Adaptive fractional order terminal sliding mode control of a doubly fed induction generator- based wind energy system

The dynamic model of a doubly fed induction generator (DFIG)-based wind energy system is subjected to nonlinear dynamics, uncertainties, and external disturbances. In the presence of such nonlinear effects, a high-performance control system is required to guarantee the smooth and maximum power transfer from the wind energy system to the ac grids. This paper proposes a novel fractional order adaptive terminal sliding mode control system for both the rotor and grid side converters of the DFIG system. The stability of the closed loop is ensured using the fractional order Lyapunov theorem. Numerical results are presented to show the superiority of the proposed control method over the classical sliding mode control system and the proportional integral controllers

Effects of POD control on a DFIG wind turbine structural system

This paper investigates the effects power oscillation damping (POD) controller could have on a wind turbine structural system. Most of the published work in this area has been done using relatively simple aerodynamic and structural models of a wind turbine which cannot be used to investigate the detailed interactions between electrical and mechanical components of the wind turbine. Therefore, a detailed model that combines electrical, structural and aerodynamic characteristics of a grid-connected Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine has been developed by adapting the NREL (National Renewable Energy Laboratory) 5MW wind turbine model within FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence) code. This detailed model is used to evaluate the effects of POD controller on the wind turbine system. The results appear to indicate that the effects of POD control on the WT structural system are comparable or less significant as those caused by wind speed variations. Furthermore, the results also reveal that the effects of a transient three-phase short circuit fault on the WT structural system are much larger than those caused by the POD controller

Maximum power extraction from wind turbines using a fault-tolerant fractional-order nonsingular terminal sliding mode controller

This work presents a nonlinear control approach to maximise the power extraction of wind energy conversion systems (WECSs) operating below their rated wind speeds. Due to nonlinearities associated with the dynamics of WECSs, the stochastic nature of wind, and the inevitable presence of faults in practice, developing reliable fault-tolerant control strategies to guarantee maximum power production of WECSs has always been considered important. A fault-tolerant fractional-order nonsingular terminal sliding mode control (FNTSMC) strategy to maximize the captured power of wind turbines (WT) subjected to actuator faults is developed. A nonsingular terminal sliding surface is proposed to ensure fast finite-time convergence, whereas the incorporation of fractional calculus in the controller enhances the convergence speed of system states and simultaneously suppresses chattering, resulting in extracted power maximisation by precisely tracking the optimum rotor speed. Closed-loop stability is analysed and validated through the Lyapunov stability criterion. Comparative numerical simulation analysis is carried out on a two-mass WT, and superior power production performance of the proposed method over other methods is demonstrated, both in fault-free and faulty situations

Fuzzy second order sliding mode control of a unified power flow controller

Purpose. This paper presents an advanced control scheme based on fuzzy logic and second order sliding mode of a unified power flow controller. This controller offers advantages in terms of static and dynamic operation of the power system such as the control law is synthesized using three types of controllers: proportional integral, and sliding mode controller and Fuzzy logic second order sliding mode controller. Their respective performances are compared in terms of reference tracking, sensitivity to perturbations and robustness. We have to study the problem of controlling power in electric system by UPFC. The simulation results show the effectiveness of the proposed method especiallyin chattering-free behavior, response to sudden load variations and robustness. All the simulations for the above work have been carried out using MATLAB / Simulink. Various simulations have given very satisfactory results and we have successfully improved the real and reactive power flows on a transmission lineas well as to regulate voltage at the bus where it is connected, the studies and illustrate the effectiveness and capability of UPFC in improving power.В настоящей статье представлена усовершенствованная схема управления, основанная на нечеткой логике и режиме скольжения второго порядка унифицированного контроллера потока мощности. Данный контроллер обладает преимуществами с точки зрения статической и динамической работы энергосистемы, например, закон управления синтезируется с использованием трех типов контроллеров: пропорционально-интегрального, контроллера скользящего режима и контроллера скользящего режима нечеткой логики второго порядка. Их соответствующие характеристики сравниваются с точки зрения отслеживания эталонов, чувствительности к возмущениям и надежности. Необходимо изучить проблему управления мощностью в энергосистеме с помощью унифицированного контроллера потока мощности (UPFC). Результаты моделирования показывают эффективность предложенного метода, особенно в отношении отсутствия вибрации, реакции на внезапные изменения нагрузки и устойчивости. Все расчеты для вышеуказанной работы были выполнены с использованием MATLAB/Simulink. Различные расчетные исследования дали весьма удовлетворительные результаты, и мы успешно улучшили потоки реальной и реактивной мощности на линии электропередачи, а также регулирование напряжения на шине, к которой она подключена, что позволяет изучить и проиллюстрировать эффективность и возможности UPFC для увеличения мощности

