 5   µ2   ***   ***   0 . 9 6 0 8   0 . 5   I TA E   0 . 5 0 3 8   0 . 2 8 8 3 8   0 . 4 5 6 2   0 . 2 3 3 1 3       T h e  p r o p o s ed   PO - FOPID  co n tr o ller   d em o n s tr ated   a   clea r   i m p r o v e m en t  o v er   th e  o th er   m eth o d s .   T h e  s ettlin g   tim es  ac h iev ed   wer e  5 . 4   s   f o r   Δf 1 ,   1 0 . 2   s   f o r   Δf 2 ,   a n d   9 . 9   s   f o r   ΔP 12 .   T h ese  v alu es  ar e  s ig n if ican tly   lo wer   co m p ar e d   to   th o s e  o b tain ed   with   PSO - PID   ( 1 0 . 6   s ,   2 5 . 3   s ,   1 4 . 2   s ) ,   PO - PID   ( 5 . 8   s ,   1 5 . 2   s ,   1 5 . 3   s ) ,   an d   PSO - FO PID   ( 5 . 7   s ,   1 0 . 6   s ,   1 0 . 2   s ) .   T h e  r esu lts   in d icate   th at  th e  PO - FOPID  co n tr o ller   n o t  o n l y   m in im izes   s ettlin g   tim e  b u t a ls o   m ain tain s   s y s tem   s tab ilit y   m o r e  ef f ec tiv ely .   T h e  p er tu r b e d   r esp o n s e  o f   f r e q u en cies  an d   tie - lin e  p o wer   r e p r esen ts   th e  d y n am ic  b eh av io r   o f   a  two - ar ea   h y b r id   p o wer   s y s tem   f o ll o win g   a   lo ad   o r   g e n er atio n   d i s tu r b an ce .   T h e  f r eq u en cy   d e v iatio n s ,   Δf 1   an d   Δf 2 ,  in d icate   th e  s tab ilit y   o f   Ar e as  1   an d   2 ,   w h ile  th e  tie - lin e  p o wer   d ev iatio n ,   ΔP tie ,   r e p r esen ts   th e  p o wer   ex ch an g e  b etwe en   th e  ar ea s   as   s h o wn   in   Fig u r e  7 .   An   ef f ec tiv e  co n tr o ller   s h o u ld   p r o d u ce   s m aller   p ea k   d ev iatio n s ,   f aster   s ettlin g   ti m e,   r ed u ce d   o s cillatio n s ,   a n d   m in im u m   s tead y - s tate  e r r o r ,   d em o n s tr atin g   im p r o v e d   f r e q u en c y   r eg u latio n   an d   i n ter - ar ea   p o wer   s tab ilit y .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   2013 - 2 0 2 8   2020   ( a)     ( b )       ( c)       Fig u r e   7 .   Per tu r b ed   r esp o n s e  o f   f r eq u en cies a n d   tie - lin e  p o w er   C ase  I :   ( a)   f r eq u en cy   r esp o n s e  o f   Ar ea - 1    ( b )   f r e q u en cy   r esp o n s e  o f   Ar e a - 2 ,   an d   ( c)   r esp o n s e   o f   tie - lin e  p o wer       A  k ey   o b s er v atio n   is   th e  s u p er io r   d am p in g   ca p a b ilit y   o f   t h e  p r o p o s ed   co n tr o ller .   T h e  PO - FOPI D   d esig n   r ed u ce d   o s cillatio n s   q u ick ly ,   p r ev e n tin g   s u s tain ed   d ev iatio n s   th at  ca n   co m p r o m is e  s tab ilit y   in   in ter co n n ec ted   s y s tem s .   Un lik e  th e  o th e r   co n tr o ller s ,   it  ad ap ted   s m o o t h ly   to   lo a d   d i s tu r b an ce s   with o u t   p r o d u cin g   n o ticea b le  o v er s h o o t  o r   e x ten d e d   tr an s ien ts .   T h i s   b alan ce   b etwe en   f ast  r esp o n s e  an d   c o n tr o lled   d am p in g   is   ess en tial  f o r   h y b r id   p o wer   s y s tem s ,   wh er e   r en e wab le  en er g y   s o u r ce s   ad d   s ig n if ican t  v a r iab ilit y   an d   u n ce r tain ty .   