TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5137 ~ 51 4 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.574 5          5137     Re cei v ed Fe brua ry 5, 201 4; Revi se d March 21, 201 4 ;  Accepte d  April 3, 2014   dsPIC33 Based  Control for PV-Grid System with a  Buck-Boost MPPT      Slamet Riy a di  Dept of Electric al Eng i ne eri ng,  Soegi j apr an ata Catho lic Un iv ersit y  Sem a ra n g    Pa w i yat an L u h u r IV-1 Semara ng 50 23 4 Indo nesi a   email: s_ri ya d i 672 00 3@ ya ho o.com       A b st r a ct     T he us e of sol a r en ergy is ve ry important d u e  to  the fossil  b a sed  ener gy cr isis. Rap i d pr o g ress i n   PV techn o l ogi e s  has  co ntribut ed to  its  ap plic ations.  T h ere  are many PV base d  pow er p l ants bui lt  ar ou nd   the w o rld.  M a xi mu m P o w e r Point T r acke rs (MPPT ) take sig n ifica n t r o le  in  oper atin g PV  mo dul es  to   prod uce  t heir  max i mu m pow er.  T hey are i m ple m ented   by   usin g ch op pers  to  match  the  l oad  resista n ce   and  the PV r e sista n ce. R e cently,  inte gratio be tw een PV  mo dul es a n d  gri d s is  mor e   pop ular  du e to  th ei r   adva n tag e s. T he PV-Grid  sys tem c an  be s i n g le sta ges,  tw o  stages  or a n other typ e s a n d  al l of th e m  u s PW M (pulse w i dth modu lati on ) converters as  their core s. In this pap er, a PV-Grid System  usin g buck- boo s t   chop per  as M PPT  is an aly z ed. Pow e gen erated  by PV   m o d u l e i s  tran sfe rre d to  th e g r i d  b y   u s i ng an  inverter th at o perate d  as a  cont rol l ed c u rr ent sourc e  so  the co mpl e xit y  can b e  red u c ed. F i na lly, the   dsPIC33  bas e d  contro l sche m e for s u ch  a PV-Grid Syst em w a mad e  a s  a lab o ratory  scale d-prototy pe  t o   verify the ana ly sis and si mulat i ons.     Ke y w ords : bu ck-boost cho p p e r, PV-Grid, inverter, dsPIC      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  Solar en ergy  has b e come  an alternative solution  sin c e the fossil b a se d ene rgy  cri s is  hit  the worl d. By using  sola r p anel s (PV), solar en er gy can be converted into  electrical en ergy a nd  an MPPT is required to maximize the o u tput powe r . An MPPT in  prin ciple i s  a DC-DC conv erter  (ch opp er) tha t  is capa ble t o  force  a PV modul op erating poi nt n ear it s maxim u m po we r p o i nt  (MPP) [1 -3].  There a r e th ree type of ch opp er : b u ck,  boo st a n d  bu ck-b oo st types. A b u ck  cho ppe r ba se d MPPT can  be appli ed for the output re sista n ce less  than the PV resi stan ce at i t s   MPP [4] whil e  for the  out put re si stan ce greate r  tha n  the PV  re si stan ce, a  bo o s t chop per ba sed  MPPT ha s to  be  used. MP PTs h a ve b e en d e velop e d   by ma ny re searche r s e s p e cially i n   cont rol  method s.  Re cently, int egratio n b e twee n PV mo dule s  a nd  gri d  sy stem s b e com e  p opul ar  due  to   their a d vanta ges, it i s   nam ed a s  PV-Gri d  System s .  