TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 65 7 9  ~ 658 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.646 6          6579     Re cei v ed Ap ril 10, 2014; Revi sed  Jul y  8, 2014; Accept ed Jul y  18, 2 014   Modelling of Single Stage Inverter for PV System Using  Optimization Algorithm      Karthick S P* 1 , Karthigai v e l  R 2 , Helen Catherine R L 3  1,2 Department of Electrical &  Electron ics,  PSNA Coll eg e of Engi neer in g & T e chnolog y,    Dini d i gul, T a milna du, Indi a -6 246 22   3 Departme n t of Electrical & El ectronics, Sri K r ishn a  Col l eg e of  Engin eer ing &  T e chnol og y,   Coimb a tore, T a miln ad u, India  -6410 08   *Corres p onidng author, e -mail: karrthicksp@gmail.c o m 1 , karthi.mtech@gm a il.com 2 ,  rl.hel encath e ri ne@ gmai l.com 3       A b st r a ct   MPPT  control  alg o rith m a nd  lossless  inv e rter c an be i m p r ovin g  the efficiency of  ph otovolta i c   system . Amount of solar r adiation ex pos ed  on the  panel is  affected by  buildings and tree  shadows. Such  partia lly sha d e d  cells le ad to  the  existence  of multip le  mpps an d the p r obl em c an be  regard ed as  a n   opti m i z at ion  pr obl e m . T he co ntrol a l g o rith m  na me d se ek er  opti m i z at ion  al gorith m  (s oa)  i s  impl e m ente d  i n   this pap er to find the gl ob al  mp p inste ad lo cal maxi ma o b t aine d in cas e  of conventi o n a l  perturbati on a n d   observ a tion  (p &o)  meth od, i n crementa l  co n ductanc e  and   other s o luti on   meth od olo g i e s. Sw itching  los s es   are min i mi z e d  by sing le stag e  inverter confi g uratio n.  The pr opos ed syste m  output volt a g e  is a rectified si ne   w a ve. Simulati on  mo del  is d e vel ope d i n  ps im th at cou p l e s soa a l gor ith m  co de d in  matlab. F i n a lly  it w i l l   improve th e ov erall  efficiency  and re duc e the  sw it ching loss es of the solar  photov olta ic system.      Ke y w ords : opt imi z a t io n al gori t hm (seek er), mp pt, buck bo ost singl e stag e inverter         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Today’s Po wer en gine er f o cu s on im proving  the u s a ge of naturall y  repleni sh ed  energy  sou r ces  su ch  as sunlight,  wind, etc. So lar en ergy  fin d s ap plicatio n in variou s  area s li ke sol a r   heater,  sola r coo k e r , day lighting an d many.   Solar  syste m  conve r ts sunli ght  into  electr i c ity, usin g  photo v oltaic (PV) cell s. To   overcome th e dra w ba cks,  particle  swa r m ba sed co ntrol algo rith ms we re dev elope d for higher  power utilization from panel  [3].    The metho d  we ad opted i s  PSO that is an effective and sim p le M e ta heuri s tic  method  for obtainin g  optimize d  sol u tion. In sect ion I  of the p aper, the pro posed Single  stage invert er  config uratio n  is discu s se d. Single sta ge bu ck  b o o s t  inverter configuration can  p e rfo r m tw o   tasks. It either bu cks  or  boo sts the  p anel’ s  out put  DC voltag e  and  conve r ts it into AC. As a  result, the e n t ire ci rcuit is  redu ce d in  confi guration  and i s  m o re   comp act.   Th e adva n tage s of  prop osed sin g le stage  i n verter  are  that  it has better  gain, a nd le ss  swit chin g lo sses .The  out put  voltage of a  device  ca n b e  adju s ted  a s  pe r the   dut y cycle. T he  conve r ter i s   operated th ro ugh   MPPT contro ller that is co ded with Opti mizati on al go rithm in orde r to obtain maximum power  from the pan el.       2. Single Stage Buc k  Boo s t Co nv erter  An inverte r  o perate s  to  co nvert direct  curr ent (DC) t o  alternating  curre n t (AC). U se of   inverter  circui ts plays a vital role to improve  the efficien cy of Solar pan els. Th e variable  DC  output of the panel i s  co nverted into d e sirable  DC  and  then to AC in  orde r to co n nect it with th e  utility grid. PV system inv e rters  can  act  as M a xi mum  power point trackers  when cont rolled  wi th  approp riate  control  algo rith ms. Efficien cy of pan el  i s  i m prove d  by  a dopting  si ngl e sta ge i n vert er  config uratio n [4] as sho w n i n  Figure 1.