Fu r th er ,   t o   ev alu ate  r o b u s tn ess ,   λ   an d   μ   wer e  in d e p en d e n tly   p e r tu r b ed   a r o u n d   th eir   o p tim ized   n o m in al   v alu es  b y   ± 1 0 %,  wh ile  m ain tain in g   all  o th er   c o n tr o ller   g ain s   u n ch a n g ed .   T h e  ef f ec ts   o n   f r eq u e n cy   d ev iatio n s   ( Δ f ₁  an d   Δ f ₂) ,   tie - lin e  p o wer   d ev iat io n   ( Δ P₁₂) ,   s ettlin g   tim e,   o v er s h o o t,  an d   I T AE   p er f o r m an ce   in d e x   wer e  an al y ze d   u n d er   s tep   lo ad   d is tu r b an ce   co n d itio n s ,   an d   th e  co m p ar is o n   g r ap h s   ar e   s h o wn   in   Fig u r e   8.   B ased   o n   th e  s im u latio n   r esu lts   an d   wav ef o r m   o u tp u ts ,   th e  p r o p o s ed   co n t r o ller   ca n   b e  c o n f ir m ed   t o   p r eser v e  s tab ilit y   in   t h e  two - ar ea   s y s tem .   A  co m p ar is o n   o f   th e  o p tim izatio n   m et h o d s   w as  also   ca r r ied   o u t  with   r esp ec t  to   th eir   c o n v e r g en ce   b eh a v io r .   As  s h o wn   in   Fig u r e  9 ,   t h e  PO - b ased   FOPID  m eth o d   e x h ib its   n o ticea b ly   b etter   co n v er g en ce   p er f o r m an ce   r elativ e  t o   th e  o t h er   tech n iq u es.   T o   f u r th er   v e r if y   th e  clo s ed - lo o p   s tab ilit y   o f   th e  p r o p o s e d   h y b r id   p o wer   s y s tem ,   a  s m all - s ig n al  s tab ilit y   an aly s is   was   ca r r ied   o u t  u s in g   f r eq u e n cy - d o m ain   t ec h n iq u es  illu s tr ated   in   Fig u r e   10.   T h e   B o d e   p lo t   o f   th e  clo s ed - l o o p   h y b r id   p o wer   s y s tem   with   th e  P u m a  o p ti m izer   ( PO) - tu n ed   FOPID  co n t r o ller   illu s tr ates   th e  s y s tem ’ s   f r eq u en c y - d o m ain   s tab ilit y   an d   d y n am ic  c h ar ac t er is tics .   T h e  m ag n itu d e  p lo t   in d icate s   th e   g ain   r esp o n s e,   wh ile  th e  p h ase  p lo t   r ep r esen ts   p h ase  v ar iatio n   with   f r eq u e n cy .   T h e  co r r esp o n d i n g   g ain   m ar g in   an d   p h ase  m ar g i n   ar e   im p o r tan t  in d icato r s   o f   r o b u s tn ess .   A  p o s itiv e  g ain   m a r g in   an d   p h a s e  m ar g in   c o n f ir m   ad eq u ate  s tab ilit y ,   wh ile  a  s m o o th   m ag n it u d e  r esp o n s e  an d   s u f f icien t  b an d wid th   in d icate   ef f ec tiv e  f r eq u en c y   r eg u latio n   a n d   im p r o v ed   d is tu r b an ce   r ejec tio n .   T h e  B o d e  d iag r am   o f   th e  clo s ed - l o o p   s y s tem   with   th e   p r o p o s ed   PO - FOPID  co n tr o ll er   in d icate s   s u f f icien t   s tab ilit y ,   with   a  g ain   m ar g in   o f   1 6 . 3   d B   an d   a  p h ase   m ar g in   o f   7 3 . 4   d eg r ee s ,   en s u r i n g   s tab le  o p e r atio n   u n d er   l o ad   d is tu r b an ce s   an d   p ar am eter   u n ce r tain ties .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Op tima l F OP I D  co n tr o l fo r   imp r o ve d   lo a d   fr eq u en cy   r eg u l a tio n   o f  …   ( Mit a li S a ma l )   2021   ( a)     ( b )       ( c)       Fig u r e   8 .   