Th e r e ar e   s o me  me th od s to ma ke  PV-G r id they can u s singl e stag e, two stag e or  any other typ e s [5-7]. An inverter i s  a core in a PV-Grid   System for the output of PV m odules a r e DC voltage/ curre n t while   the grid voltage is AC and  it  is also requi red syn c h r oni zation in  parallel co nne cti on. PWM te chniqu e is very important to  operate inverters  with co ntrolled  outp u t volt age/cu rre nt [8]. A  PWM ba se d  voltage sou r ce   inverter  (VSI) will be  capable to  be  synchroni zed to  the grid volt age [9-11]. Some inverters  are  operated as controlled   vol t age sou r ces in  PV -Gri d System  an d compl e xities are   faced du to  the syn c h r oni zation  re quire ments. O pera t ing invert e r s as cont rolled  cur r e n t   so ur c e a r e simpl e r   in PV-Grid Sy stem s for the inverter o u tpu t  volt age is automatically l o cked to the  grid voltage.   In this  pap er,  a PV-G r id  System u s ing   buck-boo st M PPT is d e scri bed. Thi s   MPPT ha flexibility in magnitud e  of  DC outp u t voltage. To  provide a  co nsta nt DC-lin k volta ge a s  a n  inp u of the inve rter, such a n   MPPT sh ows its adva n tag e s. Th e p r op ose d  inve rter ope rated  a s  a  controlled  cu rre nt sou r ce  is ca pabl e to  transfe r all  power g ene rated by PV module s . Fin a lly,  simulatio n s a nd labo rato ry experime n ts were  done t o  verify the analysi s . The  prototype u s es  control ci rcuits that based  on dsPIC33.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5137 – 51 43   5138 2. Rese arch  Metho d   2.1. Buck  Bo ost Choppe r  as a Maximum Po w e r P o int Trac ker  (MPPT)  A photovoltaic cell can  conve r t sola r energy  into  electri c  en ergy. Based  on its   characteri stic curve (Fi g ure 1(a)),  direct  connecting a resi stive lo ad to this cell  will produce l e ss   electri c  p o we r. Some  cells can  be a r ra nged  as  se ri al and/o r  pa rallel conne cti on to be  a PV  module.  To  maximize  the  po wer ge nerated by  PV  modul e, an   MPPT is  nee ded. By u s in g a  buck-boo st chopp er, the  output vo ltag e of an MP PT can  be g r eate r  or less than th e in put   voltage. For  a PV-Gri d  Co nne cted Syst em, an inve rter i s  re quired  with spe c ifie d DC-lin k volt age  level so  su ch a chop pe is bette r to b e  implem ent ed. In the ot her  hand, th e num ber  of PV  module s   ca be m o re  flexible. Figu re  1 ( b)  rep r e s ent s a b u ck-bo ost cho ppe as  an MPPT. T h e   relation shi p  b e twee n input  voltage E , output voltage  o V  and duty cycle  d   can b e  stated  as:    E d d V o 1           ( 1 )     L in i i L v ou t R o I o V   (a)  (b)     Figure 1. (a)  Cha r a c teri stic cu rve of phot ovoltaic,  (b)  A buck-b o o s t cho ppe r as a n  MPPT      PV V PV I in R o V o R o I     Figure 2. Con nectin g  an M PPT to a PV  Module       Con n e c ting  such  a  ch opp er a s   an  MPPT to a PV  module  is ai med to  get  maximum   power. By  co ntrolling  the  duty cycl e, th e op erat in g p o int of a PV  module s   ca n  be  aro und  the  MPP. This ca n be achieve d  if the resist anc e of load see n  from th e PV module equal s to  MP P R Referrin g to t he la of en e r gy  con s e r vation, un der an  ideal  sy stem , the inp u t po wer will  eq ual  to  the output po wer of  the ch oppe r, then we have (whe re  L MPP in PV R R V E   and   ):    out out o in out o o in o o in R E d d R V R E R V V R E E I . V I . E 2 2 2 2 1   out in R d d R 2 1          ( 2 )     Equation  (2 sho w s that th e load  re si sta n ce  co nne cte d  to a PV m o dule  can  be  greate r  o r  le ss  than   MPP R     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     