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 79 – 658 6   6580 2.1. Existing Conv erter Problems   Buck Bo ost  conve r ters o perate s  ha rd  switch ing  which  rise th e  switching lo sses a nd  stre ss a c ross the  conve r ter in  conve n tio nal meth od s [ 5 ]. Output Po wer level f r o m  the i n verte r  is  redu ce d due  to current rip p les. Amon g the singl e sta ge and two stage inverte r  config uratio n s ,  two  stage  sy stem h a ving  more  no  of  switch es. E n e r gy lo ss is m o re  due  to m o re  stag es of  conve r si on. T o  overcome t hese pro b lem s , a buck bo o s t conve r ter i s  ado pted.     2.2. Methodo log y  Adopte d   A single  stag e inverter  co mes o u t with redu ce d num ber of switchi ng co mpon en ts whi c h   in turn mi nimi ze s the  swit ching lo sse s  [6]. Loss r edu ction i s  al so a c hieve d  du e to sin g le e nergy  conve r si on  stage. Switch es  are  turn e d  O N  at  fun damental  fre quen cy to  re duce  swit chi ng  losse s . Cu rre nt ripple s  are redu ce d by in cludi ng in d u ct or topolo g y. It is necessa ry  to decide the   desi r e valu e  of indu ctor to  increa se th e  output vo ltag e level. Outp ut voltage of  the co nverte r is  based o n  dut y cycle. It op erate s  in di scontin uou s m ode to a c hie v e unity power facto r . Th e  prop osed  co nverter’ s g a i n  is in crea sed by  √ 2  than  that of co n v entional  co nverters. Th e   c onverter effec t           Figure 1. Block  Diag ram f o r Prop osed  Model       After the co n v ersio n  sta g e  the output o f  c onverte r i s  boo st DC vo ltage only. By using  the H-b r idge  inverte r  we  can  obtain  th e si nu soidal   AC voltage.  Usi ng  semi  sinusoidal P W M  pulse we givi ng the g a te p u lse to th e switch es.  An d  the output of  the inve rte r  conne cted  wit h  the  load o r  g r id.  Becau s e  of this  conve r si o n  we  re du ce  the losse s  a nd imp r ove t he voltage  g a in.  Here the ma in obje c tive of the syste m  is us ed to  improve the  efficiency of  the system  by  redu cin g   the  system ene rgy  co nver sio n  by redu cin g  the  stag es  in the  co nverter sy stem  also   here we ana lyzed some pape rs  fo r  o u r  refere nc e  there th ey mentione d di fferent different   method s they introdu ced t o  improve th e efficiency  o f  the system also the r e wil l  be a proble m  in   all the sy ste m  is they a r e  not able to  extract  the m a ximum po we r d u ring  day tim e  too. But there  the thing i s  i n  case  if we  used m e ch anical tra c kin g  mea n s tha t  need  a  se parate  po we r to   operate the system and it too having two times  one i s  singl e axis tracking  syst em and anot her   one is d ual  axis tra cki ng  system the  main di ffere n c e bet wee n  the sin g le axi s  and  dual a x is   tracking sy stem is they  wi ll track the sunlight in  one directio n only but in dual axis it  will  track  both the axis ultimately the system will give more  efficiency compare to single axi s  tracking but  i t   con s um es m o re  po we r th at nee d a  servo motors to   move the  pa nel in  two  axi s  b u t ultimate ly it  rise s th e initi a l cost of th e  system  and  that ne ed m o re mainte nan ce the s e m u ch  dra w b a cks a r e  in t h e  me cha n ical  t r a c king  sy st em b u t  i n ca se  if   sup p o se  it  i s   st an dalon e  sy st e m  mea n s  t hat  not   requi re d just  comp are the  overall effici e n cy  of the m e ch ani cal tra cki ng  system  and  stand al one  system  mea n s  that give s  some  differe nce  in thei r  o u tput, but tha t  also if it i s   a thermal b a s ed   system if we need the r mal  energy a s  a output  mean s that system  gives more  output and th e  mech ani cal tracking give s   better efficie n cy but t he o v erall cost of  the system i s  some wh at high  comp are to their  colle cto r   material.  