In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 6 6 2 ~1 6 7 4   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1662-1674          1662     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   A new high performance vari a b l e  step size perturb-and-ob serv e  MPPT algorithm  for photovoltaic system       Kh ad i d ja S ai d i , Mou ntassa r  Maamou n , M’h amed  Bou n e k h la    Dep artm en t   of Elect ronics , F acu l t y  o f  T echn o logy ,   U n i versi t y  o f  B lida 1, B li da,   Algeria       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Dec   3 , 2 0 18  Re vise d F e b 21,  201 9   Ac ce p t ed  Ap r   2 8 ,  2 019      Th e  op ti m i zati o n   of   e nerg y  i n   a   p hot ov oltai c   c o n v e rsi on  ch ain  r em ains   a   to pi c  of   s t udy .   The  m a xim u m   power  poi nt   t rack in g  (MP P T )   i s   co ns i d ered   t h e   m o st  a pp ropri a te  s o l uti on  t o   e n s ure  the  ex traction   o f   t he  m axim um  pow er  wh ich   a  p h o t o v o lta i c   g enerato r   can   p ro vi de.  Perturb   an d  obs erve  ( P & O )   alg o rithm   i s   t h e   w el l-k now n  M P PT  t racker;  i t   s how s   an   i mpo r tan t  a n d   deci si ve ro l e i n   t he  d evel op m e n t   o f   p hotov oltai c  (P V ) s y stems.   In  T his ar ticl e   we  i nt rod u ce  a  n e w  im p r ov ed  a d j ustab l e  step   s ize  P & O  (im V S _ P O )  MP P T   m e th od.Th e  p e rf orm a nces   o f   the  new   alg o rithm   are  com p ared  t o  th e  c o nv e n tion a l  P& O  M P PT  t e c h ni qu e s   a nd   t o  the   e x ist i ng   a d j u s ta b l e  s t e p   s i z e   P & O  (V S _ PO)  M P PT   a lg orit h m .  The  res u lts   c learly   s h o w   th e  ef fici en cy  o f  th e  im p r oved   alg o ri th m   w h i c h  co ntri buted   t o  the  i n creas e  of   t h e   t rack ing   sp eed  w ith   n eg ligi bl e   f l uc t u atio n s   w hen   th e  M P P  is  r e ach ed,  a n d   e s p eci ally   in rapi d  variation of  i nsolation. K eyw ord s :   Im proved  M P P T     M a x i mu m  powe r   p o i nt   t ra ck in g  pert urb  and  ob se rve   Phot o v o lta ic  sys tem     Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Khadidja S aidi,   D e pa rtme nt   o f  El e c t ron i cs,  F acul t y   o f  Tec h n o l o gy,   Un iv e r sit y  of   B l id a   1,  Blida, Alg eria    Em ail:  sa i d ik h a di d j a@ ya hoo. fr       1.   I N TR OD U C TI O N   To da y,  o ur  w o r ld  i s  fr on t i n g   a   s e v e r e  e n erg y   c risis.  A s  w e   know ,  mo st   o f  t h e  e n ergy   c u r re n t l y   u sed  is  d el i v e r ed  b y   the   foss i l   f ue l s   s uc h  a s   c oa l ,   n a t ura l   g as,  oi l   o r  nuc lear   e n e rgy.  R ec e n t  s t udie s   a n d   f or e c a s t s   aler t   us  t ha t   t h e  ma ssive  use  of  t he se  r eso u rc es  w ill  cer t a i n l y   l ead  t o  t h e   to t a l  de ple t i o n  of  t he se   r ese r ve s.  In  a dd it io n,  e v e ryo n e   is  c o n v i nce d   by  the   d a nger   o f   t he se   t y p es   o f  e n erg y   o n  t h e   e n vir onm en t.  P ol l u t i o n   o f  the  e n v i ro nm ent  is  o n  a   r i si ng  sca l e .   I n  or d e r  to  s o l ve   t he se   p ro b l em s,  t he  f oc us  i s  on  rene w a b l e  e n erg y   source s  l i k e  p h o t ov o lta ic  ( P V )  ene r gy  w h i c h  is  o f  gre a t  im p o rta nce   in  t his  re gard  b e cau se  i t  i s   c lea n ,     ine x hau s t i ble   a nd  w i de l y   a va ilab l e   [1].  Th e  sou r c e   of  p h o to vo lt a i c  sol a r  en e r gy  is   t h e   t ran s fo rmat i on  u sin g   a  sp ecif i c  senso r   o f   sol a r  irra d i a tio n  in to   e l e c t rica l   e n ergy   k n o w n   a s  t h e  ph o t o v o lta ic   e f fe ct .  Th e   sp e c i fi c  s e n s o r   i s   call e d  pho t o v o lt a i c  ce l l s.  T he  e le m e ntar y  p h o t o vol taic   c e l l   ge ner a tes  a   ve r y   l ow   p o w e r.   T o  pro duc e   m o re  p ow er ,  se vera l  c e lls   must  b e  assem b l e d  t o   c re ate  a   mod u le.   T h e   c o n s t r uc t i on  o f   a   h i g h- vo l t a g e  ph o t ov olta ic   g ener a t or  r e q uire s  a   series  c on nec tio n  o f   t he   P V   ce lls,  w h er eas  t he   c o n n e c tio n  of   t h e s e  cel ls   i n  p a ra ll e l   i nc rea s es  t h e   curr ent i n t e n sit y .  