dsPIC3 3 Based Co ntrol for PV-Grid Syst em   with a Buc k -Boos t  MPPT (Slamet Riy adi)  5139 2.2. Full-Bridge In v e rter as an In ter f ac e in PV-Grid Conn ected Sy stem  The outp u t voltage of an  MPPT is DC  voltage. To transfe r ele c tri c  ene rgy ge n e rated  by  PV modules,  it is required  an inverter to  conve r DC in to AC voltage. Conne cting  an inverter to a   grid, the synchroni zation require ment s must be regarded  so the  complex problems will be faced.  If an inverter is ope rated  as a  controll ed cu rrent  source, it is si mple to co nstruct the  cont rol   circuit. Fig u re 3  depi cts a  PV-Gri d   Co nne cted Syst em  con s ist s   of PV mod u l e s, a  bu ck-b oost  cho ppe r ba sed MPPT a nd a  cont roll ed current   source im ple m ented by a  Voltage So urce  Inverter (VSI). Two digital  sign al co ntrol l ers  im plem e n ted by dsPI C33 a r e u s e d  to control the  MPPT and the inverte r  separately. The first  dsPIC33 need s two input  sign a l s (voltage a nd  curre n t of the PV modules) to force the MPPT oper at e at its MPP.  The se co nd d s PIC33 h a s f our  input sig nal s (refe ren c e vo ltage, cap a cit o r voltage,  te mplate and t he inverte r  o u tput cu rre nt) to   operate the  i n verter tran sf erri ng  all p o wer g ene ra te by the PV m o dule s  to th e g r id. Unde r i d e a con d ition the MPPT runs o p timally and the elect r ic po wer g ene rate d by the PV  module s  can be   stated a s   MPP MPP PV I . V P          ( 3 )     Assu ming a n  ideal bu ck-b o o st ch opp er, the output po wer of the M PPT.    MPP o o o MPPT I d d . V I . V P 1         ( 4 )       te mp i c i ref V ca p V s i L i c i     Figure 3. PV-Grid Conn ect ed System Consi s ts of PV Module s , Buck-b oo st MPPT and a  Controlled  Cu rre nt Source Impleme n t ed  by an Voltage  Source Inverter      The voltage  o V  is the output voltage of the MPPT, it  equals to the DC-link voltag e (input  side of the inverter). Fo r this inverter i s  parall e l co nn ected to the g r id, so its voltage mu st be the  same  as th e grid voltag s v . Operating a n   inverter a s  a  controlled  cu rrent sou r ce  with template  cur r e n t   temp i  take n  from the g r id  voltage re sul t s in si nu so id al cu rrent flo w ing  at  the o u tput sid e  of  the inverter.  The refe ren c e cu rre nt is o b tained by  temp i . k (where  k is mult iplying factor) then the   output  cu rre nt of the  in verter  c i   will f l uctuate around the re ference current.  Under  ideal  con d ition, the  output power of t he inverter can b e  expressed a s :     ref s c s c I . V I . V P         ( 5 )     Whe r e   temp ref i . k I .   For all the po wer g ene rate d by the PV  module  m u st  be tran sferre d into the grid , then:    MPP PV c P P P           MPP MPP ref s I . V I V   then   s MPP MPP ref V I . V I      ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5137 – 51 43   5140 Power equilibrium in the invert er can be detected by sensin g the capacito r voltage. If  the inp u t po wer of th e in verter i s   gre a ter th an th e  output  po wer, the  capa citor voltage   will  increa se, thi s  mea n s that t he inve rter a b so rb s th e  p a rt of  po wer t r an sferred.   