Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters
Introduction. The integration of a static synchronous compensator (STATCOM) based on a flying capacitor multicell converter (FCMC) provides an effective solution for dynamic reactive power compensation and voltage quality improvement. The adoption of nonlinear control strategies, such as sliding mod...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://eie.khpi.edu.ua/article/view/342352 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Electrical Engineering & Electromechanics |
Репозитарії
Electrical Engineering & Electromechanics| _version_ | 1859471848308211712 |
|---|---|
| author | Belakehal, S. Srief, M. L. |
| author_facet | Belakehal, S. Srief, M. L. |
| author_sort | Belakehal, S. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-03-01T22:04:33Z |
| description | Introduction. The integration of a static synchronous compensator (STATCOM) based on a flying capacitor multicell converter (FCMC) provides an effective solution for dynamic reactive power compensation and voltage quality improvement. The adoption of nonlinear control strategies, such as sliding mode control (SMC) and backstepping (BSC), enhances system robustness and ensures precise tracking of variables despite network nonlinearities and disturbances. Problem. Reactive, inductive or capacitive loads cause network imbalances leading to voltage sags, swells and fluctuations at the point of common coupling (PCC). These disturbances degrade power quality, reduce the power factor and place excessive stress on equipment. Moreover, high reactive power flow increases losses and decreases the overall system efficiency. Goal. This study compares the performance of SMC and BSC controllers applied to a STATCOM for PCC voltage regulation aiming to improve the power factor, effectively control reactive power and overcome the limitations of conventional controllers under network nonlinearities and voltage disturbances caused by reactive loads. Methodology. The SMC uses a sliding surface based on current errors to achieve fast and precise tracking even in the presence of disturbances. The BSC control employs Lyapunov functions to decompose the nonlinear system into controllable subsystems, ensuring overall stability. Both strategies are simulated on a 5-level flying capacitor multicell STATCOM using MATLAB/Simulink. Simulation results confirm the effectiveness of both controllers in maintaining the PCC voltage at its reference value with a very short response time (1 ms), even under reactive load variations. Precise reactive power control enables rapid compensation of fluctuations, improves the power factor and reduces harmonic distortion. The scientific novelty of this work lies in the comparative performance analysis of the nonlinear SMC and BSC controllers applied to a STATCOM based on a FCMC converter, considering network disturbances caused by reactive loads. Practical value. These nonlinear control strategies significantly enhance the stability, voltage quality, and power factor of low-voltage networks equipped with STATCOMs. References 36, tables 4, figures 18. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:03Z |
| format | Article |
| id | eiekhpieduua-article-342352 |
| institution | Electrical Engineering & Electromechanics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-03-12T15:49:03Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | eiekhpieduua-article-3423522026-03-01T22:04:33Z Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters Belakehal, S. Srief, M. L. flying capacitor multicell converter static synchronous compensator sliding mode control PI controller багатоелементний перетворювач з літаючим конденсатором статичний синхронний компенсатор керування ковзним режимом ПІ-регулятор Introduction. The integration of a static synchronous compensator (STATCOM) based on a flying capacitor multicell converter (FCMC) provides an effective solution for dynamic reactive power compensation and voltage quality improvement. The adoption of nonlinear control strategies, such as sliding mode control (SMC) and backstepping (BSC), enhances system robustness and ensures precise tracking of variables despite network nonlinearities and disturbances. Problem. Reactive, inductive or capacitive loads cause network imbalances leading to voltage sags, swells and fluctuations at the point of common coupling (PCC). These disturbances degrade power quality, reduce the power factor and place excessive stress on equipment. Moreover, high reactive power flow increases losses and decreases the overall system efficiency. Goal. This study compares the performance of SMC and BSC controllers applied to a STATCOM for PCC voltage regulation aiming to improve the power factor, effectively control reactive power and overcome the limitations of conventional controllers under network nonlinearities and voltage disturbances caused by reactive loads. Methodology. The SMC uses a sliding surface based on current errors to achieve fast and precise tracking even in the presence of disturbances. The BSC control employs Lyapunov functions to decompose the nonlinear system into controllable subsystems, ensuring overall stability. Both strategies are simulated