Ser i al/pa r al lel  w i ri ng  is   t he refor e   u s e d  t o   o b t a i n   a  PV  g ener ator  w it h  t h e   des i re d   cha r ac t e ris tics.   The   c u rrent as a   fu nc tio n as the   v o lta ge (I- V) char acter i s t i c s   of t he p h o to v o l t a i c s o u r ce ar e not line a r   and   ha ve a ma x i m um  prod u c t i o n of p ow e r   o u t pu t i n   a   s pe c i fic po i n t   c al le d the m a ximu m   pow e r  poi n t  ( M P P) ,  w h ic h  the   e ffi ca cy  o f  the  p h o t ov o lta ic  s ystem   i s   a t  i t s  m a xim u m   [ 2].   The r ef ore,   t o   e nha nce   the  ou t put   efficie n c y   o f  PV  s ystem ,   i t  is   v er y  i m por tan t   t o  o p er ate  i t   n ea r   t h e   M P P .  T o   t h i s  e n d ,  s e v e r a l  M P P  t r a c k i n g   me tho d s  have   b een  s ug ge st ed  a n d   d isc u s s ed  i n  t h e   lite r a ture  [ 3] .  The s e  me t h od s   di ff e r   a cc o r di ng  t o   t h e   osc illa t i o n s  ar ou n d   t he   M P P   w hen   i t   i s  rea c hed,   t he   c om ple x it y  of  t he   a lgor it hm ,  the  rate   o f  c o n v er genc e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A n e w   h i gh   p e rf orma nce  va ri ab l e   st ep  size  p e r t u r b - and -ob s erve  MPPT  a l go ri t h m  …  (Khad id j a   Sa i d i )   1 663 spee d,   a n d   t h e   c os t.  T he y   are   ge ne ral l y   di vide d  i n to  t w o   c ate g o ri es ,  the   fi rst   o n e   i n c l udi ng  th e  cl assi c a l  t e c hni qu e s  [4 ]  an d   th e   se c ond ca t e g o r y   c o nt ai nin g   me t hod s   b a sed   on so ft c ompu t i n g  [5] .  F o r  conve n t i ona l  m e t h ods,   t h e  cur r ent l y  a p p l ied  are   H i l l   C lim b i ng  ( HC)  [ 6 ],  P erturb  a nd  Observe  (P O )   [ 7] .  D o ra hak i   [ 8],   A b d u lraz za q  a n d   A l i   [ 9 ]  an d  I n c r em enta l   C onductance  (IC)  [8],  [ 10]  which  in  a   n o r m a l   s t a t e ,  i. e  u n i f o r m  a t m o s p h e r i c  c o n d i t i o n ,   a r e  c a p a b l e  t o   t ra ck   t h e   M PP  i n   a   f a i rly   eff i ci e n t   mann e r   a nd  show   c o n v er ge nce   spee d.   B u t   i n  sp i t e  of  t he se  a dva nta g es,   t h e s e   m eth o d s   prese n t   a  seve re  w eakne ss  t h a t   i s   the  c onsta n t   o sc illa t i o n   a r ound  t h e   MPP .   T h i s  osc i l l a t ory  be hav i our  c auses  i n   s i g ni fica n t   pow e r   l oss.   F o r   exam ple,   t he   P O   te c h niq u e   i s   g e n era l l y   t he  m os t   us e d   b eca us e   of  i ts  c os t  w h ic h  i s   v e r y   lo w   and   its   si mpl i c it y  of   i mp l e me nt a t io n,  b ut   unf o r t u n a t e l y ,  wit h   t hi s  cl a s s i c a l   te c h ni q u e ,   it  is   i m p o s si ble   to  s a t isfy  a t  th e   sam e  t im e a   fa st d yna mic   respo n se  w i t h   a g o o d   a cc ura c y,  t hi s is  d u e  t o  the   fa ct  t h a t  th e   al go rit h m  u s es  a   f i x ed  st e p   s ize  inc r em ent.   W he n  t h is  s te p  s i ze   i nc re me nt   i s  big,   t he   o s ci l l at ion   arou nd   t he  m a x i m um   pow er   p o i nt   w ill inc r ea se dur ing  th e   s t ea d y  sta te ca u s i n g   a loss  o f  pow er,   and if the  s te p size  is to o lo w ,  the t r ack in g   of th e   M P P  i s   n ot   f ast   esp eci al ly   d u r in g  un e x p ecte d   c h a ngin g   o f  a t mo sp heric   con d i t i on   [ 1 1 ].   T he   I N C   m et ho d  i s   norm a l l y  pro p o se d  t o   c orre ct  t he   d r o w b ac ks  o f  t h e   P O   m etho d.  S o ,   th e  osci l l at ion s   a t  st e a d y  sta t e   c a n  be   ea si ly  e li m i na t e d.  I ts  p r i nc i p l e   i s  fo un de d  as  f o llow :   t he   s lo p es  o f  t h e  o u tp ut  pow e r   c urve  a s  a  fu nc ti on  as  vo lta ge   o f  a   p h o t ovo l t ai c ge n e r a tor i s  grea t e r  t ha n  z e ro a t t h e   l ef t  of  t he  M P P ,   le s s  t han   z e r o  at   the   r i g h t   o f  the   MP P   and  equa l  to  z e r o  a t   t h e   M P P   [ 12].   O n   t he  o t h er   h and,   t he  z e r o  va lue   o f   t he  s l ope  o f  the   P V   pow e r - vo lta ge c ur ve  i s  rar e ly re a c h e d  for the  r ea so n of  t he  i nac c u r a c y of m easure m e n t.  