A New Sliding Mode Control Strategy for Variable-Speed Wind Turbine Power Maximization

This is the peer reviewed version of the following article: Khalfallah Tahir, Cheikh Belfedal, Tayeb Allaoui, Mouloud Denai, and M’hamed Doumi, ‘A new sliding mode control strategy for variable‐speed wind turbine power maximization’, International Transactions on Electrical Energy Systems, Vol. 28 (4): e2513, April 2018, which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/etep.2513. Under embargo until 10 January 2019. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving.The paper proposes a new sliding mode power control strategy for a wound-field synchronous generator-based variable speed wind energy conversion systems to maximize the power extracted from the wind turbine. The proposed controller can handle the inherent nonlinearities in wind energy conversion systems and the randomness of the wind speed as well as the uncertainties of the model and external disturbances. To reduce the chattering phenomenon that characterizes conventional sliding mode control, a sigmoid function with a variable boundary layer is proposed. The adaptive switching gains are adjusted on-line by using a fuzzy logic-based technique. Several simulation scenarios were performed to evaluate the performance of the proposed control scheme. The results demonstrate that this controller provides excellent response characteristics, is robust against parameter variations, and free from chattering phenomenon as compared with the conventional sliding mode control.Peer reviewedFinal Accepted Versio

Super-twisting sliding mode control for brushless doubly fed reluctance generator based on wind energy conversion system

Introduction. Recently, wind power generation has grown at an alarming rate in the past decade and will continue to do so as power electronic technology continues to advance. Purpose. Super-twisting sliding mode control for brushless doubly-fed reluctance generator based on wind energy conversion system. Methods. This paper deals with the robust power control of a grid-connected brushless doubly-fed reluctance generator driven by the variable speed wind turbine using a variable structure control theory called sliding mode control. The traditional sliding mode approach produces an unpleasant chattering phenomenon that could harm the system. To eliminate chattering, it is necessary to employ a high-order sliding mode controller. The super-twisting algorithm is one type of nonlinear control presented in order to ensure the effectiveness of the control structure we tested these controllers in two different ways reference tracking, and robustness. Results. Simulation results using MATLAB/Simulink have demonstrated the effectiveness and robustness of the super-twisting sliding mode controller.Вступ. В останнє десятиліття виробництво вітрової енергії зростало загрозливими темпами і продовжуватиме зростати у міру розвитку технологій силової електроніки. Мета. Управління ковзним режимом суперскручування для реактивного безщіткового генератора з подвійним живленням на основі системи перетворення енергії вітру. Методи. У цій статті розглядається надійне керування потужністю підключеного до мережі безщіткового реактивного генератора з подвійним живленням, що приводиться в дію вітряною турбіною зі змінною швидкістю, з використанням теорії управління зі змінною структурою, яка називається керуванням в ковзному режимі. Традиційний підхід зі ковзним режимом створює неприємне явище вібрації, що може зашкодити системі. Для усунення вібрації необхідно використовувати регулятор ковзного режиму високого порядку. Алгоритм суперскручування - це один із типів нелінійного управління, представлений для забезпечення ефективності структури управління. Ми протестували ці контролери двома різними способами: відстеженням посилань та надійністю. Результати моделювання з використанням MATLAB/Simulink продемонстрували ефективність та надійність контролера ковзного режиму суперскручування

An improved sliding mode control for reduction of harmonic currents in grid system connected with a wind turbine equipped by a doubly-fed induction generator

