Electrical Engineering & Electromechanics (E-Journal - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute") / Електротехніка і Електромеханіка (Національний технічний університет - "Харківський політехнічний iнститут")
Not a member yet
941 research outputs found
Sort by
Optimal tuning of multi-stage PID controller for dynamic frequency control of microgrid system under climate change scenarios
Full text linkIntroduction. In recent years, the use of renewable energy has become essential to preserve the climate from pollution and global warming. To utilize renewable energy more effectively, the microgrid system has emerged, which is a combination of renewable energies such as wind and solar power. However, due to sudden and random climate fluctuations, energy deviation and instability problems have arisen. To address this, storage systems and diesel engines have been incorporated. Nevertheless, this approach has led to another issue: frequency deviation in the microgrid system. Therefore, most recent studies have focused on finding ways to reduce frequency deviation. The goal of this work is to study and compare various improvement methods in terms of frequency deviation. Methodology. We first simulated the microgrid system using the PID controller based on the following algorithms: krill herd algorithm (KHA) and cuckoo search algorithm (CSA). In the second phase, we replaced the PID controller with the multi-stage PID controller and optimized its parameters using the KHA and the CSA. In the final phase, we tested the response of the microgrid system to these methods under a range of influencing factors. Results. The results initially showed the superiority of the KHA over the other algorithms in improving the parameters of the PID controller. In the second phase, the results showed a significant advantage of the multi-stage PID controller in terms of speed and stabilization time, as well as in reducing the frequency deviation compared to the PID controller. Practical value. Based on the tests conducted on the microgrid system, we can conclude that the multi-stage PID controller based on the KHA can be relied upon to solve these types of problems within the microgrid system. References 36, tables 4, figures 10.Вступ. В останні роки використання відновлюваної енергії стало необхідним для збереження клімату від забруднення та глобального потепління. Для більш ефективного використання відновлюваної енергії з’явилася система мікромереж, яка є комбінацією відновлюваних джерел енергії, таких як енергія вітру та сонця. Однак через раптові та випадкові коливання клімату виникли проблеми відхилення та нестабільності енергії. Для вирішення цієї проблеми були включені системи зберігання та дизельні двигуни. Проте цей підхід призвів до іншої проблеми: відхилення частоти в системі мікромереж. Тому більшість останніх досліджень було зосереджено на пошуку способів зменшення відхилення частоти. Метою роботи є вивчення і порівняння різних методів поліпшення з погляду відхилення частоти. Методологія. Спочатку ми змоделювали систему мікромереж з використанням ПІД-регулятора на основі наступних алгоритмів: алгоритм стада криля (KHA) та алгоритм пошуку зозулі (CSA). На другому етапі ми замінили ПІД-регулятор багатоступінчастим ПІД-регулятором та оптимізували його параметри з використанням KHA та CSA. На заключному етапі ми протестували реакцію мікромережевої системи на ці методи при низці факторів, що впливають. Результати спочатку показали перевагу KHA над іншими алгоритмами поліпшення параметрів ПІД-регулятора. На другому етапі результати показали значну перевагу багатоступеневого ПІД-регулятора з точки зору швидкості та часу стабілізації, а також зниження відхилення частоти в порівнянні з ПІД-регулятором. Практична цінність. На підставі випробувань, проведених на мікромережевій системі, ми можемо зробити висновок, що багатоступеневий ПІД-регулятор на основі KHA може бути використаний для вирішення цих типів проблем мікромережевої системи. Бібл. 36, табл. 4, рис. 10
Impact of transmission line lightning performance on an operational substation reliability considering the lightning stroke incidence angle
Full text linkIntroduction. This study investigates substation failures caused by lightning strikes, which significantly affect operational reliability. Given the random nature of lightning strikes, a robust statistical approach is essential for accurately assessing their effects. Method. The research develops a comprehensive procedure to analyse the random distribution of non-vertical lightning strikes on transmission lines using the Monte Carlo method, a widely recognized statistical simulation technique. The goal of this work is to evaluate the performance of air-insulated substations under various lightning strike scenarios affecting the connected transmission lines. This is assessed in terms of mean time between failures (MTBF), determined by the basic insulation level of the equipment. The study incorporates both vertical and non-vertical strikes to address a critical gap in the literature, offering practical insights to enhance the reliability and safety of air-insulated substations. By considering the angle of lightning strikes, the study improves the accuracy of evaluating lightning performance using precise modelling of system components. Results. MATLAB and EMTP software were used to simulate and analyse the substation’s response to lightning-induced surges at various strike angles. The results are more representative of real-world conditions and reveal that non-vertical lightning strikes significantly reduce MTBF, underscoring the importance of advanced protective measures. Practical value. The findings highlight the necessity of accounting for the angle of lightning strikes when assessing substation reliability. References 32, table 4, figures 13.