I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8 ,   p p .   757 ~ 7 6 5   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 . i 2 . pp 7 5 7 - 765          757       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   Perf o r m a nce   Ana ly sis  of  Su percap a citor  In tegra ted   PV  F ed  M ultistag e Conv e rter   w ith  SM C o ntrolled VSI  f o Di ff e rent   Lo a d Condi tions       Sh rut i P a nd ey 1 B ha rt i D w iv edi 2 Anura g   T ripa t hi 3   De p a rtme n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   In stit u te  o f   En g in e e rin g   a n d   T e c h n o lo g y ,   L u c k n o w ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   3 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Feb   2 5 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Ma r   1 8 ,   2 0 1 8       T h e   p ro p o se d   w o rk   c o m p rise o f   a n   M P P T   c o n tro l led   P h o t o v o lt a ic  ( P V )   so u rc e ,   in   c o n j u n c ti o n   w it h   a   su p e rc a p a c it o r,   c a sc a d e d   w it h   a   S li d in g   M o d e   Co n tr o ll e d   ( S M C)  I n v e rter,  su p p l y in g   v a riab le   n o n li n e a lo a d s.  T h e   e ffe c ts  o v a r y in g   so lar  irrad iatio n   a n d   it i n term it ten c y   h a v e   b e e n   e ff e c ti v e l y   m a n a g e d   b y   th e   M P P T   c o n tro ll e d   b o o st c o n v e rter an d   c h a rg e   c o n tro l led   su p e rc a p a c it o r   re sp e c ti v e l y .   T h e   c h a rg e   c o n tro ll e b u c k a n d   b o o sts  t h e   term in a v o lt a g e   a n d   re a li z e th e   p o w e f lo w   in   a   b id irec ti o n a m a n n e r.   S e a m l e ss   a c ti o n   h a b e e n   o b tai n e d   b y   th e   p r o p o se d   m o d e l   u n d e v a r y in g   irrad iatio n   a n d   f o v a ry in g   lo a d   c o n d i ti o n s.  T h e   p e rf o rm a n c e   o f   th e   S M c o n tr o ll e d   In v e rter,  w h e n   c o m p a re d   w it h   a   P c o n tro ll e d   I n v e rter,  h a b e e n   f o u n d   to   b e   s u p e rio r   in   term s o f   p o w e q u a li ty   a n d   ro b u st n e ss   o f   th e   su p p ly   s y ste m       K ey w o r d :   Bi d ir ec tio n al  co n v er ter   DC - DC   b o o s t c o n v er ter   Mp p t   P h o to   v o ltaic   Sli d in g   m o d co n tr o l   Su p er ca p ac ito r   Vo ltag s o u r ce   i n v er ter   Co p y rig h ©   201 8   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sh r u ti P an d e y   Dep ar te m en t o f   E lectr ical  E n g in ee r in g ,   I n s tit u te  o f   E n g in ee r i n g   an d   T ec h n o lo g y     L u ck n o w ,   I n d ia .   E m ail:  s h r u tip an d e y @ ie tlu c k n o w . ac . in       1.   I NT RO D UCT I O N   T h p h o to - v o ltaic  ( P V)   s y s te m   i s   t h m o s ad m ir ed   en er g y   s o u r ce   a m o n g   all   th e   ex i s ti n g   r en e w ab le   en er g y   s o u r ce s .   I n   P f ed   m ic r o g r id   s y s te m   I n v er ter s   ar u s ed   at  th lo ad   f o r   v ar io u s   ap p li ca tio n s .   I n   o r d er   to   p r o v id g o o d   class   s tab ilized   o u tp u w h et h er   it  is   i n   ter m s   o f   s tead y   s ta te  p er f o r m an ce   s u ch   a s   T HD  an d   v o ltag e   r eg u latio n   o r   in   ter m s   o f   tr a n s ie n p er f o r m a n ce   s u c h   as   q u ic k   s ettle m e n a g ai n s t   v ar iatio n s   i n   s u p p l y   an d   lo ad ,   ad v an ce d   s tr ateg ie s   o f   co n tr o l a r n ee d ed   to   b d e p lo y ed   w it h   Vo ltag s o u r ce   I n v er ter s   [ 1 ] .   T h er ar e   s ev er al  s tr ateg ies  o f   v o ltag s o u r ce   in v er ter   ( VSI )   co n tr o l.  