• Energy Research
• 2021-2025close

In this paper, a composite control strategy for improved off-grid configuration based on photovoltaic (PV array), a wind turbine (WT), and a diesel engine (DE) generator to achieve high performance while supplying nonlinear loads is investigated. To operate the WT efficiently under variable speed conditions and to obtain accurate and fast convergence to the maximum global operating point without a speed sensor, an iterative interpolation method is integrated with the perturbation and observation (P&O) technique. To ensure the balance of power in the system and to achieve the maximum power from the PV array without using any maximum power point tracking (MPPT) method, and ensuring stable operation during the disturbance, a double-loop control strategy for a two-switches buck-boost converter is developed. Furthermore, to protect the synchronous generator of the diesel generator (DG) from the 5th and 7th order-harmonics created by the connected nonlinear loads and to solve the issue of the filter resonance, the interfacing three-phase inverter is controlled using an improved synchronous-reference frame algorithm (SRF) with virtual impedance active damping. The presented work demonstrates effective and efficient control along with improved performance and cost-effective option as compared to the similar works reported in the literature. The performance of the presented off-grid configuration and its developed composite control strategy are tested using MATLAB/Simulink and validated through small-scale hardware prototyping.

For the quick and accurate dynamic response of a sensorless drive system, proper estimation of position and speed is indispensable. A conventional sliding mode observer (SMO) based sensorless control has several limitations like undesired frequency swing during phase jump, spurious noise speed reversal issue. This paper presents an improved SMO based sensorless control and finite control set model predictive control (FCS-MPC) of permanent magnet synchronous motor (PMSM) EV drive with regenerative braking. An improved phase locked loop (PLL) with a modified control function is utilized to obtain position and speed. It provides a smooth startup and avoids transient in frequency and singularities issues. To avoid cascading linear controllers, a robust FCS-MPC is employed in this paper. It provides switching pulses directly to the switches of voltage source inverter (VSI), which avoids the use of modulators. The proposed sensorless control method for an electric vehicle (EV) application is simulated using Simulink and the effectiveness and compatibility of this control algorithm is verified.

La estimación estatal juega un papel vital para monitorear, observar y comprender la red combinada de calor y electricidad. En este documento, se presenta un marco híbrido para estimar con precisión los estados del sistema de la red de distribución eléctrica y la red de calor, utilizando las mediciones limitadas no redundantes obtenidas del control de supervisión y la adquisición de datos y los sistemas avanzados de infraestructura de medición. El marco híbrido presentado implica dos pasos, a saber, la previsión del estado y la estimación del estado. El pronóstico de estado utiliza una red neuronal profunda para pronosticar los estados del sistema cada quince minutos, mientras que estos estados pronosticados son utilizados por el estimador híbrido, que utiliza un filtro Kalman extendido robusto para estimar los estados del sistema con la ayuda de ambos conjuntos de datos correspondientes al control de supervisión y la adquisición de datos y los sistemas de infraestructura de medición avanzada, a intervalos de una hora. El marco propuesto no se basa completamente en el modelo del sistema en diferentes instantes. La efectividad del método se valida a través de comparaciones exhaustivas con estudios de simulación realizados utilizando el sistema de prueba Barry Island, Reino Unido. Se observa un rendimiento satisfactorio incluso con la presencia de datos incorrectos en las mediciones. L'estimation de l'état joue un rôle essentiel pour surveiller, observer et comprendre le réseau combiné de chaleur et d'électricité. Dans cet article, un cadre hybride est présenté pour estimer avec précision les états du système du réseau de distribution électrique et du réseau de chaleur, en utilisant les mesures non redondantes limitées obtenues à partir des systèmes de contrôle de surveillance et d'acquisition de données et d'infrastructure de mesure avancée. Le cadre hybride présenté comprend deux étapes, à savoir la prévision de l'état et l'estimation de l'état. La prévision d'état utilise un réseau neuronal profond pour prévoir les états du système toutes les quinze minutes, tandis que ces états prévus sont en outre utilisés par l'estimateur hybride, qui utilise un filtre de Kalman étendu robuste pour estimer les états du système à l'aide des deux ensembles de données correspondant au contrôle de supervision et à l'acquisition de données et aux systèmes d'infrastructure de mesure avancés, à intervalle horaire. Le cadre proposé ne repose pas entièrement sur le modèle du système à différents instants. L'efficacité de la méthode est validée par des comparaisons approfondies avec des études de simulation réalisées à l'aide du système de test Barry Island, Royaume-Uni. Des performances satisfaisantes sont observées même avec la présence de mauvaises données dans les mesures. State-estimation plays a vital role to monitor, observe and understand the combined heat and electric network. In this paper, a hybrid framework is presented to accurately estimate the system states of electric distribution network and heat network, using the limited non-redundant measurements obtained from supervisory control and data acquisition and advanced metering infrastructure systems. The presented hybrid framework involves two steps, namely, the state-forecasting and the state-estimation. The state-forecasting uses a deep neural network to forecast the system states at every fifteen minutes interval, while these forecasted states are further used by the hybrid estimator, which uses a robust extended Kalman filter to estimate the system states with help of both datasets corresponding to supervisory control and data acquisition and advanced metering infrastructure systems, at hourly interval. The proposed framework does not completely rely on the system model at different instants. The effectiveness of the method is validated through thorough comparisons with simulation studies carried out using the Barry Island test system, United Kingdom. Satisfactory performance is observed even with the presence of bad data in the measurements. يلعب تقدير الحالة دورًا حيويًا في مراقبة وملاحظة وفهم الشبكة الحرارية والكهربائية المدمجة. في هذه الورقة، يتم تقديم إطار عمل هجين لتقدير حالات نظام شبكة التوزيع الكهربائية والشبكة الحرارية بدقة، باستخدام القياسات المحدودة غير الزائدة عن الحاجة التي تم الحصول عليها من التحكم الإشرافي والحصول على البيانات وأنظمة البنية التحتية المتقدمة للقياس. يتضمن الإطار الهجين المقدم خطوتين، وهما التنبؤ بالحالة وتقدير الحالة. يستخدم التنبؤ بالحالة شبكة عصبية عميقة للتنبؤ بحالات النظام كل خمسة عشر دقيقة، في حين يتم استخدام هذه الحالات المتوقعة بشكل أكبر من قبل المقدر الهجين، والذي يستخدم مرشح كالمان الممتد القوي لتقدير حالات النظام بمساعدة كل من مجموعات البيانات المقابلة للتحكم الإشرافي والحصول على البيانات وأنظمة البنية التحتية المتقدمة للقياس، على فترات كل ساعة. لا يعتمد الإطار المقترح بشكل كامل على نموذج النظام في لحظات مختلفة. يتم التحقق من فعالية الطريقة من خلال مقارنات شاملة مع دراسات المحاكاة التي أجريت باستخدام نظام اختبار جزيرة باري، المملكة المتحدة. يلاحظ الأداء المرضي حتى مع وجود بيانات سيئة في القياسات.

