Maximum Power Point Tracking by the Small-Signal-Based PI and Fuzzy Logic Controller Approaches for a Two-stage Switched-Capacitor DC-DC Power Boost Converter; Applicable for Photovoltaic Utilizations

Fotovoltaik paneller için esas problemlerden biri de voltajın sınırlı değerlerde üretilmesidir. Şebeke uygulamaları için bu DC voltajını arttırmak için, yüksek voltaj kazanclı, trafosuz, düşük voltaj stresi ve verimli DC-DC yükseltici dönüştürücüler kullanılır.Esas olan, basit kontrol yaklaşımları ile PV dizisinin gerilimini veya dizinin maksimum güç altındaki yük değerini değiştirerek voltajı dönüştürücünün çıkış uçlarında sabit tutmaktır.Bu yaklaşım Maksimum Güç Noktası İzleme (MPPT) olarak bilinir. Bu çalışma, Orantılı İntegral (PI) ve bulanık mantık denetleyici yöntemlerine sahip İki Aşamalı Anahtarlamalı Kapasitör (SC) hücre tabanlı boost dönüştürücü için kontrol sürecini sunar. Güç anahtarı üzerinde düşük voltaj stresleri ve daha yüksek voltaj kazancı sağlamak için geleneksel yükseltici dönüştürücü yerine iki aşamalı SC hücre tabanlı yükseltici dönüştürücü kullanılmıştır. Önerilen çalışmada, yükseltici dönüştürücünün voltaj kazancı ve verimliliği, volt-ikinci denge yöntemi ve akım şarj yaklaşımları kullanılarak hesaplanmıştır. Karşılaştırılan sistemler farklı giriş voltajlarında test edilmiştir ve çıkış voltajı 200 VDC'ye sabitlenmiştir.Sonuçlar, dönüştürücüye uygulanan PI denetleyicisi ile bulanık mantık denetleyicisi algoritmaları arasındaki karşılaştırmayı gösterir. Bu makalede MATLAB / SIMULINK yazılımı kullanılmıştır. Nihai sonuçlar, bulanık mantık denetleyicisinin PI Kontrolü ile karşılaştırıldığında daha hızlı performansa sahip olduğunu, ancak PI denetleyicisinin giriş voltajının veya çıkış yükünün değişim süresinde daha az aşma ve aşınmaya sahip olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler:

Photovoltaic panel, switched-capacitor cell, dc-dc boost converter, PI Controller, fuzzy logic