F o r M P P T  techn i que s base d on so ft  c omp u t in g  (S C) , w e  c an m en tio n t h o s e   t h at ar e  us e d m o s t   o f t e n ,   suc h   a s  fuzz y  log i c   m e t h ods  [ 13   1 4],  b i o - ins p ire d   m eth ods  l ik e   a r tific ia l  ne u r al  n e t w o rks   (A N N )   t e c hni qu e   [ 1 5 ,   1 6 ]   a nd   t h e   s w a rm  i n t e l li ge n c e  me t hod s  l i k e   A nt   Co l ony  O p t i miza t i o n   ( A C O )   [ 1 7 ]  a n d   Pa rti c le Sw a rm O ptimiza t i o n ( P S O ) [18].   Re gar d l e ss o f the i r   fle xi bi l ity,   these SC a lg or i t hm s ar e m o stl y  m ore  di ffic ul t  a n d  sl ow e r   t ha n  c o n v en t i ona l   m e t h ods.  F o r   il lus t r a tio n,   a rti f ic ia l   neura l   n e t w o r k s  (A N N )   t echni q u es   are   used   i n  M P P T   m etho ds  a nd   g i v e   go o d   r esul ts  i n  ran dom ly  c ha n ging   w ea th e r   c ond i t i o n s   [ 1 6 ] .  It  i s  cl e a r  tha t   t he   i ncr eas e   in  t he  numbe r  of  l a y ers  hi d d en  i n  t h e  MP P T   m e t hods  b ased  o n  ANN  leads  to  a n  increas e  in  the  acc urac y  o f   t he  r esu l ts,  but   u n f or tu na tel y   t he   c ompu t i ng  ti me   b e c o m e s  too  lo ng  w itho u t   f or get t i n g   t he   incre a se d  com p le x i t y  o f the  h a rdw a re  i m p lem e ntat i o n.  The   mos t   c om mon  sw ar m  in t e lli ge nc e  tec h n i q u es   u se d  for   the   de ve l opme n t  o f   t he  M P P T   c o n t rol l er   is  t he o pt imiz a tio n o f  a nt c o l o n iza t io n ( A CO )   used  by t h e a u t h o rs  [ 1 7 ]   w ho   d emon st rat e  b y   s i mul a t i o n   a   g ood  a c c u r a c y   o f   t h i s  m e t h o d ,  b u t  g i v e n  t h e  c o m p l e x i t y   o f  t h e  a l g o r i thm ,   m ater i a l   re al iza t i o n   is  t oo  d i ffi cul t   to   perform .  The  P S O   m e t hods  i s  a l so  a   s w a rm  i n t e l lige n ce  te c hni que ,  the   P S O   a l gor it hm   p r e sen t s  a  sa t i s f act ory   leve l  of  c o v er ge nce   in  t he  e arly  s ta ge s,   b u t   l a t er,   t h is  r a t e  b ec ome s   d es ce ndi ng,   due   t o  the  fa c t   t ha t   t h i s   alg o ri t h m  de pe nd s  on  the   in it ia l  p o si t i o n   o f  a g e n ts,  w h i c h  l e ad s   t o  t h i s   l o w   r a t e   i n   s o m e  s i t u a t i o n s  [ 1 9 ] .   G i ve n  t h e  d i sa dva n t age s   o f  tr adi t i o na l   me t h ods  a n d   t he  c o m ple x i ty  o f  S C   m eth o d s,  r esea rch  ha s  foc u sed  o n   corr ecti ng  t h e   dra w bac k s of MP P T   a lgor it h m s.   T he   v a r iab l e  st e p   s i ze   M P P T   a lgor ithm   h a s  be en  s u gge sted  a s   a  sol u t i o n   f or  s om e  t e ch n i q u e s   s uc h  as  t he   p erturb  a nd  ob s e rve   me t h od  [2 0],   th e   h ill  c l i m bin g   ( H C )  [2 1]  a n d   the i n cr em enta l c o n d u cta n ce  (I N C )  [15] .  In   t h i s  wo rk ,  an   e n h a n c ed   v a r i a bl e  st ep   s i z e  PO  ( i m VS_ P O )   M PPT  a l go rith m  i s   d e v e l op ed ;  t h e  st ep  si z e   i ncr e m e nt   i s   au t o ma t i c a l l y   ad j u ste d   acc ord i n g   t o  the   M P P .   C o mp are d   t o  t h e  cl assi ca l   f i x e d   st ep   s i z e  o r   exi s ti ng   v a r iab l e  s t e p   s ize   me tho d s,   t he   p ro p o se d  idea   c a n   s ucc e ssfu lly   i mpr ove  t he  s p e ed  a n d   e ffic ie ncy   of  MP P T  algori t h m.  T h is pa pe r  co n s ists o f   se ve n sessi ons  wh ic h  are de t a i l ed  as:   S e c t io n  2  desc r i be s  t h e  p h o t o v o l t a i c   s yste m   as  w ell  a s   t he  i nfl uenc e  o f   a tm os pher i c  con d iti on s  o n   the  P V   p a n el.   S e c t i o n  3  br i e fly  descr i be s  the  pr inc i p l e  of  p e r t urb  a n d   obs erve   M P P T   a lgor it hm   a nd   i t s   di sa d v a n ta ges  w h en  t he  s te p  si z e   i nc rem e nt  i s  fi xed. S e cti on  4  p res e nt s  t h e  co rre c t i on s  ma d e   b y   usin g   a  varia b l e   s t e p  s i ze  i n c r em en t  i n   t he  a l gor ith m ,   S ec t i o n   5   i l l u s t r a te st he imp r ove d  V S _ P O   a l gor it hm ,  S ect i o n  6   pro v i d es  t he  s i m ulat ion  res u l t s  as  w e l   a s  a   com p aris on  be tw e e n  t h e  impr ove d  P O   M P P T   a lg ori t h m  an d  t h e  exi s ti ng  V S _P O   algori t h m.   