Abstract This study presents a mode adaptive multifunctional control strategy that avoids the collapse of the microgrid due to the subsequent failure of the generation units and faulty grid. Its control allows the distributed generation‐based AC microgrid consisting of a PV panel, wind generation unit and battery energy storage to operate seamlessly during utility connected and outage operating modes. On the occurrence/clearance of the faults, the isolation/reconnection of the microgrid to the utility is ensured via static transfer switches (STSs). The change of mode occurs between the current to voltage control or vice‐versa. To ensure high‐quality power in both the modes, bias compensated normalised least mean square (BC‐NLMS) algorithm is implemented to estimate the total active current component of loads and to improve the power quality of the grid indices. Extended second order generalised integrator‐based frequency locked loop (eSOGI‐FLL) control avoids frequency and phase oscillations and provides the effective frequency and phase synchronisation. In an islanded operating mode, the enhanced proportional resonant (PR) controller along with eSOGI‐FLL regulates the load voltages. The battery energy storage facilitates uninterruptable supply to the critical loads. The efficacy of the microgrid control is illustrated by the simulated as well as experimental results.

Abstract This study presents a strategy involving a reduction in the stator current sensor count for control of power converters, in a doubly fed induction generator (DFIG)‐based wind energy conversion system (WECS). The reduced sensor vector control scheme is effectively used in lieu of the conventional vector control algorithm during sensor failure without any change in the overall control structure. This keeps the system operational in case of sensor failure. The reduced sensor scheme necessitates precise estimation of stator flux amplitude and an orientation angle, for control of power converters under all operating conditions. A composite generalised integrator phase‐locked loop is presented to estimate accurately the stator flux amplitude and orientation angle, even at operating system irregularities such as unbalanced voltages, lower‐order harmonics in the grid voltage, DC bias in sensing circuitry, and so forth, which otherwise lead to distortions in flux and orientation angle. The grid‐side converter control is based on a twin frequency improved second‐order generalised integrator. It enables fast and accurate power quality improvement in DFIG‐based WECS during load and grid abnormalities. A laboratory prototype is developed to validate the control of the system.