PDF

___

[1] Spring, G. Wirth, G. Becker, R. Pardatscher and R. Witzmann, "Grid Influences From Reactive Power Flow of Photovoltaic Inverters With a Power Factor Specification of One," in IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 7, no. 3, pp. 1222-1229, May 2016, doi: 10.1109/TSG.2015.2413949.
[2] A. Sangwongwanich and F. Blaabjerg, "Mitigation of Interharmonics in PV Systems With Maximum Power Point Tracking Modification," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 9, pp. 8279-8282, Sept. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2019.2902880.
[3] D. GHADERI, D. Molaverdi, A. Kokabi, and B. Papari, “A Multi Phase Impedance Source Inverter with an Improved Controller Structure,” ELECTRICAL ENGINEERING, pp. 0–0, Mar. 2020.
[4] H. D. Tafti, C. D. Townsend, G. Konstantinou and J. Pou, "A Multi-Mode Flexible Power Point Tracking Algorithm for Photovoltaic Power Plants," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 6, pp. 5038-5042, June 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2883320.
[5] M. Lei et al., "An MPC-Based ESS Control Method for PV Power Smoothing Applications," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 3, pp. 2136-2144, March 2018, doi: 10.1109/TPEL.2017.2694448.
[6] Y. Jeon, H. Lee, K. A. Kim and J. Park, "Least Power Point Tracking Method for Photovoltaic Differential Power Processing Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 3, pp. 1941-1951, March 2017, doi: 10.1109/TPEL.2016.2556746.
[7] H. D. Tafti, A. Sangwongwanich, Y. Yang, J. Pou, G. Konstantinou and F. Blaabjerg, "An Adaptive Control Scheme for Flexible Power Point Tracking in Photovoltaic Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 6, pp. 5451-5463, June 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2869172.
[8] J. Wang, K. Sun, H. Wu, L. Zhang, J. Zhu and Y. Xing, "Quasi-Two-Stage Multifunctional Photovoltaic Inverter with Power Quality Control and Enhanced Conversion Efficiency," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 7, pp. 7073-7085, July 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2956940.
[9] Bayrak G.; Ghaderi D. An Improved Step-Up Converter with a Developed Real-Time Fuzzy-Based MPPT Controller for PV-based Residential Application, International Transactions on Electrical Energy Systems,2019, Doi: 10.1002/2050-7038.12140
[10] S. Kolesnik et al., "Solar Irradiation Independent Expression for Photovoltaic Generator Maximum Power Line," in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 7, no. 5, pp. 1416-1420, Sept. 2017, doi: 10.1109/JPHOTOV.2017.2713404.
[11] B. Wu, S. Li, Y. Liu and K. Ma Smedley, "A New Hybrid Boosting Converter for Renewable Energy Applications," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 1203-1215, Feb. 2016, doi: 10.1109/TPEL.2015.2420994.
[12] A. Eslami and T. Ghanbari, "New mathematical model from system standpoint to analyse and mitigate PV leakage current of large PV strings/arrays," in IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 13, no. 4, pp. 543-552, 26 2 2019, doi: 10.1049/iet-gtd.2018.5030.
[13] R. P. Xu, C. Zhang, Y. Xu and Z. Y. Dong, "Rolling horizon based multi-objective robust voltage/VAR regulation with conservation voltage reduction in high PV-penetrated distribution networks," in IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 13, no. 9, pp. 1621-1629, 7 5 2019, doi: 10.1049/iet-gtd.2018.5940.
[14] R. Yan and T. K. Saha, "Investigation of Voltage Stability for Residential Customers Due to High Photovoltaic Penetrations," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 27, no. 2, pp. 651-662, May 2012, doi: 10.1109/TPWRS.2011.2180741.
[15] Y. Li et al., "Power Compensation Control for Interconnection of Weak Power Systems by VSC-HVDC," in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 32, no. 4, pp. 1964-1974, Aug. 2017, doi: 10.1109/TPWRD.2016.2602890.
[16] Huang R, Hong F, Ghaderi D. Sliding mode controller-based e-bike charging station for photovoltaic applications. Int Trans Electr Energ Syst. 2020;e12300. https://doi.org/10.1002/2050-7038.12300
[17] D. GHADERI, P. Kiran Maroti, P. Sanjeevikumar, J. Bo HolmNielsen, E. Hossain, and A. Nayyar, “A Modified Step Up Converter with Small Signal Analysis Based Controller for Renewable Resource Applications,” Applied Sciences-Basel, vol. 10, no. 1, pp. 1–23, Jan. 2020. DOI:10.3390/app10010102
[18] D. GHADERI and G. BAYRAK, “Performance Assessment of a High Powered Boost Converter for Photovoltaic Residential Implementations,” Elektronika Ir Elektrotechnika, vol. 25, no. 6, pp. 40–47, Dec. 2019. DOI:http://dx.doi.org/10.5755/j01.eie.25.6.24825
[19] D. GHADERI and G. BAYRAK, “A Novel Step Up Power Converter Configuration for Solar Energy Application,” Elektronika Ir Elektrotechnika, vol. 3, no. 25, pp. 50–55, Jun. 2019. DOI:https://doi.org/10.5755/j01.eie.25.3.23676
[20] D. GHADERI, M. ÇELEBİ, M. R. MİNAZ, and M. TÖREN, “Efficiency Improvement for a DC DC Quadratic Power Boost Converter by Applying a Switch Turn off Lossless Snubber Structure Based on Zero Voltage Switching ZVS ,” Elektronika Ir Elektrotechnika, vol. 24, no. 3, pp. 15–22, Jun. 2018. DOI:http://dx.doi.org/10.5755/j01.eie.24.3.20977
[21] Asim Amir, Hang Seng Che, Aamir Amir, Ahmad El Khateb, Nasrudin Abd Rahim, Transformerless high gain boost and buck-boost DC-DC converters based on extendable switched capacitor (SC) cell for stand-alone photovoltaic system, Solar Energy, Volume 171, 2018, Pages 212-222, ISSN 0038-092X, https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.06.078.
[22] N. A. Rahim, A. Amir, A. El Khateb, H. S. Che and A. Amir, "Gain and efficiency analysis of 2-stage switched capacitor (SC) boost based dc-dc converter," 4th IET Clean Energy and Technology Conference (CEAT 2016), Kuala Lumpur, 2016, pp. 1-5, doi: 10.1049/cp.2016.1312.
[23] H. Rezk, M. Aly, M. Al-Dhaifallah and M. Shoyama, "Design and Hardware Implementation of New Adaptive Fuzzy Logic-Based MPPT Control Method for Photovoltaic Applications," in IEEE Access, vol. 7, pp. 106427-106438, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2932694.