Per tu r b ed   r esp o n s e  o f   f r eq u en cies a n d   tie - lin e  p o w er -   v ar y in g   λ   an d   μ :   ( a )   f r e q u e n cy   r esp o n s e  o f   Ar ea - 1 ,   ( b )   f r e q u en c y   r esp o n s e  o f   Ar ea - 2 ,   an d   ( c)   R esp o n s e  o f   tie - lin e  p o wer       T ab le  3 .   Settli n g   tim e  an d   o v e r s h o o t   C a se   I   S y st e m   c o n f i g u r a t i o n   S t a t e s   O v e r sh o o t   ( p . u . )   S e t t l i n g   t i me   ( sec )   PSO - b a se d   P I D   c o n t r o l l e r   Δ 1   - 0 . 0 5 4   1 0 . 6   ∆ 2   - 0 . 0 1 3   2 5 . 3   ∆ 12   - 0 . 0 0 9   1 4 . 2   PO - b a se d   P I D   c o n t r o l l e r   Δ 1   - 0 . 0 5 8   5 . 8   ∆ 2   - 0 . 0 1 3 8   1 5 . 2   ∆ 12   - 0 . 0 1 0 2   1 5 . 3   PSO - b a se d   F O P I D   c o n t r o l l e r   Δ 1   - 0 . 0 6 7   5 . 7   ∆ 2   - 0 . 0 1 2 4   1 0 . 6   ∆ 12   - 0 . 0 1 0 8   1 0 . 2   PO - b a se d   F O P I D   c o n t r o l l e r   ( p r o p o s e d )   Δ 1   - 0 . 0 5 6   5 . 4   ∆ 2   - 0 . 0 1 2   1 0 . 2   ∆ 12   - 0 . 0 1   9 . 9   PO - b a se d   F O P I D   c o n t r o l l e r   ( p r o p o s e d )   ( i n c r e a si n g   μ   b y   1 0 %)     Δ 1   - 0 . 0 6 7   6 . 1   ∆ 2   - 0 . 0 4 8   1 1 . 3   ∆ 12   - 0 . 0 3 2   1 0 . 3   P O   a n d   F O P I D   c o n t r o l l e r   ( p r o p o s e d )   ( i n c r e a si n g   λ   a n d   μ   b y   1 0 %)     Δ 1   - 0 . 0 4 7   4 . 8   ∆ 2   - 0 . 0 9 6   9 . 7   ∆ 12   - 0 . 0 0 9   8 . 6           Fig u r e  9 .   C o n v er g e n ce   c h ar ac t er is tics   f o r   PS O - FOPID,   P SO - PID ,   PO - PID ,   an d   PO - FOPID   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   2013 - 2 0 2 8   2022       Fig u r e   1 0 .   B o d e  p lo t  o f   clo s ed - lo o p   h y b r i d   p o we r   s y s tem   with   PO - FOPID  co n tr o ller       7 . 2 .     Ca s e  s t ud y   I I   ( lo a d v a ri a t io n)   T o   e v a l u a t e  t h e   r o b u s t n ess   o f   th e   s y s t e m   r es p o n s e   t o   a   s t e p   l o a d   d i s t u r b a n c e ,   a   1 %   i n c r e as e   in   d e m a n d   i n   A r e a - 1   a n d   a   2 %   i n c r e a s e   in   l o a d   i n   A r e a - 2   w e r e   a p p l i e d .   T h e   P I D   a n d   FO P I D   c o n t r o l le r   p a r a m e t e r s   w e r e  o p t i m i z e d   u s i n g   p a r t i cl e   s w a r m   o p t i m i z a ti o n   ( PS O )   a n d   t h e   P u m a   o p t i m i z e r   ( P O ) ,   a n d   t h e   r e s u lt i n g   t u n e d   v a l u e s   a r e  s u m m a r iz e d   i n   T a b le   4 .   C o n t r o ll e r   p e r f o r m a n c e   wa s   as s e s s e d   b as e d   o n   o v e r s h o o t a n d   s e tt l i n g   t i m e   o f   t h e   f r e q u e n c y   d e v i a t i o n s   ( Δ f ₁   a n d   Δ f ₂ )   a s   w e l l   as   t h e   t i e - l i n e  p o w e r   d e v i a t i o n   ( Δ P ₁ ₂ ) .   T h e   n u m e r i c a l   o u t c o m e s   a r e   r e p o r t e d   i n   T a b l e   5 ,   a n d   t h e  c o r r e s p o n d i n g   t i m e - d o m a i n   r es p o n s e s   a r e   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   1 1 .   