Introduction. The implementation of renewable energy resources into the electrical grid has increased significantly in recent years. Wind power is one of the existing resources. Presently, power electronics has become an indispensable tool in wind power plants. Problem. However the associated control usually has an impact on increasing the harmonic distortion, especially on the output voltage. Goal. This paper proposes a new sliding mode control strategy, applied on a rotor-side of a doubly-fed induction generator. The main goal is to meet the electrical power requirements, while responding to the power quality issues. Methodology. The wind energy conversion system must be able to not only track the maximum power point of the wind energy, but also to mitigate the harmonic currents caused by the non-linear loads. To achieve this goal, the power converters are driven by the proposed sliding mode control strategy. The corresponding two gains of the sliding surface are well selected using a particle swarm optimization algorithm. The particle swarm optimization algorithm solves a constrained optimization problem whose fitness function is a prior formulated as the sum of two mean square error criterions. The first criterion presents the tracking dynamic of the reference active power while the second one presents the tracking dynamic of the reference reactive power. The novelty lies in the implementation of the particle swarm optimization algorithm in conventional sliding mode control strategy, in which the proposed-improved sliding mode control strategy is developed. The wind energy conversion system control uses the principal of the vector oriented control to decouple the control of the active power from that of the reactive power. Results. The improved sliding mode control strategy is applied to control separately theses powers in the presence of non-linear loads. The energy assessment of this strategy is analysed using the wind energy conversion system model based on SimPower software. Originality. The obtained simulation results confirm the superiority of the proposed-improved sliding mode control strategy in terms of reference tracking dynamics and suppression of harmonic currents.Вступ. Використання відновлюваних джерел енергії в електричній мережі останніми роками значно зросло. Енергія вітру – один із існуючих ресурсів. Нині силова електроніка стала незамінним інструментом вітряних електростанцій. Проблема. Проте, відповідне управління зазвичай має вплив на збільшення гармонійних спотворень, особливо у вихідній напрузі. Мета. У цій статті пропонується нова стратегія управління ковзним режимом, що застосовується на боці ротора асинхронного генератора з подвійним живленням. Основна мета – задовольнити вимоги до електроенергії, вирішуючи відповідні проблеми з якістю електроенергії. Методологія. Система перетворення енергії вітру повинна мати можливість не тільки відстежувати точку максимальної потужності вітру, але й пом'якшувати гармонійні струми, викликані нелінійними навантаженнями. Для досягнення цієї мети силові перетворювачі керуються запропонованою стратегією управління ковзним режимом. Відповідні два коефіцієнти посилення поверхні ковзання добре вибираються з використанням алгоритму оптимізації рою частинок. Алгоритм оптимізації рою частинок вирішує задачу оптимізації з обмеженнями, функція придатності якої заздалегідь сформульована як сума двох критеріїв середньоквадратичної похибки. Перший критерій репрезентує динаміку відстеження еталонної активної потужності, а другий – динаміку відстеження еталонної реактивної потужності. Новизна полягає в реалізації алгоритму оптимізації рою частинок у традиційній стратегії управління ковзним режимом, в якій розроблена запропонована покращена стратегія управління ковзним режимом. Управління системою перетворення енергії вітру використовує принцип векторно-орієнтованого управління, щоб відокремити управління активною потужністю від управління реактивною потужністю. Результати. Удосконалена стратегія управління ковзним режимом застосовується для роздільного управління цими потужностями за наявності нелінійних навантажень. Енергетична оцінка цієї стратегії аналізується за допомогою моделі системи перетворення енергії вітру на основі програмного забезпечення SimPower. Оригінальність. Отримані результати моделювання підтверджують перевагу запропонованої удосконаленої стратегії управління ковзним режимом з точки зору еталонної динаміки стеження та придушення гармонійних струмів

An effective control of an isolated induction generator supplying DC load for wind power converting applications

The aim of this paper is to perform a simple and robust control method based on the well-known sliding control approach for a self-excited induction generator supplying an isolated DC load; this adopted technique does not require much computation and could be easily implemented in practice. In this context, the present work will begin with a mathematical development of this control technique and its application to the self-excited induction generator case. For this purpose, the machine provides the produced active power to the load through a static PWM converter equipped with a single capacitor on the DC side. In order to insure the output DC-bus voltage regulation with respect to the load-power demands and the rotor speed fluctuations, the required stator currents references are computed by considering the reactive power required for the machine core magnetization, the induced voltages through the stator windings and the active power set value obtained from the corresponding sliding mode DC-bus voltage controller. Regarding the nonlinearity of the DC-bus voltage mathematical model and the discontinuity characterizing the converter-machine behavior association, the sliding mode strategy will constitute a perfect tool to sizing the controller structure with high control performances. Results of simulation carried out to demonstrate the proposed control validity are presented.Целью данной статьи является разработка простого и надежного метода управления, основанного на хорошо известном подходе к управлению скольжением для асинхронного генератора с самовозбуждением, питающего изолированную нагрузку постоянного тока; данный принятый метод не требует больших объемов вычислений и может быть легко реализован на практике. В этом контексте данная работа начинается с развития математических основ этого метода управления и его применения в случае асинхронного генератора с самовозбуждением. Для этого машина подает произведенную активную мощность в нагрузку через статический ШИМ-преобразователь, оснащенный единственным конденсатором на стороне постоянного тока. Чтобы обеспечить регулирование выходного напряжения шины постоянного тока с учетом требований к нагрузке и колебаниям скорости вращения ротора, требуемые токи статора рассчитываются с учетом реактивной мощности, необходимой для намагничивания сердечника машины, наведенных напряжений в обмотках статора и заданного значения активной мощности, полученного из соответствующего контроллера напряжения шины постоянного тока в режиме скольжения. Что касается нелинейности математической модели напряжения шины постоянного тока и неоднородности, характеризующей поведение системы «преобразователь-машина», стратегия скользящего режима будет представлять собой идеальный инструмент для определения размеров конструкции контроллера с высокими характеристиками управления. Для демонстрации обоснованности предлагаемого метода контроля, приведены результаты выполненного моделирования

