DOI: https://doi.org/10.23919/pcmp.2025.000070
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: Ali Sait Özer وآخرون
الموضوع الرئيسي: جودة الطاقة والتوافقيات
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث التحديات المتعلقة بجودة الطاقة وكفاءتها في أنظمة الطاقة الريحية المعتمدة على مولد التحريض الذاتي (SEIG)، خاصة بسبب تقلبات الجهد والتردد الناتجة عن تغير سرعات الرياح والأحمال. للتخفيف من هذه المشكلات، يقترح المؤلفون خوارزمية تحكم تعتمد على حلقة قفل الطور الهجينة السريعة (FH-PLL) لمكافئ التزامن الثابت (DSTATCOM). تعزز هذه الطريقة الجديدة من اكتشاف التغيرات في السعة والتردد وزاوية الطور مع الحفاظ على الكفاءة الحسابية ودقة التقدير العالية. تظهر التقييمات المقارنة أن FH-PLL تقلل بشكل كبير من التشويه التوافقي الكلي (THD) وتشويه الطلب الكلي (TDD) مقارنة بالطرق الحالية، بما في ذلك حلقة قفل الطور المحسنة (EPLL) والمكامل العام من الدرجة الثانية (SOGI)، مع الامتثال لمعايير IEEE 519-2014.
تسلط الاستنتاجات الضوء على فعالية FH-PLL في استقرار جهد وتردد SEIG تحت ظروف صعبة متنوعة، مثل الأحمال غير الخطية وغير المتوازنة، وأعطال الدائرة المفتوحة. لا تحسن الطريقة المقترحة الاستجابة الديناميكية ودقة الحالة المستقرة فحسب، بل تظهر أيضًا قدرات متفوقة في رفض الاضطرابات. يُقترح العمل المستقبلي لدمج خوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى مع نظام SEIG لتعزيز كفاءة الطاقة بشكل أكبر. يوفر الملحق حسابات مفصلة لمتطلبات الطاقة التفاعلية وحجم مكثف حافلة DC، مما يضمن تشغيل DSTATCOM بشكل فعال ضمن ظروف النظام العابرة.
طرق
في هذا القسم، تم تقييم أداء أربعة خوارزميات لحلقة قفل الطور (PLL)—SRF-PLL، DSOGI-PLL، MAF-PLL، وFH-PLL—من خلال اختبارات تجريبية باستخدام DSP TMS320F28335. تم إجراء الاختبارات تحت ظروف متنوعة، بما في ذلك الأحمال غير المتوازنة، والأحمال غير الخطية، والانحرافات المستمرة، مع ضبط سعات إشارة الإدخال على 1 p.u. وتردد أخذ العينات 10 kHz. أظهرت FH-PLL أداءً متفوقًا، حيث أظهرت أسرع استجابة ديناميكية وأقل تجاوز في الأخطاء في السعة والتردد والطور، خاصة تحت ظروف غير متوازنة وتغيرات في التردد. في المقابل، أظهرت SRF-PLL أكبر الأخطاء عبر جميع الاختبارات، بينما عانت MAF-PLL من أخطاء تذبذبية بتردد مزدوج.
أشارت النتائج التجريبية إلى أن كل من DSOGI-PLL وFH-PLL حافظت على دقة الحالة المستقرة دون أخطاء في السعة أو التردد أو الطور، حيث حققت FH-PLL وقت استقرار يبلغ حوالي 1.5 دورة. كما تفوقت FH-PLL على الطرق الحالية من حيث الأداء التوافقي، مع قيم أقل من تشويه الطلب الكلي (TDD) وتشويه التوافقيات الكلي (THD) تحت ظروف الحمل المختلفة، مما يؤكد فعاليتها في إدارة الاضطرابات وضمان الاستقرار في الأنظمة المتصلة بالشبكة. تشير النتائج إلى أن FH-PLL هي حل عملي وفعال للتطبيقات التي تتطلب أداءً قويًا في ظل وجود تغيرات في الحمل والاضطرابات.
نقاش
يستعرض قسم النقاش في ورقة البحث تكوين وتصميم مخطط تحكم يعتمد على DSTATCOM ثلاثي الطور لمولد التحريض الذاتي (SEIG) بقدرة 15 كيلووات، 400 فولت. تستخدم الدراسة طرقًا تجريبية متنوعة لتحديد معلمات SEIG، بما في ذلك اختبارات عدم الحمل واختبارات دوران القفل. يتم استخدام بنك مكثفات متصل بشكل دلتا لتحفيز SEIG، مع سعة محسوبة تبلغ 62.9 ميكروفاراد، مما يؤدي إلى اختيار قيمة مكثف قياسية تبلغ 65 ميكروفاراد. يقوم DSTATCOM، المتصل بالتوازي مع نقطة الربط المشترك (PCC)، بتعويض انخفاضات الجهد تحت ظروف الحمل المتغيرة، مع قيمة محث الفلتر تبلغ 5.85 ملّي هنري تم تحديدها بناءً على تموج تيار بنسبة 5%. تم حساب مكثف حافلة DC، الذي يعد حاسمًا للأداء الديناميكي، ليكون 2543 ميكروفاراد، مع اختيار قيمة قياسية تبلغ 2700 ميكروفاراد للتنفيذ.