Вступ. У цьому дослідженні вивчаються відмови підстанцій, спричинені ударами блискавки, які суттєво впливають на експлуатаційну надійність. Зважаючи на випадковий характер ударів блискавки, надійний статистичний підхід необхідний для точної оцінки їх наслідків. Метод. У дослідженні розробляється комплексна процедура для аналізу випадкового розподілу невертикальних ударів блискавки у лінії електропередачі з використанням методу Монте-Карло, широко визнаного методу статистичного моделювання. Метою даної роботи є оцінка продуктивності підстанцій з повітряною ізоляцією при різних сценаріях ударів блискавки, що впливають на підключені лінії електропередачі. Це оцінюється з погляду середнього часу між відмовами (MTBF), що визначається базовим рівнем ізоляції обладнання. Дослідження включає як вертикальні, так і невертикальні удари, щоб заповнити критичну прогалину в літературі, пропонуючи практичні ідеї для підвищення надійності та безпеки підстанцій з повітряною ізоляцією. Розглядаючи кут ударів блискавки, дослідження підвищує точність оцінки продуктивності блискавки з використанням точного моделювання компонентів системи. Результати. Для моделювання та аналізу реакції підстанції на стрибки напруги, викликані блискавкою при різних кутах удару, використовувалися програми MATLAB та EMTP. Результати більш репрезентативні для реальних умов і показують, що невертикальні удари блискавки значно скорочують MTBF, що наголошує на важливості розширених заходів захисту. Практична цінність. Результати наголошують на необхідності врахування кута удару блискавки при оцінці надійності підстанції. Бібл. 32, табл. 4, рис. 13
Complex physicochemical analysis of transformer oil parameters using the inductively coupled plasma mass spectrometry technique
Full text linkIntroduction. Transformers are crucial and expensive components of power systems, experiencing electrical, thermal, and chemical stresses. Transformer oil analysis is important for diagnosing transformer faults and assessing its remaining service life. The oil used in transformers degrades over time due to its interaction with electrical loads and heat from the core and windings. The oil degrades into low-molecular gases and carbon particles, which affect its dielectric properties and indicate potential problems. Analysis of dissolved gases in oil allows early detection of defects such as corona or arc discharges, as well as overheating. In addition, analysis of metal content in oil helps to clarify the type and location of the fault identified by gas analysis. Novelty of the proposed work lies in the study of the relationship between transformer oil parameters and its quality, as well as the effect of dissolved gases. The article proposes a method for determining how changes in these parameters affect each other. The obtained data are compared with the results of mass spectrometric analysis for a more accurate assessment of the transformer condition. The purpose of this paper is to explore the connection between the chemical properties of transformer oil and the elemental composition determined through inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Methods. The solution to the problem was carried out using the inductively coupled plasma mass spectrometry method from Agilent Technologies 7700e (USA) to measure the concentration of metals in transformer oil. Results. An inverse correlation has been identified between the acidity of transformer oil and its furfural content. Experimental evidence has shown that the water content has the most significant impact on decreasing the breakdown voltage of dielectric oil. It was found that CO gas has the greatest influence on the formation of furfural. It has been established that gaseous C2H2 plays an important role in the formation of acidic components. Correlations were found between the oil acidity and the concentrations of copper and iron and between the breakdown voltage and the amount of lead and aluminium in the transformer oil. A high concentration of copper in the oil indicates potential issues with the transformer windings, as well as in any bronze or brass components, and the concentration of iron in significant quantities indicates problems with the transformer core and tank. Moreover, as the breakdown voltage of the oil decreases, there is a marked increase in the concentrations of lead and aluminum. This suggests that significant amounts of lead are found in the transformer solder joints, while aluminum is present in the windings and ceramic bushings. Practical value. The advantage of the mass spectrometric method for detecting metals in transformer oils is the ability to accurately determine the type of fault and diagnose transformer problems. Research shows that this method allows early detection of potential problems and predicts the condition of the transformer. References 21, table 2, figures 8.