on a 5-level flying capacitor multicell STATCOM using MATLAB/Simulink. Simulation results confirm the effectiveness of both controllers in maintaining the PCC voltage at its reference value with a very short response time (1 ms), even under reactive load variations. Precise reactive power control enables rapid compensation of fluctuations, improves the power factor and reduces harmonic distortion. The scientific novelty of this work lies in the comparative performance analysis of the nonlinear SMC and BSC controllers applied to a STATCOM based on a FCMC converter, considering network disturbances caused by reactive loads. Practical value. These nonlinear control strategies significantly enhance the stability, voltage quality, and power factor of low-voltage networks equipped with STATCOMs. References 36, tables 4, figures 18. Вступ. Інтеграція статичного синхронного компенсатора (STATCOM) на основі багатоелементного перетворювача з літаючим конденсатором (FCMC) забезпечує ефективне рішення для динамічної компенсації реактивної потужності та покращення якості напруги. Впровадження нелінійних стратегій керування, таких як ковзне керування (SMC) та зворотний крок (BSC), підвищує стійкість системи та забезпечує точне відстеження змінних, незважаючи на нелінійність та збурення мережі. Проблема. Реактивні, індуктивні або ємнісні навантаження викликають дисбаланс мережі, що призводить до знижень, збільшень та коливань напруги в точці спільного підключення (PCC). Ці збурення погіршують якість електроенергії, знижують коефіцієнт потужності та створюють надмірне навантаження на обладнання. Крім того, високий потік реактивної потужності збільшує втрати та знижує загальну ефективність системи. Мета. У цьому дослідженні порівнюється продуктивність контролерів SMC та BSC, що застосовуються до STATCOM для регулювання напруги PCC, з метою покращення коефіцієнта потужності, ефективного керування реактивною потужністю та подолання обмежень традиційних контролерів за умов нелінійності мережі та збурень напруги, спричинених реактивними навантаженнями. Методика. SMC використовує ковзну поверхню на основі похибок струму для досягнення швидкого та точного відстеження навіть за наявності збурень. Керування BSC використовує функції Ляпунова для розкладання нелінійної системи на керовані підсистеми, забезпечуючи загальну стабільність. Обидві стратегії моделюються на п’ятирівневому багатоелементному STATCOM з літаючим конденсатором за допомогою MATLAB/Simulink. Результати моделювання підтверджують ефективність обох контролерів у підтримці напруги PCC на її опорному значенні з дуже коротким часом відгуку (1 мс), навіть за коливань реактивного навантаження. Точне керування реактивною потужністю дозволяє швидко компенсувати коливання, покращує коефіцієнт потужності та зменшує гармонійні спотворення. Наукова новизна роботи полягає в порівняльному аналізі продуктивності нелінійних контролерів SMC та BSC, застосованих до STATCOM на основі перетворювача FCMC, з урахуванням мережевих збурень, спричинених реактивними навантаженнями. Практична значимість. Ці нелінійні стратегії керування значно покращують стабільність, якість напруги та коефіцієнт потужності низьковольтних мереж, оснащених STATCOM. Бібл. 36, табл. 4, рис. 18. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine 2026-03-02 Article Article application/pdf https://eie.khpi.edu.ua/article/view/342352 10.20998/2074-272X.2026.2.04 Electrical Engineering & Electromechanics; No. 2 (2026); 22-30 Электротехника и Электромеханика; № 2 (2026); 22-30 Електротехніка і Електромеханіка; № 2 (2026); 22-30 2309-3404 2074-272X en https://eie.khpi.edu.ua/article/view/342352/339322 Copyright (c) 2026 S. Belakehal, M. L. Srief http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | flying capacitor multicell converter static synchronous compensator sliding mode control PI controller Belakehal, S. Srief, M. L. Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title | Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title_alt | Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title_full | Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title_fullStr | Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title_full_unstemmed | Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title_short | Comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| title_sort | comparative performance analysis of backstepping and sliding mode control for static synchronous compensators based on flying capacitor multicell converters |
| topic | flying capacitor multicell converter static synchronous compensator sliding mode control PI controller |
| topic_facet | flying capacitor multicell converter static synchronous compensator sliding mode control PI controller багатоелементний перетворювач з літаючим конденсатором статичний синхронний компенсатор керування ковзним режимом ПІ-регулятор |
| url | https://eie.khpi.edu.ua/article/view/342352 |
| work_keys_str_mv | AT belakehals comparativeperformanceanalysisofbacksteppingandslidingmodecontrolforstaticsynchronouscompensatorsbasedonflyingcapacitormulticellconverters AT sriefml comparativeperformanceanalysisofbacksteppingandslidingmodecontrolforstaticsynchronouscompensatorsbasedonflyingcapacitormulticellconverters |