C o n v e n tio n al l y   u s ed   P I   co n tr o l,  w h ic h   is   i n ca p ab le  o f   tr ac k i n g   p er io d ic  s i g n al s   . A t h s a m ti m b asic  h y s ter e s is   c u r r en co n tr o t h at   g en er ate s   v ar iab le  s w itc h in g   f r eq u en c y   r eq u ir in g   ap p licati o n   o f   ap p r o p r iate  f ilter   w it h   it.   Mu ltip le  f ee d b ac k   lo o p   co n tr o s ch e m w i th   m o d er ate  s w itc h in g   f r eq u e n c y   m ak es  o u tp u t   v o lta g w av e f o r m   p u r el y   s i n u s o id al   [ 2 ]   h o w ev er ,   w it h   n o n - lin ea r   l o ad s   it p r o v id es d is to r ted   o u tp u t v o lta g e.     A ll   t h ab o v r ep o r ted   lin ea r   co n tr o ller s   w o r k   s ati s f ac to r il y   n ea r b y   eq u ilib r iu m   p o i n o n l y ,   to   g u ar a n tee  th e   g lo b al  s tab ilit y   o f   th e   VSI   s y s te m   u n d er   la r g p er tu r b atio n s .   B y   an d   la r g t h n o n - li n ea r   co n tr o ller s   p lay   b etter   r o le.   On o f   th f r eq u en t l y   u s ed   n o n - li n ea r   co n tr o ller s   is   P ass iv it y - B a s ed   C o n tr o l   ( P B C )   [ 3 , 4 ] .   H o w ev er   in   P B C   m eth o d ,   th g lo b al  as y m p to tic   s tab ilit y   i s   g u ar an te ed   w ith   t h p er f ec t   p ar am eter   m atc h   as s u m p tio n   w h ic h   is   n o v alid   i n   p r ac tice  an d   lead s   to   s tead y - s tate  er r o r   in   th o u tp u t   v o ltag e.   Sli d in g   Mo d C o n tr o l ( SMC )   is   n o n - lin ea r   co n tr o l te ch n iq u w h ic h   i s   s u p er io r   in   ter m s   o f   s tab ili t y ,   s i m p lic it y ,   r e g u latio n   a n d   r o b u s t n es s   u n d er   w id r an g o f   o p er atin g   co n d itio n s   [ 5 ] .   T h m aj o r   ad v an tag e   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8   :   757     765   758   SMC s   p er f o r m a n ce   ag a in s a n y   d is t u r b an ce   i n   t h s y s te m   p ar am eter s   o r   in   th e   lo ad s   [ 6 ]   is   it s   f ast   tr ac k i n g   ab ilit y   an d   b etter   s tab ilizatio n   th at  h e lp   in   d ev elo p in g   h ig h - p er f o r m an ce   o f   VSI   cir cu it s .   [ 7 , 8 ]   T h s u p er ca p ac ito r   ( o r   u ltra ca p ac ito r )   h as  ac q u ir ed   w id atten t io n   a s   co m p le m e n tar y   s o u r ce   o f   p o w er   to   P s y s te m s   d u to   its   h ig h er   p o w er   d en s it y   ( k W /k g ) ,   lo n g er   li f e,   lar g er   c h ar g an d   d is c h ar g e - c y cles,  lo w er   eq u i v alen s er i es  r esi s tan ce ,   less er   h ea ti n g   lo s s es  a n d   w id er   te m p er atu r e   r an g e   as  a g ai n s t   b atter ies    [ 9 10 ] .   L o w er   v o lt ag r ati n g   a n d   v ar y i n g   ter m i n al  v o ltag is s u e s   o f   s u p er ca p ac ito r   ar h an d led   s atis f ac to r il y   w it h   th u s o f   B id ir ec tio n a d c - d co n v er ter   w h ic h   ac ts   a s   co n tr o lle d   ch ar g er   allo w in g   ch ar g i n g   an d   d is ch ar g i n g   c u r r en ts   to   f lo w   to   a n d   f r o m   t h s u p er ca p ac ito r   as p e r   th n ee d .       2.   P RO P O SE SYS T E M   CO N F I G U RAT I O N   T h s ch e m atic  r ep r esen tat io n   o f   p r o p o s ed   s y s te m   is   s h o w n   in   Fi g u r 1 .   T h b lo ck   d iag r am   co n s is t s   o f   P ar r ay   w it h   v ar y i n g   s o lar   ir r ad iatio n   w h o s o u t p u is   g i v en   to   DC - D C   b o o s co n v er ter ,   MP PT  alg o r ith m   i s   u s ed   to   tr ac k   m ax i m u m   p o w er .   