Вступ. Трансформатори є важливими та коштовними компонентами енергосистем, які зазнають електричних, теплових та хімічних навантажень. Аналіз трансформаторної оливи важливий для діагностики несправностей трансформатора та оцінки його терміну служби, що залишився. Олива, що використовується в трансформаторах, з часом руйнується через його взаємодію з електричними навантаженнями та теплом сердечника та обмоток. Олива розкладається на низькомолекулярні гази та частинки вуглецю, що впливає на її діелектричні властивості та вказує на потенційні проблеми. Аналіз розчинених газів у оливі дозволяє завчасно виявити дефекти, такі як коронний або дуговий розряд, а також перегрів. Крім того, аналіз вмісту металу в оливі допомагає уточнити тип і місце дефекту, виявленого газовим аналізом. Новизна пропонованої роботи полягає у вивченні зв’язку між параметрами трансформаторної оливи та її якістю, а також впливом розчинених газів. У статті запропоновано метод визначення того, як зміни цих параметрів впливають одна на одну. Отримані дані порівнюються з результатами мас-спектрометричного аналізу для більш точної оцінки стану трансформатора. Метою статті є дослідження зв’язку між хімічними властивостями трансформаторної оливи та елементним складом, визначеним за допомогою мас-спектрометрії з індуктивно зв’язаною плазмою (ICP-MS). Методи. Рішення проблеми здійснювалося за допомогою методу мас-спектрометрії з індуктивно зв’язаною плазмою Agilent Technologies 7700e (США) для вимірювання концентрації металів у трансформаторній оливі. Результати. Між кислотністю трансформаторної оливи та вмістом у ній фурфуролу виявлено зворотну залежність. Експериментальні дані показали, що вміст води має найбільш значний вплив на зниження напруги пробою діелектричної оливи. Встановлено, що найбільший вплив на утворення фурфуролу має газ СО. Встановлено, що в утворенні кислотних компонентів важливу роль відіграє газоподібний С2Н2. Були виявлені кореляції між кислотністю оливи та концентрацією міді та заліза, а також між напругою пробою та кількістю свинцю та алюмінію в трансформаторній оливі. Високий вміст міді в оливі вказує на потенційні проблеми з обмотками трансформатора, а також у будь-яких бронзових або латунних компонентах, а концентрація заліза в значних кількостях вказує на проблеми з сердечником трансформатора та баком. Крім того, у міру зниження напруги пробою оливи спостерігається помітне збільшення концентрації свинцю та алюмінію. Це свідчить про те, що значна кількість свинцю міститься в паяних з’єднаннях трансформатора, тоді як алюміній присутній в обмотках і керамічних втулках. Практична цінність. Перевагою мас-спектрометричного методу виявлення металів у трансформаторній оливі є можливість точного визначення типу несправності та діагностики проблем трансформатора. Дослідження показують, що цей метод дозволяє завчасно виявляти потенційні проблеми та прогнозувати стан трансформатора. Бібл. 21, табл. 2, рис. 8
Improvement teaching-learning-based optimization algorithm for solar cell parameter extraction in photovoltaic systems
Full text linkIntroduction. This study investigates parameter extraction methods for solar cell analytical models, which are crucial for accurate photovoltaic (PV) system design and performance. Problem. Traditional single-diode models, while widely used, often lack precision, leading to inefficiencies in parameter extraction essential for reliable PV systems. Goal. The work aims to improve the Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO) algorithm to enhance the accuracy of parameter extraction in PV models. Methodology. We adopt an enhanced single-diode model, integrating modifications into the TLBO algorithm, including dynamic teaching factor adjustment, refined partner selection, and targeted local searches with the fmincon function. Comparative analysis with experimental data from four PV systems validates the model’s accuracy. Results. The enhanced TLBO algorithm achieves superior convergence and reliability in parameter extraction, as evidenced by 500 independent runs. Originality. Key contributions include methodological improvements such as dynamic adjustment of the teaching factor and a new approach to partner selection, which significantly optimizes the algorithm’s performance. Practical value. This research provides a robust framework for solar cell parameter extraction, offering practical benefits for PV system designers and researchers in improving model accuracy and efficiency. References 35, table 1, figures 15.Вступ. У цьому дослідженні вивчаються методи отримання параметрів для аналітичних моделей сонячних елементів, які мають вирішальне значення для точного проєктування фотоелектричних (PV) систем і їх продуктивності. Проблема. Традиційні моделі з одним діодом, хоч і широко використовуються, часто не достатньо точні, що призводить до неефективності вилучення параметрів, необхідного для надійних PV систем. Мета. Робота спрямована на покращення алгоритму оптимізації на основі навчання (TLBO) для підвищення точності вилучення параметрів у PV моделях. Методологія. Ми приймаємо вдосконалену модель з одним діодом, інтегруючи модифікації до алгоритму TLBO, включаючи динамічне коригування коефіцієнта навчання, уточнений вибір партнера та цільовий локальний пошук з функцією fmincon. Порівняльний аналіз з експериментальними даними із чотирьох PV систем підтверджує точність моделі. Результати. Удосконалений алгоритм TLBO досягає значної збіжності та надійності при вилученні параметрів, про що свідчать 500 незалежних запусків. Оригінальність. Основні вклади включають методологічні удосконалення, такі як динамічне коригування коефіцієнта навчання та новий підхід до вибору партнера, що значно оптимізує продуктивність алгоритму. Практична цінність. Це дослідження забезпечує надійну основу для отримання параметрів сонячних елементів, пропонуючи практичні переваги для розробників та дослідників PV систем у плані підвищення точності та ефективності моделей. Бібл. 35, табл. 1, рис. 15