F inal ly,   a   con c l u si o n   o f  th i s   w ork  su mma r i z es  t h e   b en ef it s  of   t h e   i mp rov e d  method.      2.   PV PA N E L     A  p hot ovo l t a i c   p o w e r   o f   pan e l   i s   a   c o m bi n a ti on   o f   cellu l a r  p o w er;   A   p hot ovo lt a i c  c e l l   c an   b e   assimi lat e d  to  a   phot od i ode.   F i gure   1  ill us t r ates a  P V c e ll.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   166 2   – 1 674  1 664     F i gure  1.    S i mpl i fie d  e q u iva l e n t   circ uit o f  a ph o t ov ol ta ic  cell .       Ba se d on  F i g u r e   1  the  o u t pu t  c u rre nt   o f  t h e   s o lar  cel l is g ive n  b y:      I p v = I ph –  Id  –  Ish .                                                  ( 1)    W h ere:   Iph  is  t he  cur rent ge n era t e d  b y  t h e   i n c i d e n t  l ig h t ,   Id  is the c urre nt   t hro u g h  the  d i ode ,  Is h   is the  c urre nt   t h r ou gh  the pa ra lle l r e sistor  Rsh .    In or d er  t o   incr e a se  t he  u ti liz a tio n  pow er,   the   PV   cells a re   c o n n ec ted i n  se r ies /  para lle l  t o   f orm   a pho to v o lta ic   gene ra tor  (G PV ) w hose   equa t i o n s g over n in g  i t   a re  gi v en  by:        ℎ                 1          ( 2 )     W h ere:   Ipv  is t he P V   arr a y ou tpu t   c urre nt ,   Is   is the  c ell   r e ver s e  sa tu r a tion c u rr ent,  K  is the Bo ltz m a nn  c onsta nt ,   Ta k   is   the   t e m p er atur e  in  d e g ree s   K elv i n,  Vpv  i s   t he  P V   m o d u l e   o u t p ut  vol tag e ,  Ns  a n d  N p   a r e   t he   n umbe r   of  P V   c e l l s  co nn ec t e d   in   s e r i e s  and  i n   p a r a l l e l   res p ec tiv el y ,   q  is  t he  e lec t ro n  c h arge ,  A  is  t he  p – n  j u nct i o n   i de al ity   fa ct or ,   Iph  is give n   b y equa ti on 3  an d  Is  is give n  by  equa ti on 4.     ℎ               ( 3 )     W h ere:   Isc  is  t he  c e l l  shor t  circu i t  curr ent  at  r efer e n ce  tem p er at ure  a nd  irr a dia t i o n ,   Ki   is  t he   s hor t   c i r c u i t   c u rre nt   t e mp e r at u r e   co e f fi ci ent ,   Tr k   i s   t he  c el l re fer e nce   tem p er at ure,   G  i s   t he  sola r   i rra d i a t i o n in  W /m2.           exp                    ( 4 )     W h ere:   Irs  : Reve rse  satura ti o n  cur rent a t  Trk  ,  Eg  : Ba nd-ga p  ener g y   o f  the   sem i con d u ct or  u se d  in t he  c e ll [8,  9,   22] .  T h e   p a r a m e t e r s  o f   t h e   P V  p a n e l  ( M S X 6 0 )  u s e d   i n  o u r  s t u d y  a r e  p r es en t e d  i n   T a b l e   1   a nd  t h e   ou tp ut  cha r ac t e ris tics  of  t his  P V   p a n e l   r e s u l t i ng  fr o m   t he  s im ula t ion  b y   P sim  softw a re   a re   s how n  in  F igure s   2   a nd  3.  Th e s e   fi gu re s sh o w  c l e a r ly  tha t   t h e out pu t   po we r o f  t h e  pho to v o l t ai c  pane l  has n on-l i n ea r   cha r ac terist i c .      Tab l e  1.  E l e ctrica l ch a r ac t e ris t ic s  of  S olare x   M S X - 60 (1kW / m ²,  25 °C)  De s c ription  M S X-60  Ma xi m u m   powe r   ( P m )  60W   Volt a g e   P m a x (Vm pp)  17. 1V   Cu r r e n t  at P ma x (Im p p )                                                 3 . 5 A   Short c i rc ui t c u rr e n t(Ish )   3 .8A   Ope n  c ir c u i t   volt a ge (Voc )   21. 1V   T e m p er a t u r e   co e f f  o f  V o c                                           - (8 0 ± 1 0 ) m V /° C   T e m p er a t u r e   co e f f  o f  I sh                 ( 0 . 0 6 5 ± 0 . 0 1 ) % °C   T e m p e r a t ur e   c o e f f of  powe r   ( - 0 . 50. 05 )%° C   No m i n a l  ope r a ting ce ll  t e m p e r a t ur e   47. 2°C   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A n e w   h i gh   p e rf orma nce  va ri ab l e   st ep  size  p e r t u r b - and -ob s erve  MPPT  a l go ri t h m  …  (Khad id j a   Sa i d i )   1 665 F i gure  2  s h ow s  t h at   w h e n  th e  va lue   o f   t em per a t u re  i s  co n s ta nt,  t h e   eff ect   o f   th e   v a ri at io n   in   s ol a r   irra d i a tio n  is  v ery  h i g h   o n  th e  sh ort-c i r c u i t   curre nt ,   b u t   l ow   on  the   ope n - c i r c ui t  vo ltag e   a n d   f or   F ig u r e  3  w e   ca n  sh ow   t ha t   w h e n   t he  s olar   i rr adia tio n  r e m a ins  co ns ta nt ,  the  op en -c i r c u i t   volt a g e   c h a n g e s  wi th   a   v ari a ti on  in tem pera tu r e ,   but t he  s h o r t - c ircu it c u rre nt  v ariat i o n  a re  v er y  sl ow .           