Here the sy stem  co st is  some what different  how m ean s t he  sola r photovo l taic gen erato r  that pv cost  also  hig h  bu t the system gives very le ss p e rfo r ma n c e   and the  effici ency al so  vary depen ds up on the m a te ri al and  co st al so va ry dep e nd up on the  type  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modellin g of Single Stage  Inverte r  for P V  System  Usi ng Optim i zation Algorithm  (Karthi ck S P )   6581 of materi al h e re  we h a vin g  the s e  mu ch  problem s    we a r e fa cin g  t o  in stall the  p v  system  for this  we h a ving a   optimal  soluti on is to  extract the m a ximum po we r f r om the  solar panel  by u s i n g   different type s of el ectroni c tra c king  me thod is  called  maximum p o w er poi nt tra c king. T he MP PT   controlle r will  get the in put  from the  sol a r p hot ovoltai c  outp u t an d  comp are with  the refe re nce  and g ene rate  a pa rticul ar  gate pul se  a nd give to  th e switch es. T hen o n ly we   get the d e si red  output. And   we fo cu se d  on the  maxi mum p o wer  point trackin g  control u s i ng o p timization  algorith m .        3. Simulation Resul t   The  wo rkin g  of the p r op o s ed  mod e l i s  verified fo r i t s efficie n cy  usin g two  si mulation  softwa r e, PSIM and MAT L AB. MPPT control al go rithm is  develo ped in  MATL AB environm ent.  Re sults obtai ned  prove s  t hat the  pro p o s ed  See k e r  o p timization  b a se d MPPT  control al go rithm   in more effect ive in finding global optima l  solu tion. Th e algorithm  converg e s for  redu ce d num ber  of iterations  as compa r ed  with that of  PSO  appro a c h. Figu re 2 indicates the  circuit diagram  dra w n u s ing  PSIM software in this circu i t diagram tha t  compri se s solar pv whi c h  is cou p led  with   singl e stage  conve r ter  wh ich co nvert s  the  lo w  vo lta ge d c  to hi g h  voltage  d c  and  that to o   conve r ts in a c  voltage in a single sta ge here  we  co nsider a load a s  re sistive an d inductive lo ad   also that con necte d with the grid. Also in th is simul a tion that havin g a extra com pone nt is:           Figure 2. Pro posed PSIM Model for Si n g le Stage Inverter  Config uration       Maximum po wer p o int tracker  whi c h  extract the  maximum power from  the sola r  photovoltai c  panel  which contin uou sly indicates the  power a c cord ing to their in solatio n . For  the   simulatio n  pu rpo s e  we  can  modify the isolation le vel  according to   our  conve n ie nt becau se if  we   want to   che c k the  o u tput  for p a rticula r  ratin g   sola r  panel  ou  tput  mea n s we  can  cha nge  th e   rating an d also chan ge thei r insol a tion like for mornin g  that will be l e ss and mid  noon is in pe ak  and eveni ng  it redu ce s th e level so  ea sily we  c an  check thei r ou tput ac cordin g to their in p u t  strategy and the  pa ramete rs we have  t o   give  to set   the  ope n circuit  voltage and sho r t  ci rcuit  curre n t from t he curve  we  can  get the  maximum po wer  and  due  to the level of insolatio n  ea sily  we  can  get th at maximum  power o u tput. And the rem a ining fig in di cate s the volt age a nd  curren t   level of the p anel a nd  out put po we r fro m  the  conv e r ter. That n e e d  a fee dba ck  loop  whi c h  gives  the contin uou s monito ring t o  the mppt bl ock whi c h ve rify the output with the refe rence and  gives  the app rop r ia te gate pul se  prod uce an d  gives to  the  converte r for t he gate  sign a l .fig 9 indicat e s   the wo rki ng  operation of  the co nv erter and the  cycl es of the  swi t ching