T h e  p r o p o s ed   co n tr o ller   d e m o n s tr ates  en h an ce d   d am p in g   p er f o r m an ce   b y   r a p id ly   s u p p r ess in g   o s cillatio n s   an d   m ain tain in g   s y s tem   s tab ilit y   with   les s   o v er s h o o t   an d   s ettlin g   tim e ,   as  s h o wn   in   T ab le  5 .   Settli n g   tim e  an d   o v er s h o o t   ar e  k ey   p er f o r m a n ce   in d ices   u s ed   to   ev alu ate  th e   d y n am ic  r esp o n s e  o f   th e   p r o p o s ed   PO - FOPID - co n tr o lled   h y b r id   p o wer   s y s tem .   Settl in g   tim e  ( T s ) in d icate s   h o w  q u ick ly   th e  f r eq u e n cy   an d   tie - lin e  p o wer   r esp o n s e s   r etu r n   to   th eir   s tead y - s tate  v alu es,  wh ile  o v er s h o o t   ( M p )   r ep r esen ts   th e   m ax im u m   d e v iatio n   b ey o n d   t h e  d esire d   r esp o n s e.   L o wer   T s   a n d   M p   in d icate   f aster ,   s m o o th e r ,   an d   m o r e  s tab le  f r eq u e n cy   r eg u latio n .   T h e  PO - FOPID  co n tr o ller   r esp o n d s   s m o o th ly   to   lo ad   d is tu r b an ce s ,   av o id in g   ex ce s s iv e  o v er s h o o t a n d   lo n g   tr a n s ien ts .   T h e  p r o p o s ed   c o n tr o ller   is   r o b u s t a n d   p er f o r m s   well  with   C T Ds.       T ab le   4.   C o n tr o ller   p ar am eter s   tu n ed   with   d if f er en t  o p tim izat io n   tech n iq u es   C o n t r o l l e r   p a r a me t e r   PSO - b a se d   P I D   PO - b a se d   P I D   PSO - b a se d   F O P I D   PO - b a se d   F O P I D   ( p r o p o se d )   K P 1   3 . 4 3 0 6   3 . 2 2 1 1 7 6   0 . 1 3 8 4   2 . 8 4 7 8   K I 1   7 . 9 2 9 8   3 . 9 6 4 4 6 1   4 . 2 5 0 6   3 . 2 1 2 9   K D 1   1 . 2 1 0 2   0 . 4 1 7 5 1 2   2 . 0 6   0 . 5 9 9 6   λ1   ***   ***   0 . 7 5 2 9   0 . 9 5 2 9   µ1   ***   ***   0 . 7 3 5 3   0 . 6 6 2 7   K P 2   3 . 2 5 5 3   4 . 7 5 6 3 6   2 . 7 1 3 3   2 . 2 7 1 4   K I 2   8 . 4 5 5 7   0 . 8 4 6 8 1 9   4 . 6 7 3 3   4 . 9 2 3 1   K D 2   0 . 5 6 7 5   0 . 1   0 . 1   0 . 6 3 8   λ2   ***   ***   0 . 9 2 1 6   0 . 8 2 1 6   µ2   ***   ***   0 . 8 6 0 8   0 . 9 2 5 5   I TA E   0 . 4 5 3 1   0 . 2 8 7 1 5   0 . 2 7 8 4   0 . 2 5 6 8       7 . 3 .     Ca s e  s t ud y   I I I   ( r o bu s t n ess   chec k   wit h  v a ry ing   s t ep  lo a d)   T h e  r esil ien ce   o f   th e  p r o p o s ed   PO - b ased   FOPID  co n tr o l ler   was  ex am in ed   u n d er   c o n d itio n s   o f   f r eq u e n t  lo ad   d is tu r b an ce s .   T o   test   ad ap tab ilit y ,   s tep   lo ad   v ar iatio n s   wer e  in tr o d u ce d   in   th e  co n tr o l  ar ea s   at  15 - s ec o n d   in ter v als.    Fig u r e   1 2   illu s tr ates th e  co r r esp o n d in g   f r eq u e n cy   r esp o n s es in   Ar ea s   1   an d   2 ,   alo n g   with   tie - lin e  p o wer   d e v iatio n s   s u b j ec ted   to   v ar y in g   lo a d   ch a n g es .    T h e  r o b u s tn ess   o f   th e  p r o p o s e d   PO - b ased   FOPID  co n tr o ller   is   ev alu ated   u n d er   co n s ec u tiv e   s tep   lo ad   d is tu r b an ce s   ap p lied   ev er y   1 5   s ,   ass e s s in g   it s   ad ap tab ilit y ,   d y n am ic  tr ac k in g   ca p a b ilit y ,   an d   r esil ien ce   ag ain s t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.