Intelligent power control strategy based on self-tuning fuzzy MPPT for grid-connected hybrid system
Full text linkIntroduction. This paper investigates various methods for controlling the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm within the framework of intelligent energy control for grid-connected Hybrid Renewable Energy Systems (HRESs). The purpose of the study is to improve the efficiency and reliability of the power supply in the face of unpredictable weather conditions and diverse energy sources. Intelligent control techniques are used to optimize the extraction of energy from available sources and effectively regulate energy distribution throughout the system. Novelty study is employing intelligent control strategies for both energy optimization and control. This research distinguishes itself from conventional approaches, particularly through the application of Self-Tuning Fuzzy Logic Control (ST-FLC) and fuzzy tracking. Unlike conventional methods that rely on logical switches, this intelligent strategy utilizes fuzzy rules adapted to different operating modes for more sophisticated energy control. The proposed control strategy minimizes static errors and ripples in the direct current bus and challenges in meeting load demands. Methods of this research includes a comprehensive analysis of several optimization techniques under varying weather scenarios. The proposed strategy generates three control signals that correspond to selected energy sources based on solar irradiation, wind velocity and battery charging status. Practical value. ST-FLC technique outperforms both conventional methods and standard Fuzzy Logic Controllers (FLCs). It consistently delivers superior performance during set point and load disturbance phases. The simulation, conducted using MATLAB/Simulink. The results indicate that fuzzy proposed solution enables the system to adapt effectively to various operational scenarios, displaying the practical applicability of the proposed strategies. This study presents a thorough evaluation of intelligent control methods for MPPT in HRESs, emphasizing their potential to optimize energy supply under varying conditions. References 27, tables 6, figures 18.
Вступ. У цій статті досліджуються різні методи керування алгоритмом стеження за точкою максимальної потужності (MPPT) в рамках інтелектуального керування енергією для підключених до мережі гібридних систем відновлюваної енергетики (HRESs). Метою дослідження є підвищення ефективності та надійності електропостачання в умовах непередбачуваних погодних умов та різноманітних джерел енергії. Інтелектуальні методи управління використовуються для оптимізації видобутку енергії з доступних джерел та ефективного регулювання розподілу енергії по всій системі. Новизна дослідження полягає у застосуванні інтелектуальних стратегій управління як для оптимізації, так і для контролю енергії. Це дослідження відрізняється від традиційних підходів, зокрема, завдяки застосуванню самонастроюваного нечіткого логічного керування (ST-FLC) та нечіткого відстеження. На відміну від традиційних методів, які покладаються на логічні перемикачі, це інтелектуальне управління використовує нечіткі правила, адаптовані до різних режимів роботи для більш складного управління енергією. Запропонована стратегія керування мінімізує статичні похибки та пульсації в шині постійного струму, а також проблеми з задоволенням потреб навантаження. Методи дослідження включають комплексний аналіз декількох методів оптимізації за різних погодних умов. Запропонована стратегія генерує три сигнали керування, які відповідають обраним джерелам енергії на основі сонячного випромінювання, швидкості вітру та стану заряду акумуляторів. Практична цінність. Технологія ST-FLC перевершує як традиційні методи, так і стандартні контролери нечіткої логіки (FLC). Вона стабільно забезпечує високу продуктивність під час фаз заданого значення та збурення навантаження. Моделювання проводилося за допомогою MATLAB/Simulink. Результати показують, що запропоноване нечітке рішення дозволяє системі ефективно адаптуватися до різних сценаріїв роботи, демонструючи практичну застосовність запропонованих стратегій. Це дослідження представляє ретельну оцінку інтелектуальних методів управління для МРРТ в HRES, підкреслюючи їх потенціал для оптимізації енергопостачання за різних умов. Бібл. 27, табл. 6, рис. 18
A robust hybrid control strategy for enhancing torque stability and performance in PMSM drives