Su p er   ca p ac ito r   is   in tr o d u ce d   w ith   s u ita b le  b atter y   c h ar g er   ( DC - D C   b u c k   b o o s co n v er ter )   to   in ter f ac w it h   Dc  lin k   o f   th in v er ter .   Fu r t h er   th e   P I   an d   SMC   VSI   co n v er ts   t h DC   li n k   p o w er   i n to   h ig h   q u ali t y   ac   p o w er   f o r   f ee d in g   t h lo ad s   f o r   w h ich   it   m a k e s   u s o f   P I   o r   SMC   co n tr o ller .   Fig u r e   2   s h o w s   s i n g le  p h as Vo ltag So u r ce   I n v er ter   f o r   R L   lo ad ,   alo n g   w i th   a n   R L C   f ilter .   T h e   o u tp u t o f   t h I n v er ter   is   g iv e n   b y   V 0   a n d   is   t h co n tr o l v ar i ab le  o f   th s i n g le  p h ase  i n v er ter .         Q1 Q2 Q3 Q2 V i   =   u   V DC C R C i i c i z R L V DC } Z V 0       Fig u r e   1 .   B lo ck   Diag r a m   o f   P r o p o s ed   C o n f ig u r atio n   Fig u r e   2 .   I n v er ter         T h s tate  s p ac m o d el  o f   t h i n v er ter   b ased   o n   t h s tate  v ar i ab les,  g i v en   b elo w ,   is   u s ed   i n   th s l id in g   s u r f ac in   S lid in g   Mo d C o n tr o ller .   Her V 0   an d   i a r th s tate  v ar iab les.                      11 1 0 Z C C F L         0 DC H L V          T h o u tp u eq u atio n   w i th   V 0   a s   o u tp u t c a n   b w r itte n   as  C   =   [ 1   0 ]       3.   CO NT RO L L E RS U S E D   3 . 1 .     M P P T   Co ntr o l   Fix ed   t y p P   a n d   MP PT   is   u s ed   h er e   t o   m ak e   it   ea s il y   i m p le m en tab le. I n   t h is   p ar ticu l ar   MP PT   alg o r ith m   u p d atin g   i s   d o n an d   i n   ea c h   s tep   ∆D   is   v ar ie d   b y   2 0 e - 6 I n itial   v alu e   f o r   D =0 . 6 ,   u p p er   li m it  f o r   ( m ax =0 . 9 ) ,   lo w er   li m it o f   ( m in =0 . 0 2 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P erfo r ma n ce   A n a lysi s   o f S u p e r ca p a cito r   I n teg r a ted   P V   F ed   Mu ltis ta g ...  ( S h r u ti P a n d ey )   759       Fig u r 3 .   I - an d   P - C h ar ac t er is tics   at  1 0 0 0   W /m 2   an d   2 5   °C       3 . 2 .     Su perc a pa cit o Cha rg e   M a na g em e nt  Co ntr o l   C h ar g in g   a n d   d is ch ar g i n g   p r o ce s s   o f   s u p er ca p ac ito r   is   p er f o r m ed   in   t w o   s tep s .   O n is   th r o u g h   co n s ta n cu r r en c h ar g i n g   a n d   th o th er   is   c o n s ta n cu r r en d is ch ar g i n g .   [ 1 1 ]   C o n tr o d iag r a m   o f   th co n s ta n t   cu r r en t c h ar g i n g   m o d an d   co n s ta n t c u r r en t d is c h ar g i n g   m o d e. is   s h o w n   in   t h Fi g u r 4 a   an d   4 b .         + - + - I a c t ua l L P P V SC PP V I r e f PI D G ( s ) :   T r an s f er   F u n c t i o n   B u c k   M o d e   + - + - I a c t ua l L P P V SC PP V I r e f G ( s ) :   T r a n s f er   F u n c t i o n   B o o s t   M o d e   ( a)   ( b )     Fig u r 4 a .   C o n s ta n C u r r en C h ar g i n g   Me th o d ;   4 b .   C o n s ta n C u r r en t D is c h ar g i n g   Me t h o d       3 . 3 .   P r o po s ed   Sli di ng   M o de  Co ntr o l   Mu lti   lo o p   co n tr o ller s   g iv e s   s u p er io r   r es u lts   in   ter m s   o f   b etter   s y s te m   s tab il it y   an d   tr an s ie n t   p er f o r m a n ce ,   h e n ce   i n   v o ltag e   co n tr o lled   in v er ter s   , it  i s   al wa y s   g o o d   to   co n s id er   th e   in n e r   cu r r en lo o p   also .   I n   th p r o p o s ed   SMC   t h c u r r en er r o r   d er iv ed   f r o m   t h er r o r   in   v o lta g is   u s e d   i n   t h i n n er   lo o p   w h i le  t h v o ltag er r o r   co n tr o is   u s ed   i n   th o u ter   lo o p .   