En este documento, se investiga un controlador unificado de calidad de energía (UPQC) soportado por batería para una pequeña generación de energía aislada a base de agua como controlador de voltaje y frecuencia. El generador de inducción de jaula de ardilla autoexcitado accionado por motor primario de potencia constante (pequeña turbina hidráulica) tiene una tensión, frecuencia y calidad de potencia inaceptables bajo cargas no lineales. El convertidor de fuente de voltaje controlado por voltaje basado en UPQC soportado por batería está diseñado, modelado y simulado en el entorno de MATLAB. Aquí UPQC tiene convertidores en serie y en derivación con una batería y se utiliza para alimentar las cargas locales. Este pequeño sistema de generación de energía distribuida es capaz de alimentar cargas no lineales desequilibradas porque se utiliza un convertidor de derivación para cuidar la compensación de cargas desequilibradas y siempre mantiene las corrientes de la fuente equilibradas y sinusoidales. Además, se utiliza un convertidor en serie para inyectar los voltajes en serie en los terminales del generador de inducción de la jaula de ardilla autoexcitada para regular el voltaje del punto de acoplamiento común durante cargas no lineales desequilibradas. El rendimiento de un UPQC alimentado por batería también se valida experimentalmente utilizando un prototipo de laboratorio de un generador de inducción excitado por condensador de 3,7 kW, 230 V y 50 Hz. Dans cet article, un contrôleur de qualité de l'alimentation unifié (UPQC) supporté par batterie pour une petite production d'énergie isolée à base d'hydroélectricité est étudié en tant que contrôleur de tension et de fréquence. Le générateur à induction à cage d'écureuil auto-excité entraîné par un moteur à puissance constante (petite hydroturbine) a une tension, une fréquence et une qualité de puissance inacceptables sous des charges non linéaires. Le convertisseur de source de tension contrôlée sur batterie UPQC est conçu, modélisé et simulé dans un environnement Matlab. Ici, UPQC a des convertisseurs série et shunt avec une batterie et il est utilisé pour alimenter les charges locales. Ce petit système de production d'énergie distribuée est capable d'alimenter des charges non linéaires déséquilibrées car un convertisseur en dérivation est utilisé pour s'occuper de la compensation des charges déséquilibrées et il maintient toujours les courants de source équilibrés et sinusoïdaux. De plus, un convertisseur série est utilisé pour injecter les tensions série dans les bornes du générateur à induction à cage d'écureuil auto-excité afin de réguler la tension du point de couplage commun lors de charges non linéaires déséquilibrées. Les performances d'un UPQC alimenté par batterie sont également validées expérimentalement à l'aide d'un prototype de laboratoire d'un générateur à induction excité par condensateur de 3,7 kW, 230 V, 50 Hz. In this paper, a battery-supported unified power quality controller (UPQC) for a small hydro-based isolated power generation is investigated as a voltage and frequency controller. The self-excited squirrel cage induction generator driven by constant power prime mover (small hydro turbine) has unacceptable voltage, frequency and power quality under non-linear loads. The battery-supported UPQC-based voltage controlled-voltage source converter is designed, modelled and simulated in MATLAB environment. Here UPQC has series and shunt converters with a battery and it is used to feed the local loads. This small distributed power generation system is capable to feed unbalanced non-linear loads because a shunt converter is used to take care the compensation of unbalanced loads and it always maintains the source currents balanced and sinusoidal. Moreover, a series converter is used to inject the series voltages in the self-excited squirrel cage induction generator terminals to regulate the common coupling point voltage during unbalanced non-linear loads. Performance of a battery-supported UPQC is also validated experimentally using a laboratory prototype of a 3.7 kW, 230 V, 50 Hz capacitor excited induction generator. في هذه الورقة، يتم التحقيق في وحدة تحكم موحدة لجودة الطاقة مدعومة بالبطارية (UPQC) لتوليد طاقة معزولة صغيرة قائمة على الماء كوحدة تحكم في الجهد والتردد. يتمتع المولد الحثي لقفص السنجاب المستثار ذاتيًا والمدفوع بمحرك رئيسي ثابت للطاقة (توربين مائي صغير) بجهد وتردد وجودة طاقة غير مقبولة تحت الأحمال غير الخطية. تم تصميم محول مصدر الجهد المضبوط القائم على UPQC المدعوم بالبطارية ونمذجته ومحاكاته في بيئة MATLAB. هنا لدى UPQC سلسلة ومحولات تحويل مع بطارية ويتم استخدامها لتغذية الأحمال المحلية. نظام توليد الطاقة الموزع الصغير هذا قادر على تغذية الأحمال غير الخطية غير المتوازنة لأنه يتم استخدام محول تحويلة لرعاية تعويض الأحمال غير المتوازنة ويحافظ دائمًا على تيارات المصدر متوازنة وجيبية. علاوة على ذلك، يتم استخدام محول متسلسل لحقن الفولتية المتسلسلة في أطراف مولد حث قفص السنجاب ذاتية الإثارة لتنظيم جهد نقطة الاقتران المشتركة أثناء الأحمال غير الخطية غير المتوازنة. يتم أيضًا التحقق من صحة أداء UPQC المدعوم بالبطارية تجريبيًا باستخدام نموذج أولي مخبري لمولد حث متحمس بمكثف 3.7 كيلو واط، 230 فولت، 50 هرتز.