in th e  circuit an d the  remai n ing  waveform s  sh ows the  outp u t voltage  a nd o u tput  cu rre nt of the   prop osed  sy stem  whi c h  simul a ted in  po wer sim u lation  software  an d t he la st figu re  sh ows th e  maximum p o w er  extraction  fro m  the  pan el  usin g the  p r o posed  opt imi z ation  alg o rit h m  which  si mulated i n  M a t lab  whi c h the co ding having  the man  ba sed se arch al gorithm ultim a tely that is called  see k er  optimizatio n  algorith m . After thi s  we wi ll disc u ss th e  hard w a r e im plementatio n  and  re sults  in   next chapte r .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 79 – 658 6   6582     Figure 3. Input Waveform s of PV Panel      Figure 4. Ref e ren c e a nd Carri er Wavefo rm   Fi gure 5. Pulse Wi dth Mod u lation for Mo sfet          Figure 6. Modes of Op erat ion for the Co nverter      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modellin g of Single Stage  Inverte r  for P V  System  Usi ng Optim i zation Algorithm  (Karthi ck S P )   6583     Figure 7. Output Voltage Acro ss DC-DC  Conve r ter  Figure 8. Output Voltage Acro ss Single  Stage  Inverter          Figure 9. Output of Optimization Algo rit h m usin g Mat l ab       PV system si mulation mo d e l is develo p e d  in PSI M software. PSIM provide s  facili ty of co   simulatio n  wi th MATLAB. Thu s  the M PPT control  algorith m  is i n terfaced  wit h  PSIM mod e l  throug h Sim Cou p ler M o d u le       4. Experimenta t ion And  Resul t   Before im ple m enting th e  hard w a r e  pa rt first we an al yzed the  diffe rent type s of  analysi s   we  analy z ed   in ou r l o cal   zone th e  kno w  the p e rfo r ma nce  of the   sol a r i n sol a tion.  So first  initially  we u s ed th e basi c  sola r irradiation m e te r to colle ct th e sola r in sola tion in our  area and  we to ok  in differe nt timings in  cont inuou s m ann er a nd  we u n derstood  that  mid no on h a v ing more  sol a r   insol a tion.   Then  we u s e d  the voltmeter an d amm e ter to analy z e  the open  circuit voltage an d sh ort  circuit cu rrent  in different insolatio n  whi c h  we analy z e d  and sh own the grap hical diagram whi c h   is p a rticula r y for th e 10 0 w   sola r p a n e l which h a ving thin  film materi al am orph ou s. in t h e   h a r dw ar e   p a rt w e  us ed  3  in d u c t o r s  2 95 μ H fo r the   conve r ter an d on e 3.4m H for the  filter, 3   MBR40 250 G  diode s  and  o ne  RURG 806 0 dio de, 2  ca pacito r s 11 m F  an d 1.2 μ F,  wa s con s t r uct e d  usin g  fou r  switche s  while   the conve r ter swit ch.  h e re we co ntrol   th e  mo del by    a pplied   u s ing  PIC   microcontroll er  kit to  prod uce  the P W M mod u lation  sig nal fo r th e switch. Fig u re  10,  11, 1 2 , 1 3   sho w s the VI, solar  radi atio n variation an d  output po wer of the sola r panel is  sho w n.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 79 – 658 6   6584       Figure 10.  Experim ental Setup to Find  Panel  VI Chara c teri stics   Figure 11.  Ou tput Voltage of the Inverter with  LC Filter           Figure 12.  Ou tput voltage of different pan els           Figure 13. Power vs Volta g e  of the Solar PV Pane      ‐ 2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 Power,   W Voltage,   V 1000   W/m2 900   W/m2 800   W/m2 700   W/m2 600   W/m2 500   W/m2 400   W/m2 300   W/m2 200   W/m2 100   W/m2 100 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modellin g of Single Stage  Inverte r  for P V  System  Usi n g Optim i zation Algorithm  (Karthi ck S P )   6585     Figure 14. VI Cha r a c teri stics of the Solar PV Panel            Figure 15. Ou tput Pulse fro m  the Optoco upler  to Turn the Mos f et Switch   Figure 16.  Ou tput Voltage of the  Inverter  without L C  Filter           Figure 17.  