F i gure  2. Char acter ist i cs of P V  pane l  u nder   var i ous s olar  irra d i a nce   leve ls : (a )  I_V ,  (b) P- V         F i gure  3. Char acte r ist i cs  o f P V  pa n el u nder   di ffe re nt te m pe r a tu rev a lues: (a)  I _ V,   ( b)  P-V       F o r  e x t r a c t i ng   t h e   m a x i m u m   o f   t h e  po wer  fro m  t h e   ph ot ov olt a i c   m od ul e,  t h e   p hot ovo lta i c   s y s t e m  must  b e   f unc t i one d   at   i t s   M P P ,  for  w h ic h  s e ve ral  MP P T   m e t hods   h a v e   bee n   d eve l ope d.   C o nve n t i o n a l  P O   i s  the  large   am o u n t   use d   M P P T  a l gor ithm   [2 3 ] ,   B e ca use   of  i ts  s im pl ic i t y,  i t   is  c o n s i dere d  a  stan dard  r efe r enc e   use d  in  com p ar is ons  w i t h  an y  new   a l gor ithm .       3.   PER T URB A ND OB S E RV E   (PO)  M PPT ALG ORITHM  The   pri n ci p l e  of  t he   p ert u rb- a nd- obser ve   t e c hn i que   i s   ba se d  on  t h e  c a l c u la t i on  of  t he  o u t pu t   p o w e r   o f   t h e   pho t ovol t a i c   m odu l e .  Th e   a l go ri th m  rea d s  th e   v o lt ag e   an d   t he  c urre nt  v al ues  a t   t h e   o u t pu t   of  t h e   P V   modu le.   A f ter  tha t   t he   v a l ue   o f  the  pow er   i s   c a lcu l a t e d .  Th e  am pl i t ude  o f  t h e   in sta n tane o u s  o u t p u t   pow er  a nd   vo lta ge   a re   s to re d.  T hen   afte r   the   m a g n i t u de   o f  t h e   curre n t   a nd   t he  v ol t a g e   a re   m e a sured   a t   t he  n e x t   tim e  an d  the   p o w e r is c o m pute d  a ga i n  from   these   novel valu e s. After havi ng  p ow e r  va l ue s, the  dec i s io n of  per tur b a t io n   ca n  be  t a k e n .   Whe n   t he  m a g n i tu de  o f  t h e   pow e r   i ncr e a s es,   the  pe r t urba t i on  s h ou l d   m a i nta i n  i n   t he   s am e   direc t i o n  i n   t h e   f oll o w i n g   c y c l e ,  if  n o t   t he   d i r ect i o n  o f   t he  p ert u rba t io n  w i ll   b e   re v e r s e d .  So ,  t h e   M P P T   alg o ri t h m  runs   p erio d i ca l l y  a nd  c o m p are s   b e t w een  t he  c ur rent  v a l u e  o f   t he  p ow er   a nd  the   prec ed i ng  v a l u e   i n   order   to   d e f i n e   the  va riat i on  (incre me nt  o r   d ecr em ent)  o f  t h e  v ol ta ge   o r  c u r r ent  o f   t he  s olar   p a n e l   i n  c a s e   of  0 5 10 15 20 V c e ll_ 1 0 2 4 6 I_ P V   a t 2 0 0  w /m 2 I _ P V   a t 6 0 0  w /m 2 I _ P V   at   1 0 00  w / m 2 I _ P V   at   1400  w / m 2 0 5 10 15 20 V c e ll_ 1 0 20 40 60 80 P _ P V   a t   200  w / m 2 P _ P V   at   600  w / m 2 P _ P V   at   1000  w / m 2 P _ P V   at   1400  w / m 2 0 5 10 15 20 25 V c e ll_ 1 0 1 2 3 4 I_ P V   a t 1 0 ° C I_ P V  a t 2 5 ° C I_ P V   a t 4 0 ° C I_ P V   a t 5 5 ° C 0 5 10 15 20 25 Vc e l l _ 1 0 20 40 60 P _ P V   at   1 0° C P_ PV   a t   2 5 ° C P _ P V   a t   40° C P_ PV  a t   5 5 ° C Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 6 6 2   –   1 674  1 666 i ndi re ct   c on t r ol   o r  th e   v a ri ati o n  of  t h e   d ut y   c y c l e  in   d i r ec t   c on tr o l   ( a c c o r d in g  to   c o n t r o l   str a te gy) .   Wh en  t he   MP P   i s   a c h i e v e d,   t he  P V   syst e m   f l u ct ua tes  a r ou nd   i t   [8,   9,   24] .   I n  to ta l,   t hr ee  pos i t i o ns  a nd   t w o  di r ec ti o n s  a r e   in v o l v e d .   F i gu r e   4   a nd  Ta bl e   2  sh ow   a nd  d e scr i be  p oss i bl e  posi t ion s   a nd   d i r ec ti on s  d u r i ng   t h e   p e r tu rb a t ion  a nd  o b ser v a tio n  pr oce s s,   a s  well  a s   t he  r equ i r e d  ac t i on  i n   eac h   c a s e  t o   o bt a i n   t h e  m a xim u m  pow er   [ 20,   23] .       Ta b l e   2.   T he  P O   MPP T   posi t i o n i ng  a nd  ta ke n  acti o n  in  e ac h  ca se  P o sition   Va r i a tions  a c t i o n   1  0  N o   a ct ion  t a ke n   2   +d P / +d V   I n cr e a s e   V   3  + d P/-dV  De c r ea se  V   4  -dP/- d V  In c r ea s e  V  5  -dP/+ d V  De c r ea se  V           F i gur e   4.   P & O  MP P T   posit i o ni n      A   flow c h ar t  o f   t he   t r a d i tio n a l   MP P T   a lgo r i t hm   a lso  na m e d  the   f i xed   step  s ize   MP PT  a lgor ithm   ( F S _ P O )   is  i l l u s t r a ted   in   F i gur e  5.   