تتناول الورقة أيضًا التحديات التي تطرحها الأحمال غير المتوازنة وغير الخطية، والتي يمكن أن تؤثر على جودة الطاقة وتؤثر على خوارزمية التحكم في DSTATCOM. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون هيكل حلقة قفل الطور المتقدمة (PLL)، وتحديدًا حلقة قفل الطور الهجينة المقترحة (FH-PLL)، التي تظهر قدرات تصفية متفوقة واستجابة ديناميكية مقارنة بالطرق التقليدية مثل SRF-PLL. تعمل FH-PLL على التخفيف من التوافقيات وعدم التوازن في الحمل مع الحفاظ على القدرة على التكيف مع تغيرات التردد. تشير النتائج إلى أن نظام DSTATCOM المعتمد على FH-PLL يتفوق على استراتيجيات التحكم التقليدية، محققًا تحسينًا في استقرار الجهد والتردد، وتقليل التشويه التوافقي الكلي (THD)، والامتثال لمعايير جودة الطاقة IEEE تحت ظروف تشغيل متنوعة. يهدف العمل المستقبلي إلى دمج خوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى لتعزيز كفاءة الطاقة بشكل أكبر في نظام SEIG.
DOI: https://doi.org/10.23919/pcmp.2025.000070
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): Ali Sait Özer et al.
Primary Topic: Power Quality and Harmonics
Overview
The research paper addresses the challenges of power quality and efficiency in self-excited induction generator (SEIG)-based wind energy systems, particularly due to fluctuations in voltage and frequency caused by varying wind speeds and loads. To mitigate these issues, the authors propose a fast hybrid-phase locked loop (FH-PLL)-based control algorithm for a distribution static synchronous compensator (DSTATCOM). This novel approach enhances the detection of amplitude, frequency, and phase angle variations while maintaining computational efficiency and high estimation accuracy. Comparative evaluations demonstrate that the FH-PLL significantly reduces total harmonic distortion (THD) and total demand distortion (TDD) compared to existing methods, including enhanced phase locked loop (EPLL) and second-order generalized integrator (SOGI), while complying with IEEE 519-2014 standards.
The conclusions highlight the effectiveness of the FH-PLL in stabilizing the SEIG terminal voltage and frequency under various challenging conditions, such as nonlinear and unbalanced loads, and open-circuit faults. The proposed method not only improves dynamic response and steady-state accuracy but also exhibits superior disturbance rejection capabilities. Future work is suggested to integrate a maximum power point tracking algorithm with the SEIG system to further enhance energy efficiency. The appendix provides detailed calculations for the reactive power requirements and the sizing of the DC bus capacitor, ensuring the DSTATCOM operates effectively within the system’s transient conditions.
Methods
In this section, the performance of four Phase-Locked Loop (PLL) algorithms—SRF-PLL, DSOGI-PLL, MAF-PLL, and FH-PLL—was evaluated through experimental tests using a TMS320F28335 DSP. The tests were conducted under various conditions, including unbalanced loads, nonlinear loads, and DC-offsets, with input signal amplitudes set to 1 p.u. and a sampling frequency of 10 kHz. The FH-PLL demonstrated superior performance, exhibiting the fastest dynamic response and lowest overshoot in amplitude, frequency, and phase errors, particularly under unbalanced conditions and frequency variations. In contrast, the SRF-PLL showed the largest errors across all tests, while the MAF-PLL suffered from double-frequency oscillatory errors.
The experimental results indicated that both the DSOGI-PLL and FH-PLL maintained steady-state accuracy without errors in amplitude, frequency, or phase, with the FH-PLL achieving a settling time of approximately 1.5 cycles. The proposed FH-PLL also outperformed existing methods in terms of harmonic performance, with lower Total Demand Distortion (TDD) and Total Harmonic Distortion (THD) values under various load conditions, thus confirming its effectiveness in managing disturbances and ensuring stability in grid-connected systems. The findings suggest that the FH-PLL is a practical and efficient solution for applications requiring robust performance in the presence of load variations and disturbances.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the configuration and design of a three-phase DSTATCOM-based control scheme for a 15 kW, 400 V self-excited induction generator (SEIG). The study employs various experimental methods to determine the SEIG parameters, including no-load and locked-rotor tests. A delta-connected capacitor bank is utilized to excite the SEIG, with a calculated capacitance of 62.9 μF, leading to the selection of a standard capacitor value of 65 μF. The DSTATCOM, connected in parallel to the point of common coupling (PCC), compensates for voltage drops under varying load conditions, with a filter inductor value of 5.85 mH determined based on a 5% current ripple. The DC bus capacitor, critical for dynamic performance, is calculated to be 2543 μF, with a standard value of 2700 μF chosen for implementation.
The paper further discusses the challenges posed by unbalanced and nonlinear loads, which can degrade power quality and affect the DSTATCOM control algorithm. To address these issues, the authors propose an advanced phase-locked loop (PLL) structure, specifically the proposed frequency-hybrid PLL (FH-PLL), which demonstrates superior filtering capabilities and dynamic response compared to traditional methods like the SRF-PLL. The FH-PLL effectively mitigates harmonics and load imbalances while maintaining adaptability to frequency variations. The results indicate that the proposed FH-PLL-based DSTATCOM system outperforms conventional control strategies, achieving improved voltage and frequency stabilization, lower total harmonic distortion (THD), and compliance with IEEE power quality standards under various operational conditions. Future work aims to integrate a maximum power point tracking algorithm to further enhance energy efficiency in the SEIG system.