T h Sli d in g   Mo d C o n tr o ller   o p er ates  at  v er y   h i g h   s w itc h i n g   f r eq u en c y   an d   in   s u c h   w a y   th at  th ca p ac ito r   o u tp u v o ltag       an d   th in p u i n d u cto r   cu r r en       tr ac k   p r ec is el y   th e ir   r esp ec tiv r ef er en ce   v al u es .       + + + - + - + + + - + - C o m p a r a to r Bo o l e a n C o n tr o l   s i g n a l   fo r   i n v e r te r m V c _ r e f V c _ a c t u a l ZN   b a s e d   P I   C o n tr o l ZN   b a s e d   P I   c o n t r o l I L _ a c t u a l I L _ r e f P r o p o s e d   S l i d i n g   M o d e   C o n tr o l V o l t a g e S M C     Fig u r 5 .   P r o p o s ed   C o n tr o l Sch e m e       T o   g et  g lo b al  s tab ilit y ,   in s tea d   o f   co n s id er in g   d ir ec v o ltag an d   cu r r en v ar iab les,  th eir   r esp ec tiv e   er r o r s   ar tak en   as st ate  v ar iab les.  T h e   p r o p o s ed   s lid in g   s u r f ac is   lin ea r   co m b i n atio n   o f   s u c h   s tate  v ar iab le.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8   :   757     765   760   e r r o r e r r o r V m I                                                                                                                       ( 1 )     w h er     e r r o r C r e f C V V V    , 1 Lr er e f L r o r I ii    a nd  m   s lid in g   co ef f icien t     T h co n tr o ller   co n s is ts   o f   i n d u cto r   cu r r en       an d   o u tp u v o lta g         f ee d b ac k .                   = ( i p k k s )   [               ]                                                                                                                                                   ( 2 )     w h er K P   is   p r o p o r tio n al  co n s t an t a n d   K i   is   i n te g r al  co n s tan o f   th P I   co n tr o ller .   W h en   SM C   co n tr o ller   d r iv es t h VSI   to w ar d s   th s in g u lar   p o in t,  it  m a k es       =0                                                                                                                                                                                             ( 3 )     E q u atin g     =0   in   eq u atio n   ( 1 ) ,     0 e r r o r e r r o r V m I        m 1 D e s i r e d   M a n i f o l d V e r r o r I e r r o r   ϕ m ϕ m ϕ m e r r o r e r r o r e r r o r e r r o r F x H u x y Cx  ϕ m e r r o r e r r o r e r r o r e r r o r F x H u x y Cx  V re f e rror V e rr or I     Fig u r 6 .   P r o p o s ed   Sli d in g   P lan e     Fig u r 7 .   C lo s ed   L o o p   C o n tr o l M o d el  o f   P r o p o s ed   S y s te m       T h er ef o r e,                                                                                                             e r r o r e r r o r V m I                                                                                                           ( 4 )     Fro m   clo s ed   lo o p   m o d el  co n tr o l e f f o r t c an   b r ea lized   as                 e r r o r e r r o r u V m I                                                                                                                          ( 5 )     1 e r r o r e r r o r V um I                                                                                       ( 6 )     W ith o u t lo s s   o f   g e n er alit y   ac c o r d in g   to   s tate  f ee d b ac k   m et h o d     e r r o r u k x                                                                                                                                                                                                                                                         ( 7 )   Co m p ar in g   eq u atio n   ( 6 )   an d   ( 7 )     1 km   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P erfo r ma n ce   A n a lysi s   o f S u p e r ca p a cito r   I n teg r a ted   P V   F ed   Mu ltis ta g ...  ( S h r u ti P a n d ey )   761     As a  r esu lt o f   n e w   er r o r   s tate  v ar iab les th s tate  s p ac r ep r esen tat io n   o f   V SI  s y s te m   ca n   b r ep r esen ted   as:   e r r o r e r r o r e r r o r FH x xu  &                                                                                                                                                                                  ( 8 )     e r r o r y C x                                                                                                                                                                                                                      ( 9 )     T h v alu o f   F error   i s   o b tain ed   as f o llo w s   [ 5 ]     1 () e r r o r F I H k H u F                                                                                                                                                                             ( 1 0 )     Fro m   eq u atio n   ( 1 0 ) :     11 11 e r r or ZC C F m ZC m C                                                                                                                                                                                                ( 1 1 )     Kee p in g   v al u o f   ( 7 )   in   ( 8 )     () e r r o r e r r o r e r r o r e r r o r F x H k x x &                                                                                                                                                                         ( 1 2 )     e r r o r e r r o r e r r o r F H k x x  &                                                                                                                                                                                                        ( 1 3 )     L et  ' F b d en o ted   b y   e r r o r F H k   T h v alu o f   s lid in g   co ef f icie n m   ca n   b ca lcu lated   in   f o r m   o f   E ig e n   v al u es a s     ' 0 IF                                                                                                                                                                                                                    ( 1 4 )     11 11 D C D C ZC C V m V m ZC L m C L           0                                                                                                                                                                                      ( 1 5 )     2 0 D C D C D C m V m V V m C L Z C L Z C C                                                                                                                                          ( 1 6 )     T h v alu o f   m   ca n   b o b tain e d   b y   co m p ar i n g   t h ab o v eq u atio n   w it h   th c h ar ac ter is t ics  e q u atio n   o f   d es ir ed   s y s te m   w h er 4 1 1 0 s e c , 0 . 8 s T   T h en   f r o m   3 s n T  ,   4 3 . 7 5 1 0 n   T h en   f r o m   s ta n d ar d   s ec o n d   o r d er   s y s te m   ch ar ac ter is tics   eq u atio n   22 20 nn ss           Fig u r e   8 .   Si m u latio n   R es u l t o f   Sli d in g   P lan o f   P r o p o s ed   S y s te m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8   :   757     765   762       C h ar ac ter is tics   eq u a tio n   o f   t h e   d esire d   s y s te m   b ec o m es     2 4 4 2 ( 6 1 0 ) ( 3 . 7 5 1 0 ) 0                                                                                                                                                        ( 1 7 )     Su b s ti tu t in g   v alu e s   s p ec i f ied   b elo w   i n   eq u atio n   ( 1 6 )   an d   co m p ar i n g   w it h   eq u atio n   ( 1 7 )   w i ll  y ield   s lid i n g   m o d co ef f icie n m   1 4 . 