T he   d isa dva n t a g e   o f   t h i s  m e t h o d  i s   t h a t   f o r  s m a l l  s t e p   s i z e   o f   t h e   incr em en t,  t he   t ra ck in g  is  s l o w,  but  t he   o s c il la t i o n s  aro u nd  t h e  MPP   are  weak,   whe r e a s  whe n   t he  s t e p  siz e   incr em en t is la r ge the  trac k in g  is  v ery  fa st  a t   the  cos t  of  gre a t   o s c i l la ti o n s .       4.   VAR I A B L E   STEP SI Z E   P ERT U R B   AND  OBSERVE (VS _ P O) MPP T   ALG O RITHM   To  s olve   t he   p r oble m s  o f   t he   t r a d i ti o n al   m e t h o d   u s i ng  a   f i xed   s t e p   siz e   inc r em ent  ( l ar g e   o r  sm al l )   i t   is  c rucia l   t o  con t ro l  the   p h o t o v o lta ic   s ys t e m  ac cordin g  t o   a n  a pp rop r iate  p er fo rman ce.  Fo r  th is   p u r po s e   va r i ous  M P P T  a l g o r ithm s   w i t h  va r i a b le  s te p  size  incr e m e n t   ar e  g i v e n   a nd  deve lo pe d  i n   t he  l ite r a t u r e   [ 2 5 ] .   The   pr i n c i p l e  of  t hese  a lg or i t hm s  is  t ha t  w h en  t he  oper a tin g  po i n t   i s   d ist a n t   fro m  th e  M P P,  t h e   a lgo r it h m   incr ease s   t he  s ize   o f   t he   i nc r e m e nt,   w h i c h  br ings  a   s pe e dy  tr ac ki ng  of  t he  M P P ,   w h e r ea s  w h e n   t he   o per a t i n g   po i n t  i s   n e a r   t h e  MP P ,   t he   s te p  si z e   i ncr e me nt  b ec om es  t o o   l ow ,   c onse q u e n t l y ,   the   osc illa tio n  bec o me s  ver y   sma l l   ar o und   t h e  M PP,   w h i ch   w ill   c on t r i but e   t o  i n c re ase  of   t h e   PV   s y s t e m  efficien c y .   F i gu re 6   i llu s t rates  ho w   to  t r a c k   t he  M P P   using  f i xe d  an d  va r i a b le   s tep  s i ze  inc r em ent,   a nd  th e  F i gur e   7  s h ow s  the   f l ow c h a r t  o f   V S _P O   MP P T   a l gor it hm.   The   var i a b le   s tep   size  a d o p te d   b y   [ 2 6 ]   t o   r ed uc e  t h is  p r o b l em   i s  re prese n t e d  i n   t he  fo llow i n g  e qua tio n:                                                                  ( 5 )     Where :   N  is  t he  s ca l e   f a c tor   def i ne d  in  t he  d e s i g n  t o   r egu l ate   t h e  ste p   si ze.     S o ,   t o   i ncr e ase  t h e   c o n v e r ge nc e  of   t h i s  al gor it hm,   the  st e p   s i z e   mu st   s at i s f y   t h e  fol l o w i ng  in e qu a l ity:        ∆              ( 6 )         Where :   Δ D max   is  t he  l a r gest  a l l ow e d   dut y  c y c l e p er tur b at i o n o f   the   F S _P O   M P PT  al gor it hm.   There f ore  i t   c an  b e  de d u ce d  t h a t  t h e  sc a le  f ac tor   can be   ob ta in ed  a s fol l o ws:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A  n e w  hi gh  p e rf orma nc e v a riab l e  st e p   si ze p e rtu r b - and -ob s erv e  MPPT  a l go ri t h m  …  (K had i d j a   S a i d i )   1 667    ∆  /          ( 7 )     The  ( 7 )   pr ov i d es  g uida nce  f o r   de ter m in ing  the   sco p e  of   t he  s c a l i n g  f a c t or   N .  Wh en   t hi s   eq u a t i on  c a nn o t   b e   sa tis fie d ,   t h e  s i ze   o f  t h e  inc r em en t  ta ke s  the   ma ximu m   va l u e  of  t he  f ixe d   s te p  Δ Dma x   p r e v i ou sly  d e fin e d . So ,   u n f o r t un at e l y ,   t h e  s ize of   t his  method   c anno t guar antee   the ma inte na nce   o f   t he  sys tem   in va r i a b l e   size   m ode   e sp ec i a l l y  w h e n   t he   s o l a r   i r r a di a t i o n  is  r api d l y   m odi f i ed.   M o r e ove r ,   ( 6)   s how s  t h a t   t he   dP /  d V  i s   c o n s ta ntl y   c om par e d  to   a   c onstan t   ( Δ D max   /  N   i s  c onsta n t ) .   T hen   i t   i s  not  p o s sible   t o   f i n d  a n   a ppr o p r i a t e   s ca l e   fact or  ( N )  and a  l a rge  ste p   l i m i t e r   ( Δ D ma x )   t h a t  m e e t s  t h e  d e m a n d s  o f   t h e   M P P T  s y s t e m   u n de r   h i g h  i r r a d i a t i on  ch a n g e s.  B ut ,  if   t h e   lin e   ( Δ D ma x  / N )   m o ves  up   a n d   d ow n,   w he n  the   su n ' s   r a d i a tio n  le ve l   cha nge s,   t h e  a bove - m e nti o ned  pr o b l e ms  w ill d i sa ppe ar  [ 2 7 ].           F i gur e  5.   