Full text linkIntroduction. Recently, permanent magnet synchronous motors (PMSMs) have become essential in various high-performance applications, including electric vehicles and renewable energy systems. However, traditional control methods, such as PI controllers, often struggle to handle dynamic operating conditions and external disturbances, resulting in torque ripple and stability issues. Problem. The main issue with existing control strategies is their inability to maintain accurate torque control and system stability under fluctuating loads and varying motor parameters, which negatively impacts performance in real-world applications. Goal. This paper proposes a robust hybrid control strategy that integrates sliding mode control (SMC) with proportional resonant control (PRC), enhanced by Luenberger and Kalman observers. The goal is to improve torque stability, reduce errors, and optimize performance in PMSM drive systems. Methodology. The proposed method combines SMC and PRC to form an SMC-PRC controller, with Luenberger and Kalman observers integrated for effective load torque estimation. Results. The simulation experiments were carried out to compare the effectiveness of the proposed control strategy with that of traditional PI controllers. The results revealed that the SMC-PRC approach offers a notable improvement in overall control performance, including reduced tracking error, enhanced dynamic response, and better stability. Furthermore, the proposed method achieved faster settling times and maintained robust operation under varying system conditions. Scientific novelty. This work introduces a hybrid control approach that combines SMC and PRC with advanced state estimation techniques, providing a robust and efficient solution to PMSM control. Practical value. The proposed method is highly beneficial for applications under dynamic operating conditions, such as electric vehicles and renewable energy systems, improving system efficiency and stability. References 40, tables 7, figures 10.Вступ. Останнім часом синхронні двигуни з постійними магнітами (PMSM) стали невід’ємною частиною різних високопродуктивних застосувань, включаючи електромобілі та системи відновлюваної енергії. Однак традиційні методи управління, такі як ПІ-регулятори, часто не справляються з динамічними робочими умовами та зовнішніми збуреннями, що призводить до пульсацій крутного моменту та проблем зі стабільністю. Основною проблемою існуючих методів управління є їх нездатність підтримувати точне управління крутним моментом і стійкість системи при коливаннях навантаження і параметрах двигуна, що змінюються, що негативно впливає на продуктивність в реальних ситуаціях. Мета. У цій статті пропонується надійна гібридна стратегія управління, що поєднує управління ковзним режимом (SMC) з пропорційно-резонансним управлінням (PRC), удосконалена за допомогою спостерігачів Люенбергера та Калмана. Мета полягає в тому, щоб підвищити стабільність крутного моменту, зменшити похибки і оптимізувати продуктивність систем приводу PMSM. Методологія. Пропонований метод об’єднує SMC та PRC для формування регулятора SMC-PRC, з інтегрованими спостерігачами Люенбергера та Калмана для оцінки ефективного крутного моменту навантаження. Результати. Проведено імітаційні експерименти порівняння ефективності запропонованої стратегії управління з ефективністю традиційних ПІ-регуляторів. Результати показали, що підхід SMC-PRC забезпечує помітне покращення загальних характеристик управління, включаючи зниження похибки стеження, покращення динамічного відгуку та підвищення стійкості. Крім того, пропонований метод забезпечує більш швидкий час встановлення і стійку роботу при умовах функціонування системи, що змінюються. Наукова новизна. У роботі представлений гібридний підхід до управління, що поєднує SMC та PRC з передовими методами оцінки стану, що забезпечує надійне та ефективне рішення для управління PMSM. Практична значимість. Запропонований метод є корисним для застосування у динамічних умовах експлуатації, таких як електромобілі та системи відновлюваної енергії, підвищуючи їх ефективність та стійкість. Бібл. 40, табл. 7, рис. 10
Performance evaluation and analysis by simulation for sliding mode control with speed regulation of permanent magnet synchronous motor drives in electric vehicles
Full text linkIntroduction. This study introduces a sliding mode control (SMC) that utilizes multivariable system command estimation (MSCE-SMC) to create an innovative speed control system for the permanent magnet synchronous motor (PMSM). The motor operates through a 3-phase voltage source inverter when used in an electric vehicle (EV) model, with the goal of achieving fast speed regulation and high performance. Problem. The primary challenge is to achieve fast and accurate speed regulation for PMSMs while maintaining high performance, despite varying system parameters and external disturbances. The goal is to design a robust and adaptive speed control system for PMSMs using the SMC approach, which ensures precise speed tracking and high-performance regulation. Scientific novelty. The integration of MSCE-SMC approach, offering an innovative solution for speed control in PMSMs used in EVs. Methodology. SMC approach for the PMSM divides the system into 2 subsystems: electrical and speed. A d-q coordinate frame is used to model the PMSM, and its control strategy is outlined. A detailed model of the