7 .     T h p ar am eter s   o f   t h s y s te m   u s ed   f o r   s i m u latio n   r es u lt s   ar V DC  5 0 0 V,   Z=5 2 8 ,   L= 1 mH.   C   =1 0 0 µF   No w   t h E ig e n   v a lu e s   o b tain e d   b y       0 e r r o r IF                                                                                                                                                                                          ( 1 8 )     11 11 Z C C m Z C m C        =0                                                                                                                                                                                                                                             ( 1 9 )     2 0 m C Z C                                                                                                                                                                                                                                       ( 2 0 )     B y   ta k i n g   s lid in g   co ef f icie n t   as  m   =1 4 . 7   as  ca lcu lated   a b o v E ig en   v alu e s   o f   co m e s   o u to   b   =0 ,     - 6 9 . 9 .   T h er ef o r it  is   cl ea r l y   s ee n   t h at  th E i g en   v al u es  o b tain ed   w ill  al w a y s   b lo ca ted   o n   th lef t - h a lf   o f   th s - p la n d en o ti n g   th s y s te m   s tab ilit y .       4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   Fig u r e   9   r ep r esen t s   t h s i m u la tio n   o f   t h p r o p o s ed   s y s te m   w it h   SM C   a n d   P I   f ed   V SI  f o r   n o n   li n ea r   L o ad .   T h s i m u latio n s   ar p er f o r m ed   w it h   P p an el  as p r i m ar y   e n er g y   s o u r ce   g i v i n g   DC   v o ltag o f   2 5 0   Vo lt.  T h P p ar am eter s   co n s id er e d   h er f o r   So lar   I r r ad iatio n   o f   1 0 0 0 W /       ar V oc  6 4 X 4 =2 5 6 V ,   I sc  6 . 1 4 A ,   I mp p     = 5 . 7 6 A ,   V mpp    5 4 . 7 V .   T h is   P v o ltag is   b o o s ted   u p   w it h   th h elp   o f   MP PT   co n tr o lled   b o o s co n v er ter   w h ic h   g iv e s   t h o u tp u ar o u n d   5 0 0 Vo lt  DC .   Her s o lar   ir r ad iatio n   is   v ar ied   at  p ar tic u la r   in ter v a ls .   T h P V   p an el  is   i n itiall y   g iv e n   ir r ad iatio n   o f   1 0 0 0   W /m 2 .   I is   i n cr ea s ed   to   1 2 0 0   W /m 2   an d   r ed u c ed   to   5 0 0   W /m 2   at   0 . 5   s ec   an d   0 . 8 5   s ec   r esp ec t iv el y .   T h is   r es u lt s   in   t h v ar iatio n   o f   P o u tp u v o ltag e.   I n   ad d itio n   to   th e   v ar iatio n   o f   ir r ad iatio n ,   th l o ad   p o w er   i s   al s o   v ar ied   i n   o r d er   to   s tu d y   t h s tab ilit y   o f   t h s y s te m   i n   t h p r esen ce   o f   lo ad   d is tu r b an ce s .   B y   co n n ec ti n g   p ar allel  R L   lo ad   in   ex is ti n g   lo ad ,   th lo ad   p o w er   is   r aised   f r o m   2 5 0 0 W   to   3 0 0 0 W   an d   b r o u g h b ac k   to   2 5 0 0 W   at  0 . 2 4 s ec   an d   0 . 3 5 s ec   r esp ec tiv el y ,   with   t h is   r e f er en ce   p o w er   is   m ad a n d   ac t u al  p o wer   is   co m p ar ed   i n   t h u p co m i n g   w a v e f o r m s .   T h o u tp u v o lt ag o f   P p an el   a s   s ee n   b y   t h DC   li n k   ch a n g es   w it h   c h an g in   ir r ad iatio n ,   w h er t h s u p er ca p ac ito r ,   h a v in g   o u tp u o f   2 5 0 V,   m an a g ed   b y   it s   c h ar g e   co n tr o ller   ( b id ir ec tio n al  b u c k   b o o s co n v er ter ) ac t s   to   m ai n tai n   a   co n s ta n t   o u tp u t   v o ltag o f   5 0 0 at  th DC   li n k .         