F l o w c har t   o f  tr a d it i ona l  P O   M P P T   a lgor it hm          F i gur e  6.   A  m a nne r   of   t r a c k   o f   MP P   w ith  F S_P O   a nd  V S _ P O M P P T  ope ra t i on  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 6 6 2   –   1 674  1 668     Fi g u re  7 .   F l o w c h a rt  o f   V S _ P O   M P PT   a l g o r i t h m       The  so lut i on  g i ve n  by  [ 2 5]   i s  tha t   s i n c e   t he  v ar iat i o n   o f  the   l e v e l   o f   ir r a d i a t i on  of  t he  s un  is  s t r o n g l y   r e l a t e d   t o   t h e   o u t p u t   c u rren t   o f   t h e  p hot ovol t a i c   g en e r at o r ,   t h is  c ur r e n t   m u s t  be  i n t r o du ce d  i n   t he   s tep   siz e   incr em en t a s   f ol l o ws:                           ( 8 )       N’   i s  the   ne w  scale  fac t or.   We  c an  n o t e   tha t   i f  t h e  so la r  irra dia ti on   l ev el   i n c rea s e s ,  t h e  cu rren t   i n c re a s es,   a nd  t h e   s t ep   s i z e   of   e q u a t i o n  8  de cr e a ses  i n   s p ite  o f  t h e  M P P T   m o ve s  aw ay  a n d   v ice   ve r s a .   T his  no te  a l l ow s   us  t o  conc l ude  t ha t  t h er e   is  a   l ac k  in  t h i s  eq u a t i o n .       5.   IMPR O V ED  VARIAB LE S TEP S I Z E PO  ( IM VS_ P O) MPPT ALGOR I T HM  To  over c ome   t h e  pr ob lem   m e nt ione d  a b ove,   an  i m p r o ved  P e r t ur b  a n d  O b se r v e  me th od   i s  pr o pose d   in t h i s  w o r k . T h e new al g o rithm   u s es  t wo   d if fe rent   s te p   si ze  i n cr em ent s   a nd the s e ste p s a r e varia b le . The new  a l g o r i t h m   m e a s ur ed  t he  c ur r e nt   v a r iat i o n   ( Δ I )   to   d e t er mine   w hic h   o f   t h e s e   tw o   s t eps   ( s te p  1  or   s tep   2)   i s  u sed  to   t r ack  t he   M P P .   Thus,   w h en  Δ I   i ncr e ase s ,   t h is   i s  a   c o nse que nce   of   t he  i nc r e a s e  in  t he   l e v e l   of   s ol ar   ir r a dia t ion  w h i c h  i n cr ease s   t h e   c ur r e nt .   A s   a   r e s ult,   t he  s te p  si z e   i nc r e m e nt  i ncr ease s .   To  d o  t h i s ,   the  ( 8 )   is  m u lti pl ie d  b y   a   nor m a liza t i on  c o e f f i cie n t   ( A 1 ),   but   i f   t h e  so lar   i r r a di ati o n  le ve l  de cr e a ses,   t h e   c ur r e nt   de cr e a ses,   l ea din g   t o  a  r e d u c t i on  in  t he  s te p  siz e   a n d   t he r e f o r e  t h e  equa t i o n   8   i s  mult ipl i e d   b y  a   new   c o e f f i ci en t   ( A 2 )   gr e a ter   tha n   1 .   I n   ( 9)   a nd   ( 10)   s h o w   t h e s e  t w o  pr o p o s ed  s tep s   a n d   F ig ur e  8  sh ow s  t h e   f l ow c h ar t  o f   t h e   i mpr ove d  P O   M P P T  a l gor i t hm .       1                   ( 9 )      2                 ( 1 0 )       With   1     ′     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A  n e w  hi gh  p e rf orma nc e v a riab l e  st e p   si ze p e rtu r b - and -ob s erv e  MPPT  a l go ri t h m  …  (K had i d j a   S a i d i )   1 669 Th is  m o d i f i e d   v ar i a ble   s t ep   s ize   P O   M P P T  alg o r i t h m  i m pr ove s  t h e   dyn ami c   r e s po n s e   sp e e d  a nd  st e a dy   t h e   a ccur acy.       F i gur e   8.   F l ow c h ar t  of   t he  i m p r o ve d  V S _P O  M P P T   a lgor it hm    6.   SI M U L A T I ON  RESUL TS   The  s i m u lat i o n  o f   t he   e x i sti ng  a n d  the  impr o v ed  M P P T  alg o r i t h ms   i s  ca rried  o u t   b y  the   P s im   so ftware  a n d   th e  cu rv es   a re  o btain e d .   A   DC /  D C   b u c k  c o n v e r ter   co ntr o l l e d   b y  t h e  P O   M P P T  algor ithm   is  in tr o d u ce d   i n   t he  P V   sys t em   a s  an  i nte r f a c e   b etw e e n   t he   P V   m odu l e   a n d   t he   l oa d  to   o pe r a t e   t he   s ys tem   at  its   MP P   a l l  t h e  t i m e .   F i gur e   9  show s  t h e  d i f f e r e nt  l eve l s  of   s olar   ir r a dia t i on,   t he  o u t pu t   cur r ent,   t he   o utp u t   vo l t age  an d  the   out p u t   p o w e r   of  t he   S ol a r ex  M S X - 60  P V   m od u l e  us ed  i n   ou r wo rk .   F i gur e s  1 0  a n d   11 il lu str a te  t he   o u t p u t   p ow e r   o f   t h e p h o to vo lta ic s yste m as a  f u n ct i o n   of t im e for the   tr a d i t i ona l  P O   M P P T  al gor i t h m   ( F S _ P O )   us in g  s i mu lta n e ou sl y  a   la rg e  and   a  sma l l   st ep   s i z e  i n c r eme n t .   