AN EFFECTIVE CONTROL OF AN ISOLATED INDUCTION GENERATOR SUPPLYING DC LOAD FOR WIND POWER CONVERTING APPLICATIONS

Purpose. The aim of this paper is to perform a simple and robust control method based on the well-known sliding control approach for a self-excited induction generator supplying an isolated DC load; this adopted technique does not require much computation and could be easily implemented in practice. In this context, the present work will begin with a mathematical development of this control technique and its application to the self-excited induction generator case. For this purpose, the machine provides the produced active power to the load through a static PWM converter equipped with a single capacitor on the DC side. In order to insure the output DC-bus voltage regulation with respect to the load-power demands and the rotor speed fluctuations, the required stator currents references are computed by considering the reactive power required for the machine core magnetization, the induced voltages through the stator windings and the active power set value obtained from the corresponding sliding mode DC-bus voltage controller. Regarding the nonlinearity of the DC-bus voltage mathematical model and the discontinuity characterizing the converter-machine behavior association, the sliding mode strategy will constitute a perfect tool to sizing the controller structure with high control performances. Results of simulation carried out to demonstrate the proposed control validity are presented.Целью данной статьи является разработка простого и надежного метода управления, основанного на хорошо известном подходе к управлению скольжением для асинхронного генератора с самовозбуждением, питающего изолированную нагрузку постоянного тока; данный принятый метод не требует больших объемов вычислений и может быть легко реализован на практике. В этом контексте данная работа начинается с развития математических основ этого метода управления и его применения в случае асинхронного генератора с самовозбуждением. Для этого машина подает произведенную активную мощность в нагрузку через статический ШИМ-преобразователь, оснащенный единственным конденсатором на стороне постоянного тока. Чтобы обеспечить регулирование выходного напряжения шины постоянного тока с учетом требований к нагрузке и колебаниям скорости вращения ротора, требуемые токи статора рассчитываются с учетом реактивной мощности, необходимой для намагничивания сердечника машины, наведенных напряжений в обмотках статора и заданного значения активной мощности, полученного из соответствующего контроллера напряжения шины постоянного тока в режиме скольжения. Что касается нелинейности математической модели напряжения  шины постоянного тока и неоднородности, характеризующей поведение системы «преобразователь-машина», стратегия скользящего режима будет представлять собой идеальный инструмент для определения размеров конструкции контроллера с высокими характеристиками управления. Для демонстрации обоснованности предлагаемого метода контроля, приведены результаты выполненного моделирования

Comparative Study between Sliding Mode Control and the Vectorial Control of a Brushless doubly fed induction generator

Brushless doubly fed induction generators (BDFIG) show commercial promise forwind-power generation due to their lower capital and operational costs and higher reliability ascompared with doubly fed induction generators. This paper proposes a robust sliding mode control of grid-connected brushless doubly fed induction generator (BDFIG). The developed algorithm is based on the decoupling control by using oriented grid flux vector control strategy. The decoupling of the active and the reactive stator powers insures an optimal performance of the BDFIG at the sub-synchronous region. The stator of this machine incorporates two sets of three phase windings with different number of poles, power winding (PW) and control winding (CW). The proposed method is tested with the Matlab/Simulink software. Simulation results illustrate the performances and the feasibility of the designed control