Q1 Q4 Q3 Q2 L b oos t D Q b oos t   Lf L c c D1 Q2 D2 Q1 } M P P T } } S u p e r c ap ac i t or P V  S ou r c e I p v V p v Vc I L R e f e r e n c e   V ol t age S l i d i n g m od e  c on t r ol / P I  c on t r ol C f D C  L i n k  ( C 1) T o S w i t c h e s   Q 1, Q 2, Q 3, Q 4 B o o st   C o n ve r t e r V S I F i l t e r B a t t e r C h a r g e r Ls D1 D4 D3 D2 V a ri a b l No n   L i n ea L o a d S e n s i t i ve  L oad R1 C1 SW D1 D2 D3 D4 Ls R1 C1 C h a r g e   C o n t r o l l e r }   Q1 Q2     Fig u r 9 Mu ltis tag C o n v er te r   w it h   SM C   P I   C o n tr o lled   I n v er ter   f o r   No n lin ea r   L o ad   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P erfo r ma n ce   A n a lysi s   o f S u p e r ca p a cito r   I n teg r a ted   P V   F ed   Mu ltis ta g ...  ( S h r u ti P a n d ey )   763       T h r ef er en ce   ca p ac ito r   v o ltag is   co n s id er ed   as 3 2 5 s in ω t.  T h lo ad   cu r r en t is  m u ltip lied   b y   2   f o r   th e   p u r p o s o f   clar it y .   T h i n d u c t o r   cu r r en i s   o b tai n ed   b y   p a s s i n g   er r o r   ca p ac ito r   v o ltag e   th r o u g h   P I   C o n tr o ller ,   w h o s Kp   an d   Ki  v a lu e s   ar ev alu a ted   th r o u g h   Z - b ased   te ch n iq u e.       4 . 1   P er f o rm a nce   Ana ly s i s   o f   P F ed  M ulti  Sta g Co nv er t e w it P I   Co ntr o lled  VS I   f o   No L inea L o a d   Si m u l atio n   r es u lts   s h o w n   i n   Fi g u r 1 0   r ev ea t h at  t h ir r ad iatio n   b ased   ch a n g e s   in   P o u tp u ( Fi g u r e   10 a ( c ) )   ar ef f ec tiv e l y   co m p li m en ted   b y   t h s u p er ca p ac ito r   Fig u r 1 0 a   ( b )   to   m ee th e   lo ad   v ar iatio n   Fi g u r e   10 a   ( a) .   T h in cr ea s ed   lo ad   p o w er   b et w ee n   0 . 2 4 s ec   to   0 . 3 4 s ec   as  s h o w n   in   Fi g u r e   1 0 a   ( a)   is   m e b y   s u p e r ca p ac ito r   as  s h o w n   b y   Fi g u r e   10a   ( b )   w it h   th e   h elp   o f   i ts   c h ar g co n tr o ller   ( b u c k - b o o s co n v er ter ) .   I i s   clea r   f r o m   Fi g u r 1 0 a   ( a) ,   ( b ) ,   ( c)   th at  an   in cr ea s in   lo ad   p o w er   i n   th i n ter v a o f   0 . 2 4 s ec   to   0 . 3 4   s ec   is   ex cl u s i v el y   m et  b y   t h s u p er ca p ac ito r   an d   n o b y   t h P s o u r ce .   Fi g u r e   1 0 a   ( d )   co r r o b o r ates  th i s   f ac b y   s h o w i n g   d ec r ea s in g   SO C   i n   th i s   d u r atio n .   F u r th er   t h ir r ad iatio n   is   in cr ea s ed   f r o m   1 0 0 0   W /m 2   to   1 2 0 0   W / m 2   at  0 . 5   s ec   an d   d ec r ea s e d   f r o m   1 2 0 0   W /m 2   to   5 0 0   W / m 2   at  0 . 8 5 s ec .         1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 L o a d  P o we r ( W ) 1 0 0 0 0 6 0 0 0 0 - 4 0 0 0 2 0 0 0 SC   P o we r ( W ) 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 P V   P o we r ( W ) ( c )   T i m e ( b )   T i m e ( a )   T i m e 0 . 5 0 8 3 0 . 5 0 8 4 0 . 5 0 8 5 0 . 5 0 8 6 2 5 0 0 2 4 0 0 zo o m e d A c tu a l   Pl o a d R e f. Pl o a d 3 7 . 2 37 3 6 . 8 3 6 . 6 3 6 . 4 S OC( % ) 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 1 .1 ( d )   T i m e   400 300 200 100 0 - 100 - 200 - 300 - 400 L o a d  V o lt a g e  ( V )  &  Cu r r e n t   ( I ) 20 10 0 - 10 - 20 E r r o r   V o lt a g e ( V ) 0 . 3 2 4 0 0 . 3 2 5 0 0 . 3 2 6 0 340 320 300 Z o o m e d 0 .2 2 0 .2 6 0 . 3 0 0 .3 4 0 . 3 8 0 . 2 4 0 .2 8 0 . 3 2 0 . 3 6 0 .4 0 ( b )  T im e  ( s ) ( a ) 0 .3 2 7 0   ( a)   ( b )     Fig u r 1 0 a .   Ou tp u L o ad   P o w er ,   SC   P o w er   a n d   P P o w er   f o r   PI  C o n tr o lled   VSI .   10 b .   