PMSM with SMC is presented after an in-depth review of the theoretical concepts and principles of sliding mode control. Results. To validate the proposed approach, MATLAB/Simulink is conducted, demonstrating the effectiveness and robustness of the method in PMSM speed regulation. The results confirm that the proposed method provides straightforward and precise control, accurate speed tracking, and high-performance regulation. It also shows adaptability to parameter variations and external disturbances. Practical value. The practical value of the proposed method is significant, as it provides a reliable and efficient control system for PMSMs. It offers precise speed control, robust performance under variable conditions, and high adaptability to external disturbances, making it suitable for real-world EV applications. References 22, table 1, figures 18.Вступ. У дослідженні розглядається керування ковзним режимом (SMC), що використовує багатопараметричну оцінку системних команд (MSCE-SMC) для створення інноваційної системи керування швидкістю синхронного двигуна з постійними магнітами (PMSM). Двигун працює через трифазний інвертор напруги при використанні в моделі електромобіля (EV) з метою досягнення швидкого регулювання швидкості та високої продуктивності. Проблема. Основне завдання полягає в досягненні швидкого і точного регулювання швидкості для PMSM при збереженні високої продуктивності, незважаючи на параметри системи, що змінюються, і зовнішні збурення. Метою є розробка надійної та адаптивної системи керування швидкістю для PMSM з використанням SMC підходу, що забезпечує точне відстеження швидкості та високопродуктивне регулювання. Наукова новизна. Інтеграція підходу MSCE-SMC пропонує інноваційне рішення для управління швидкістю PMSM, що використовуються в EV. Методологія. SMC підхід для PMSM поділяє систему на 2 підсистеми: електричну та швидкісну. Для моделювання PMSM використовується d-q система координат і описується стратегія його управління. Наведено докладну модель PMSM з SMC після поглибленого аналізу теоретичних концепцій та принципів управління в ковзному режимі. Результати. Для перевірки пропонованого підходу проведено аналіз у середовищі MATLAB/Simulink, що показав ефективність та надійність методу регулювання швидкості PMSM. Результати підтверджують, що запропонований метод забезпечує просте і точне керування, коректне відстеження швидкості та високопродуктивне регулювання. Він також демонструє адаптивність до змін параметрів та зовнішніх збурень. Практична цінність запропонованого методу значна, оскільки він забезпечує надійну та ефективну систему управління PMSM. Він забезпечує точне управління швидкістю, надійну роботу в змінних умовах, і високу адаптивність до зовнішніх збурень, що робить його придатним для застосування в реальних EV. Бібл. 22, табл. 1, рис. 18
Optimizing voltage control in AC microgrid systems with fuzzy logic strategies and performance assessment
Full text linkIntroduction. Microgrids (MGs) have garnered significant attention for their numerous advantages, providing a solution for powering remote and distant locations while enhancing system reliability. In MGs, distributed generation inverters generally operate in parallel with the droop control strategies. This study focuses on the approach based on the P-f/Q-V droop control technique with virtual impedance for AC MG management. Essentially, the virtual impedance loop aims to decouple reactive and active power control without the need for additional physical components. Novelty. This research proposes enhancing voltage control in AC MG systems by introducing new methods of various control strategies, including PI and Fuzzy Logic Controller (FLC), and evaluating the effectiveness of each approach. The mathematical model of a system is always an approximation of real systems, variations or errors between mathematical models and real systems are referred to as uncertainty. This concept of uncertainty is present in both signals and models. In our study, uncertainties may involve factors related to the filter LC components. By employing advanced control strategies like FLC, the purpose of this research aims to contribute to the optimization and reliability of AC MG systems through the improvement of voltage control, which leads to guaranteed equitable power-sharing. Results. The major advantages of the FLC are robustness for any variation on the system and fast response. MATLAB software is used to simulate and validate the suggested control. Practical value. The simulation results show that the suggested control performs better in precise tracking optimization and robustness for all disturbances on the system compared to a PI controller. References 24, table 5, figures 11.