The   lar g e  ste p   s ize  used  i n  th i s   s i m ula t io n  is    ∆  0,0 7     a nd  the   sma l l  one  i s  ∆  0,0 0 1 .  C o m p a r e d  t o   t h e   M P P T   w i t h   s m a l l   s t e p  s i z e ,  t h e  M P P T   w i t h  l a r g e   s t e p   s ize  s hows  osc illa t i o n s  to o  h i g h ,   wh ere a s f o r sma l l   st e p  si ze t h e o s cil l ati o n s  a ro und  t h e  M PP a re  n eg ligib l e.       (a)      (b )   0 200 400 600 800 1000 1200 S o l a r_ i rra d i a n c e 0 1 2 3 4 5 I_ PV Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   166 2   – 1 674  1 670   (c)     (d)    F i gure  9.  S imula t i on r e su l t :  (a) S o lar   irra diat ion  le ve ls (in  b lue ) ; (b) .  P hot ovo l t aic C urre nt  (in r e d); ( c ). P h ot o v o l t a ic  vo l t a ge  ( in dar k gr e e n); ( d ).P hotovo l t aic  p o wer  (in b l ac k)          F i gure   1 0 .  Co m p ar i s o n   b e t w een  o u t pu t  po w e r  o f  a pho t o vol taic  p a ne l  (in re d) a nd ou tp ut   p ow er  of  P V   s y s te m  wh en  we u s e d  FS_ P O  M PPT a l g o r ith m  wi t h l a rg e   st ep  si z e   i n c r emen t (in  bl ue)           F i gure   1 1 .  Co m p ar i s o n   b e t w een  o u t pu t  po w e r  o f  a pho t o vol taic  p a ne l  (in re d) a nd ou tp ut   p ow er  of  P V   s yste m  when w e use d  FS _ PO  M PP T alg o ri t h m  with  s ma l l   s t e p size   i ncre me n t   (in  bl ue)     To  p r ove   t he   e fficie nc y  o f   t he   p ro pose d   V S _ PO   M PP T  techn i q u e,   a   c o m p a ra t i ve   s t udy   b y  si m u lat i on be t w e e n  im V S _P O ,  tradit i o n a l F S _PO   w ith  s m a ll  s t ep s iz e a nd  e x is ti ng V S _P O   M P P T  alg ori t hms  w a s  pe rform e d .   T he  p r o pose d   m e t h od  sh ow s   seve ral  im pro v em ent s   i n  t r a c ki n g   a c c u ra cy ,  response   t i me   a n d   overs ho o t .    6.1.   MPP Ttrac k i n g   F i gure  12  s h o w s  t h e  b e ha v i or  o f  t h e  ph ot ov o lta ic   s y s te m   to   w ard s  di ffere n t   var i a t i ons   o f  so lar  irra d i a tio n  le ve ls  ( 2 00,   5 00,   1 0 0 0 ,   12 00  w a tts  /   m 2)  f or  t he   t h re e  a l gor it hm s.  I t  m a y  be  n ote d   t ha t  t h e   imV S _P O   a l gor ithm   has  a   g o o d   a ccur acy   c ompa red  t o   t he   t w o   o t h er   a l g ori t hm s.   A ls o  w e   c a n   n ot e d   t h a t   for  0 5 10 15 20 V_ P V 0 0 .0 1 0 .0 2 0 .0 3 0 .0 4 0 .0 5 0 .0 6 Tim e   ( s ) 0 20 40 60 80 P_ P V 0.01 0 . 02 0.03 0.04 0.05 0.06 Ti m e   ( s ) 0 20 40 60 80 P_ PV P _ FS _ P O _0.7 0. 01 0.02 0.03 0.04 0. 05 0. 06 Ti m e   ( s ) 0 20 40 60 80 P_ P V P _ F S _P O _0. 001 0 .0 7  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A n e w   h i gh   p e rf orma nce  va ri ab l e   st ep  size  p e r t u r b - and -ob s erve  MPPT  a l go ri t h m  …  (Khad id j a   Sa i d i )   1 671 sever   irra d i at io n c h an ge  t he  i m p rove d me t hod  sh o w s  m ore   acc urat e   trac k i ng  com pare d t o  F S _ P O  a nd   V S _ P O   MP P T  exist ing   algor it h m .           F i gure   1 2 .  Com p ar i s o n   b etw e e n   o u t p u t  p o w e rs obta i ne d us i n g  F S - P O   MP P T  a l gor it h m  and  VS _P O MP P T   alg o ri t h m  w i t h   outp u t p o w e r  u s in g t h e  impr o v e d  va r ia be l step  s i z e   ( MVS_P O ) MP PT  a lgor ithm         6.2.   R esp o n s e   t i me  A s   s how n  i n   F i g ure s   1 3,  1 4  and  1 5 ,  t h e   im pr o v e d   v e r sio n   of  t he  V S _P O   MP P T   a lgor ithm   c l e a rl y  show s  tha t   t he   r e s ponse   t i m e   o f  im V S _P O   algor it hm  i s  b e t t e r   t h a n  t h e   F S _P O  and  t h e  e x isti n g   V S _PO  alg o ri t h m,   e spe c ial l y   f or  s u d d en i ncre ase  and decr ease   i n   s o l a r   i rr adia ti o n .  Thi s   w ill  le a d   t o  a  re duc t i o n   i n  t h e   ene r g y  los s.          F i gure  1 3 . Zoo m   1     0 -2 0 20 40 60 80 P_ FS_PO P_ M V S_PO 0 . 0 1 0. 0 2 0. 03 0. 04 0 . 05 0 . 06 Ti m e   ( s) 0 -2 0 20 40 60 80 P_ V S _ PO P _ M VS_ PO 0 -2 0 20 40 60 80 P_ F S _ P O P_ M VS_ PO 0 . 0 1 0. 012 0 . 01 4 0 . 016 0 . 01 8 Ti m e   ( s ) 0 -2 0 20 40 60 80 P_ VS_ PO P_ M VS_ PO Z oom 1 Zoo m  2  Z oom 3 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.