Ou tput Voltage of the Inverter with LC Filte r       The voltag e  output of th e  inverte r  i s  9 5  ohm  resi sti v e load  and  the in put volt age  (PV  voltage) of 1 8 V. Figure  1 5  sh ows the  pulse wi dth  modulatio n fo r the Mo sfet, Figure 16  sh ows  the output sq uare  wavefo rm without L C  filter, Fi gu re 17 sho w s t he output  sin e  wave fo r the   inverter with   LC filter,  the  sha pe i s   sin u s oid a l  a nd  h a s a small  v o ltage rippl e.  That wavefo rms  taken  from  the di gital si g nal o s cillosco pe  whi c h in di cate s the  vol t age, current  and  pul se  with   modulatio n of the hard w a r e   prototype sy stem mod e l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 79 – 658 6   6586 Finally, it is clear that the  hard w a r e  system  has the f eature of mo re d c  gain, a nd less  co st, and le ss switching l o ss an d  hig h  efficien cy. The me asure d  experi m ent al efficien cy  wa s  about 84%.       7. Conclusio n   The tech nolo g y indicate s  to give better effici en cy to the system  with the sin g le stag e  inverter co nfiguratio n  that c onve r si on  lo sses are red u c ed.  Sin c e b o t h DC-DC  co nversi on a nd  DC- AC co nversi on are pe rfo r med in  sin g l e stage, the  overall  circuit configu r at ion is  com p act.  De cre a se in  numbe r of switch es d e creases the  co st. Seeke r  o p timization  b a se d MPPT control   algorith m  ex actly tra c ks  global  optima l  sol u ti on i n st ead l o cal o p tima, a m a jo r disadvanta g e  of  earlie r propo sed meth od s. Maximum powe r  tra cki ng  is done eve n  at partially sha ded  condi tion s  of the cells. I n  future  we  can u s e th e sa me inverte r  fo r differe nt types of l a test n ano m a terial   sola r  pv to get the  different types of perfo rma n ce.       Referen ces   [1]  SB Kjaer, JK  Peders en, F  Blaab jer g . A revie w   of singl e-ph ase gr i d -con necte d i n verters for   photov olta ic modu les.  IEEE Trans. Ind. Appl. , 2005; 41( 5): 1292 –1 306.   [2]  Q Li, P W o lfs.  A revie w   of the sing le p has e  photov oltaic  modu le i n tegra t ed conv erter topo log i es  w i t h   three differe nt DC link co nfig u r ations.  IEEE Trans. Power Electron. , 200 8; 23(3): 13 20 –13 33.   [3]  R W a i, W   W ang. Grid-conn ec t ed photov olta i c  gener ation s y stem.  IEEE Trans. Circuits  Syst.-I , 2008;   55(3): 95 3– 963 .  [4]  M Anderse n, B Alvsten.  20 0W  low  cost  mo du le inte gra t ed ut ility inter f ace formodu la r photovo l tai c   ener gy systems.  Proc. IEEEIECON. 1995: 5 72– 57 7.  [5]  A Lohn er,  T  Me y e r, A Nage l. A  ne w   pa ne l-in te gra t able  inv e rter  conc ept for  gri d -con nect e d   photov olta ic s y stems.  Proc. IE EE Int. Sym p . I nd. Electron. , 1 996: 82 7– 83 1.  [6]  DC Martins, R  Demo nti. Grid conn ected PV  s y stem us in g tw o  en erg y   pro c essin g  stages .  Proc. IEEE   Photovo l t. Spe c . Conf. , 2002: 164 9– 165 2.  [7]  T  Shimizu, K  W ada, N  Nak a mura. F l yb ac k-t y pe  si n g l e -p hase  util it y int e ractive  inv e rter  w i th  p o w e r   puls a tion d e co upli ng o n  the  dc inp u t for an ac photov olt a ic mod u le s ystem.  IEEE Tr ans.  Power   Electron. , 20 06 ; 21(5): 126 4–1 272.   [8]  N Kasa, T  Iida,  L C hen. F l yb a ck inverter  con t ro lle d b y  s ens orless c u rrent MPPT for photo v oltaic  po w e r   sy s t e m .  IEEE Trans. Ind. Electron. , 2005; 5 2 (4): 114 5– 115 2.  [9]  Chu nhu a  Liu,  KT  Chau,  Xia o don g Z h a ng. A n  Effi cie n t W i n d–Ph o tovo ltaic  H y bri d  Ge ner ation  S y ste m   Using  Do ubl y Excite d Per m ane nt-Magn e t  Brushless  Machi ne.  IEEE Transactions on Industria l   Electron ics . 20 10; 57(3).   [10]  SB Kjaer, F  Blaab jerg. D e sig n  optimiz atio n of a  sing le p h a se inv e rter fo r photov oltaic  app licati ons .   Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf. , 200 3: 1183 –1 19 0.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.