If the in put p o w er  of the inve rte r  i s  le ss than  the o u tput p o we r,  the  ca pacito r  voltag e will  de crea se; it m ean that   the inverter  send s the part  of powe r  to the grid.       2.3. dsPIC33  Based  Con t rol Method   dsPIC3 3 is a family of 16-bit digital sign al  controller t hat provide s   high sp eed A D Cs. In   this p ape r, d s PIC33F J16 G S502 i s   used  as th co re   of co ntrol.  To fo rce  the  PV m odule s   ope rat e   near their M PP, the dsPI C33  re quires two a nal o g  i nputs th ro ug h a  curre n t transdu cer for  PV  curre n t an d a  voltage  divider fo r the  PV modul es voltage  (Fig ure  4 ( a)). Th e flo w  diag ram  use d   by the first dsPIC33 is  sho w n in Figu re  5(a )       Figure 4. (a)  Control sche me of the pro posed M PPT usin g dsPIC3 3, (b) Control  scheme of th prop osed inv e rter u s in g dsPIC33       The co ntrol  schem e of the inverter op erated  as a  co ntrolled  cu rre nt source i s  depi cted   in Figure 4 ( b ) . It requires four an alog  input sig nal s. The refe re n c e voltage  a nd the DC-Li nk  voltage si gna ls a r e n eed ed  to ke ep p o wer e quilib rium  of the invert er. The  two  o t her  sign als, t he  inverter o u tpu t  current an d the grid volta ge as  cu rrent  template are  used to m a ke sinu soi dal g r id  curre n t. The flow dia g ra m use d  by the first d s PIC33 i s  sh own in Figure 5 ( b )           Figure 5. (a)  Flow dia g ram  of the propo sed MPPT  con t rol, (b) Flo w   diagram of the prop osed  inverter control  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     dsPIC3 3 Based Co ntrol for PV-Grid Syst em   with a Buc k -Boos t  MPPT (Slamet Riy adi)  5141 3. Results a nd Analy s is  To verify the analysi s , sim u lation s and l aboa rtory ex perim ents  we re do ne ba se d on the  circuit de pict ed in Figu re  3. The sim u l a tions  we re  done by u s in g the PSIM software  a n d  the   laboa rtory ex perim ents  we re te sted by u s ing th p r oto t ype desi gne d.The  simulat i ons fo r the P V - Grid System  were don e wi th the MPPT  operated  a s  a boo st chop per an d a bu ck  cho ppe r u nder  two p o wer co ndition,  whe n  the the  lo ad  power ( P L )  i s  greater o r  le ss than  the  p o we gene rat e d   by the PV mo dule s    ( P PV ). Figure 6  and   Figure 7  sh o w  the  sim u lati on results  wh en the  MPPT  is  operated a s   a boo st ch op per. The  outp u t voltage of  the MPPT is g r eate r  than th e voltage of the   PV modules (Figure 6(a) and 6(b )).  The inverte r  is also cap a b le to transf e r all the po wer  gene rated  by  the PV mo d u les to the  g r id b e cau s e t he ave r ag power  of the  inverte r  o u tput  equal s to  P PV  (Figu r e 6 c  a nd 6d ). Whe n   P L  is gre a ter than  P PV  , the load  current equal s to  the  sum of the g r i d  cu rre nt and  the in verter o u tput cu rre nt while if  P L  is less than  P PV  , the part of the   power g ene rated by the  PV module s   will ente r  int o  the g r id  si de. Thi s  me ans th at the  grid  curre n t ha s t he o ppo site  polarity  with  respe c t to  th e gri d  voltag e or inverte r  output  cu rre n (Figu r e 7 ) . O peratin g the  MPPT of the PV-Grid Syst em as  a bu ck cho ppe r re sults in the M PPT   output voltag e less than t he PV modul es volt age  (Figure 8). Th e cu rrents u nder t w o p o w er  con d ition are depi cted in Fi gure 9.         