Вступ. Мікромережі привернули значну увагу своїми численними перевагами, надаючи рішення для живлення віддалених місць, одночасно підвищуючи надійність системи. У мікромережах інвертори розподіленої генерації зазвичай працюють паралельно зі стратегіями управління спадами. Це дослідження фокусується на підході, що ґрунтується на техніці управління спадами P-f/Q-V з віртуальним імпедансом для управління мікромережею змінного струму. По суті контур віртуального імпедансу спрямований на розв’язку управління реактивною та активною потужністю без необхідності додаткових фізичних компонентів. Новизна. Це дослідження пропонує покращити управління напругою в системах мікромережі змінного струму шляхом впровадження нових методів різних стратегій управління, включаючи ПІ та нечіткий логічний контролер (FLC), та оцінку ефективності кожного підходу. Математична модель системи завжди є наближенням реальних систем, зміни чи помилки між математичними моделями та реальними системами називаються невизначеністю. Ця концепція невизначеності присутня як у сигналах, так і у моделях. У нашому дослідженні невизначеності можуть включати фактори, пов’язані з компонентами LC фільтра. Використовуючи передові стратегії управління, такі як FLC, мета даного дослідження полягає у сприянні оптимізації та надійності систем змінного струму мікромережі за допомогою покращення управління напругою, що призводить до гарантованого коректного розподілу потужності. Результати. Основними перевагами FLC є надійність для будь-яких змін у системі та швидкий відгук. Програмне забезпечення MATLAB використовується для моделювання та перевірки запропонованого керування. Практична цінність. Результати моделювання показують, що пропоноване управління працює краще у точній оптимізації відстеження та надійності для всіх збурень у системі порівняно з ПІ-регулятором. Бібл. 24, табл. 5, рис. 11
Experimental analysis of the effects of potential-induced degradation on photovoltaic module performance parameters
Full text linkIntroduction. Photovoltaic (PV) power plants are subject to various forms of degradation that can impair their performance and lead to significant faults within PV systems. Among these, Potential-Induced Degradation (PID) stands out as one of the most severe, impacting the efficiency and output of PV generators while shortening their lifespan. Problem. This phenomenon is the result of a decrease in the shunt resistance of the cells encapsulated within the PV module, directly associated with a reduction in its insulation resistance. Although extensive research has been conducted in this area, our understanding of the factors contributing to PID, as well as its detection and effects on PV systems, remains incomplete. The goal of this work is to investigate the variations in insulation resistance at the module’s glass and frame, and to map the changes in shunt resistance at the module level to identify the most vulnerable areas, characterized by lower insulation resistance values and significantly affected by PID. Methodology. This study utilizes a comparative experimental method to investigate the behavior of two identical PV modules under similar climatic conditions, where one module is exposed to voltage stress while the other remains unstressed. A high-voltage insulation resistance tester was employed to apply voltage stress between the terminals of the stressed module and its metal frame, with insulation resistance systematically measured at various points to analyze changes in electrical properties. The originality of this study lies in the estimation of the shunt resistance based on the operating voltage of the PV string, which depends on the types of grounding, climatic conditions such as temperature and humidity, as well as the position of the cell within the PV module. This estimation is correlated with the I-V characteristic curves of two PV modules, one of which is subjected to operating voltages under well-controlled environmental conditions. The results reveal that an increase in the test voltage leads to a reduction in insulation resistance, a phenomenon that becomes more pronounced in humid environments. This highlights the vulnerability of PV modules to PID, which can significantly affect their lifespan and performance, particularly through the reduction of shunt resistance and the distortion of the characteristic curve of the stressed module affected by this phenomenon, thereby causing increased difficulty in extracting its maximum power. References 30, table 3, figures 17.Вступ. Фотоелектричні (PV) електростанції схильні до різних форм деградації, які можуть погіршити їхню продуктивність і призвести до значних несправностей у PV системах. Серед них потенціально-індукована деградація (PID), виділяється як одна з найсерйозніших, впливаючи на ефективність та вихідну потужність PV генераторів, одночасно скорочуючи термін їхньої служби. Проблема. Це явище є результатом зниження опору шунтуючого з’єднання елементів, вбудованих у PV модулі, що безпосередньо пов’язано зі зниженням опору його ізоляції. Хоча в цій галузі було проведено широкі дослідження, наше розуміння факторів, що сприяють PID, а також його виявлення та впливу на PV системи, залишається неповним. Метою роботи є дослідження змін опору ізоляції на склі та каркасі модуля, а також картографування змін опору шунтуючого з’єднання на рівні модуля для виявлення найбільш вразливих зон, що характеризуються нижчими значеннями опору ізоляції та значно зазнають впливу PID. Методологія. У цьому дослідженні використовується порівняльний експериментальний метод для дослідження поведінки двох ідентичних PV модулів за подібних кліматичних умов, де один модуль піддається впливу напруги, а інший залишається ненапруженим. Для застосування напруги між клемами напруженого модуля та його металевим каркасом було використано високовольтний тестер опору ізоляції, при цьому опір ізоляції систематично вимірювався в різних точках для аналізу змін електричних властивостей. Оригінальність дослідження полягає в оцінці опору шунту на основі робочої напруги PV кола, яка залежить від типів заземлення, кліматичних умов, таких як температура та вологість, а також положення елемента всередині PV модуля. Ця оцінка корелює з ВАХ двох PV модулів, один з яких піддається робочій напрузі в добре контрольованих умовах навколишнього середовища. Результати показують, що збільшення випробувальної напруги призводить до зниження опору ізоляції, явище, яке стає більш вираженим у вологому середовищі. Це підкреслює вразливість PV модулів до PID, що може суттєво вплинути на їхній термін служби та продуктивність, зокрема через зменшення опору шунту та спотворення характеристик модуля, що піддається впливу цього явища, що призводить до збільшення труднощів в отриманні його максимальної потужності. Бібл. 30, табл. 3, рис. 17
Fuzzy logic-based vector control of permanent magnet synchronous motor drives under inter-turn short-circuit fault conditions
Full text linkIntroduction. Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are widely used in industrial and automotive applications due to their high efficiency and power density. Problem. However, their performance can be significantly affected by faults such as inter-turn short-circuits faults (ITSCFs) in the stator windings. These faults introduce oscillations in rotor speed and electromagnetic torque, increase total harmonic distortion (THD), and degrade the overall reliability of the system drive. Conventional field-oriented control (FOC) methods, particularly, those employing PI controllers, often struggle to maintain stability under such fault conditions. Goal. This study aims to develop and evaluate a fuzzy logic-based control strategy to enhance the fault tolerance of PMSM drives under ITSCFs conditions. Methodology. To achieve this, a mathematical model of the PMSM is developed to represent both healthy and faulty operating states. This model is integrated into a vector control framework where two types of speed controllers are compared: a conventional PI controller and a fuzzy PI controller. The proposed fuzzy logic controller is implemented within the FOC scheme and evaluated through simulation. Results. Simulation results demonstrate that the fuzzy vector control approach significantly reduces rotor speed and electromagnetic torque ripples under both healthy and faulty conditions, while maintaining stable torque output and minimizing THD. It consistently outperforms the conventional PI controller. Scientific novelty. Unlike traditional FOC methods, this study introduces a fuzzy logic-enhanced control strategy specifically designed to improve PMSM performance under fault conditions. The integration of fuzzy logic with vector control offers superior dynamic response and enhanced resilience. Practical value. The proposed approach improves the robustness and reliability of PMSM drives, particularly in fault-sensitive applications such as industrial automation and electric vehicles. This contributes to extended system lifespan and improved operational stability. References 26, tables 2, figures 13.Вступ. Синхронні двигуни з постійними магнітами (PMSMs) широко використовуються в промисловості та автомобілебудуванні завдяки своїй високій ефективності та питомій потужності. Проблема. Однак на їх продуктивність можуть суттєво впливати такі несправності, як міжвиткові короткі замикання (ITSCFs) в обмотках статора. Ці несправності призводять до коливань швидкості ротора та електромагнітного моменту, збільшують коефіцієнт гармонічних спотворень (THD) та знижують загальну надійність приводу системи. Традиційні методи управління з орієнтацією по полю (FOC), зокрема, з використанням ПІ-регуляторів, часто не забезпечують стійкість у таких умовах. Мета. Дане дослідження спрямоване на розробку та оцінку стратегії управління на основі нечіткої логіки для підвищення стійкості до відмови PMSMs в умовах ITSCFs. Методологія. Для досягнення цієї мети розроблено математичну модель PMSMs, яка описує як справні, так і несправні робочі стани. Ця модель інтегрована у систему векторного управління, де порівнюються два типи регуляторів швидкості: звичайний ПІ-регулятор та нечіткий ПІ-регулятор. Запропонований нечіткий логічний контролер реалізовано в рамках FOC схеми та оцінено за допомогою моделювання. Результати моделювання показують, що підхід з нечітким векторним управлінням значно знижує частоту обертання ротора і пульсації електромагнітного моменту як у справному, так і несправному стані, зберігаючи при цьому стабільний вихідний крутний момент і мінімізуючи сумарний THD. Він стабільно перевершує традиційний ПІ-регулятор. Наукова новизна. На відміну від традиційних FOC методів, це дослідження пропонує стратегію керування з покращеною нечіткою логікою, спеціально розроблену для покращення продуктивності PMSM в умовах несправності. Інтеграція нечіткої логіки з векторним управлінням забезпечує чудовий динамічний відгук та підвищену стійкість. Практична цінність. Пропонований підхід підвищує надійність та стійкість PMSMs, особливо у чутливих до відмов сферах, таких як промислова автоматика та електромобілі. Це сприяє збільшенню терміну служби системи та підвищенню експлуатаційної стабільності. Бібл. 26, табл. 2, рис. 13