Figure 6. Simulation Results of the PV-G r id  Co nne cte d  System with MPPT Operated as a  Boost-ch opp er (a ) MPPT voltage (b ) PV voltage   (c) powe r  gen erated by PV module s   (d ) po wer  transfe rred b y  the inverter to the grid           Figure 7. Simulation Results of the PV-G r id  Co nne cte d  System with MPPT Operated as a  Boost-ch opp er (lo ad curre n t I L , grid current I s , inverter output curre n t I c )  (a) whe n  the load  power is g r e a t er than the p o we r gen erated by PV   (b) whe n  the loa d  power is le ss than the  power ge ne ra ted by PV          Figure 8. Simulation Results of the PV-G r id Co nne cte d  System with MPPT Operated as a Bu ck- cho ppe r (a ) MPPT voltage (b) PV voltage  (c) po wer  gene rated by  PV (d) po wer  transfe rred b y   the inverter to  the grid   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5137 – 51 43   5142     Figure 9. Simulation Results of the PV-G r id Co nne cte d  System with MPPT Operated as a Bu ck- cho ppe r (lo a d  current I L , grid c u rrent I s , i n verter output c u rrent I c )  (a) wh en the l oad po we r is  greate r  than t he po wer g e n e rated by PV  (b)  when the  load po we r is less tha n  the  powe r   gene rated by  PV      To do the la b o rato ry experiments, the P V -G rid Sy ste m  wa s de sig ned by u s ing  dsPIC3 3   based  control  schem e a s  p r esented i n  Fi gure  10. Th gird voltag e a pplie s 32 Volt  RMS an d th e   resi stive  lo ad of 3.3 Ohm and 9  O h m. The  l oad   cu rrent, the g r id  current a nd th e inverte r   out put  curre n t are d epicte d  in Fi gure  11 an d Figure 12.  Base d on the  results, it is  proved th at the  prop osed  system is  cap abl e to tran sfer  all the  po we gene rated  by the PV mod u les i n to the  grid   without syn c hroni zatio n  requireme nts.  Taking  a te mplate from t he grid volta ge as the  cu rre nt  referen c will  force the inv e rter t r an smit  the re al po wer. The  outpu t voltage of the inverte r  th at  operated a s   a cont rolle d current so urce  is automati c ally locked to  the grid volt age. The u s e  of  dsP I C s  a s  co res  of  t he co nt rol s c h e me  make s t he  system si mple,  they also p r o v ide high  spe e d   ADC. F o r the  DC-lin k volta ge of th e inv e rter mu st be  set  on  co m m on valu e, th e u s of a  bu ck- boos t  MPPT is  more attrac tive.          Figure 10.   The Prototyp e use d  for La borato r y Experime n ts             Figure 11. Experim ental Result s of the PV- Grid  Con necte d System for Load  Current I L , Grid  Cur r e n t I s  and Inverter Current I c   when the Loa d Power is G r eate r  than the Powe r Gene rate by PV Modules [scale : 5A /div – 5ms/div]      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     dsPIC3 3 Based Co ntrol for PV-Grid Syst em   with a Buc k -Boos t  MPPT (Slamet Riy adi)  5143     Figure 12. Experim ental Result s of the PV- Grid  Con necte d System for Load  Current I L , Grid  Cur r e n t I s  and Inverter Current I c  when t he Loa d Power is Le ss tha n  the Powe r Gene rated by   PV Modules [ s cale : 5A/div – 5ms/div]      4. Conclusio n   A PV-Grid Co nne cted System with a bu ck-bo o st MP PT has be en pre s ente d . By using a   dsPIC3 3 ba sed co ntrol, such a  PV-Gri d  System is cap able to transmit all the  maximum p o we gene rated by  the PV modules into the  grid. The d s P I C33 is  suita b le for the co re of the cont rol  circuit b e cau s e it ha high   spe ed A D Cs.  Dete ction  of  the DC-li n k voltage  ca n b e  used to  ide n tify  the behavio r of the power tran sferre d. By keeping its volt age nearly con s tant, the power  equilib rium i s  achi eved. T h is  con c e p t is then  used  as the  ba sic to co ntrol th magnitud e  of  the  inverter outp u t cu rrent. In  the oth e h and, the   tem p late  curre n t take n fro m   the gri d  volt age   results in the  inverter o u tpu t  current in  ph ase  with re sp ect to the grid  voltage.      Referen ces   [1]    Jian g J, H u a n g  T ,  Hsiao Y.  Maximum P o w e r T r acking for  Photov olta ic  Po w e r  S y stem s.  Ta m k ang  Journ a l of  Scie nce an d Eng i n eeri ng.   20 05; 8 ( 2):147- 153.   [2]    Esram T ,  Kimball JW , Kre i n P T , Chapm an P L , Mid y a  P. D y namic M a ximu m Po w e r  Poi n t  T r acking o f   Photovo l taic Ar ra y s   Usin g Ri p p le C o rrel a tio n  Control.  IEEE  Transactions on Power Electr onics . 20 06;  21(5): 12 82- 12 91.   [3]    Brito MAG, Galotto L, Sampa i o LP, Mel o  GA, C anes in CA.  Evalu a tion  of the Mai n  MPPT  T e chnique s   for Photovolt a i c  Applic ations.  IEEE Transactions on Industri a l Electronics . 201 3; 60(3): 11 56-1 167.   [4]    Soeted jo A, Lomi A, Nakho da YI, Krismant o AU. Mode ling of Ma xim u m Po w e r Po int T r ackin g   Controller f o Solar P o w e S y stem.  T E LK OMNI KA T e le communic a t i o n  Co mp ut in g El ect r onics  an d   Cont ro l . 201 2; 10(3): 41 9-4 3 0 .   [5]    Ri yad i  S. Si ng le-Ph a se S i ng l e -Stage  PV-Grid  S y stem Us i ng VSI Bas e d  on S i mpl e  C o ntrol C i rcuit.   I n t e rnat io na l   Journ a l of  Pow e r Elect r onics a nd Driv e Syst ems . 20 13; 3(1):  9-16.   [6]    Jain  S, Agar wal V. A S i n g le -Stage Gri d  C onn ected I n ve rter T opolog for Sol a r PV  S y stems  w i t h   Maximum Po w e r Point T r acking.  IEEE Transactions on Power Electronics . 200 7; 22(5): 19 28-1 940.   [7]    Koizumi  H, Miz uno T ,  Kaito T ,  Nod a  Y, Gosh ima  N. A, Ka wasaki M, N a g a s aka K, Kur o k a w a  K.  Nove l   Microcontr o ll er  for Grid-Conn ec ted Ph otovol taic S y stems.  IEEE Transacti ons on Industri a l Electronics 200 6; 53(6): 18 89-1 897.   [8]   Setiabudy   R,  Harton o BS,  Budiy a nto. An aly s is  Characteristics of On/ Off Grid  T i e Inverter a n Impleme n tatio n  in Microgr id.   T E LKOMNI KA T e leco mmu n icat i on Co mp ut ing El ect r oni cs and Co nt rol 201 3; 11(3): 44 1-45 0.  [9]    Kazmierk o w ski M P, Malesani  L. Curre nt Co ntrol T e chniq u e s fo r T h ree-Phase V o ltag e- Source PW M   Converters: A Survey I EEE Transact i o n s o n  I ndust r ia l Ele c t r onics . 199 8; 45(5): 69 1-7 0 3 .   [10]    Lib o  W ,  Z hengmin g Z ,  Jianzhen g L. A Singl e- Stag e T h ree-P hase G r id-Co n n e cted  Photovolta ic   S y stem  w i t h   Modifi ed MPP T  Method and  Reactiv e  Po w e r Com p e n s a tion.  IEEE Transacti ons on  Energy C onver sion . 20 07; 22( 4): 881-8 86.   [11]    Martins D, S o uza KC A. A  Sing le-Ph a se  Gr id-Con necte d PV S y stem   w i th Activ e   Po w e r F i lter .   I n t e rnat io na l Journ a l of  Circu i t ,  Syst ems ans  Signa l Proces sing . 20 08; 2(1 ) : 50-55.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.