P I   C o n tr o lled   VSI   Ou tp u t V o ltag W av e f o r m   S h o w in g   E r r o r   2 1 . 5 4   V       Fig u r 10a   ( b )   an d   Fig u r 10a   ( c) ,   ( d )   s h o w s   t h at  th s u p er c ap ac ito r   g ets  c h ar g ed   ( b y   b u c k   ac tio n   o f   b u ck   b o o s co n v er ter )   i n   th e   in ter v a f r o m   0 . 5 s ec   to   0 . 8 5 s ec   f r o m   P p an el   s u ch   t h at  a   co n s ta n t   p o w er   o f   2 5 0 0   W   is   m ai n tai n ed   ac r o s s   th lo ad   s i m ilar l y   f r o m   0 . 8 5 s ec   to   1 . 1 s ec   th P o u tp u is   r ed u ce d   an d   th e   s u p er ca p ac ito r   d is ch ar g e s   ( b y   b o o s ac tio n   o f   b u ck   b o o s co n v er ter )   to   m a in ta in   a   co n s ta n p o w er   s u p p l y   to   th lo ad .   T h in itial  d ip   in   p o w er   o u tp u o f   s u p er ca p ac ito r   is   attr ib u ted   to   th in itia ch ar g i n g   o f   t h e   s u p er ca p ac ito r .   Fu r th er   th i n itial  d ela y   in   t h o u tp u p o w e r   f r o m   P ar r ay   i s   d u to   th e   ti m tak e n   b y   P V   ar r ay   to   g en er ate  m ax i m u m   p o w er   o f   2 5 0 0 W .   T h z o o m ed   p ar o f   lo ad   p o w er   w a v e f o r m   i n   Fi g u r 10a   ( a)   s h o w s   t h d if f er e n ce   b et w ee n   r ef er en ce   lo ad   p o w er   a n d   th ac tu al   lo ad   p o w er   is   1 0 0   W att.   T h is   d if f er e n ce   r e m ain s   th r o u g h o u u p   to   1 . 1 s ec . T h er ar e   t w o   s p ik es  v is ib le  at  th in s tan o f   lo ad   v ar iatio n   in   th w a v e f o r m   at  0 . 2 4   s ec   an d   0 . 3 4   s ec .   I t is d u to   th p r esen ce   o f   in s tan t c h ar g i n g   o f   ca p ac ito r   in   th n o n li n ea r   lo ad .   Fig u r 10b   ( a)   s h o w s   th ac t u al  o u tp u ca p ac ito r   v o ltag e,   r ef er en ce   v o lta g w av e f o r m s ,   an d   th e   cu r r en w av e f o r m ,   Fi g u r e   10b   ( b )   s h o w s   it s   er r o r   v o lta g wav ef o r m   w h ic h   h as   er r o r   o f   2 1 . 5 4 Vo lt.  T h T HD   in   th o u tp u v o ltag o f   P I   co n tr o lled   VS I   is   2 . 1 7 % .     4 . 2   P er f o rm a nce  Ana ly s is   o f   P F ed  M ulti   Sta g e   Co n v er t er   w it S M C   Co ntr o lled  VSI   f o r     No n L inea L o a d   Fig u r 11a   r ev ea l s   t h at   o n   c h an g i n g   t h lo ad   t h lo ad   p o w er   s e ttles   to   r e f er en ce   p o w er   w it h   a   d if f er e n ce   o f   o n l y   4 W atts   in   f e w   m il lis ec o n d s   o n l y .   Fi g u r 11b   s h o w s   t h tr ac k i n g   o f   v o ltag ac r o s s   ca p ac ito r   to   its   r ef er en ce   v o lta g alo n g   w it h   th er r o r   v o ltag w h ich   i s   eq u al  to   1 . 2   Vo lt.            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8   :   757     765   764       1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 L o a d   P o w e r ( W ) 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 - 4 0 0 0 SC   P o we r ( W ) 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 P V   P o w e r ( W ) 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 . 1 ( c )  T i m e ( a )  T i m e ( b )   T i m e R e f. Pl o a d A c tu a l   Pl o a d 2 5 0 0 . 0 2 4 9 6 . 0 2 4 9 2 . 0 0 . 5 0 8 3 0 . 5 0 8 4 0 . 5 0 8 5 0 . 5 0 8 6 zo o m e d   400 300 200 100 0 - 100 - 200 - 300 - 400 L o a d  V o lt a g e  ( V )  &  C u r r e n t   ( I) ( a ) 1 . 5 1 . 0 0 . 5 0 - 0 .5 - 1 .0 - 1 .5 0 . 2 2 0 . 2 6 0 .3 0 0 . 3 4 0 .3 8 0 . 2 4 0 . 2 8 0 . 3 2 0 .3 6 0 .4 0 ( b )   T i m e   ( s ) V r e f 0 .3 2 4 0 0 . 3 2 5 0 0 .3 2 6 0 316 326 308 Z o o m e d V r e f V a c t I a c t   ( a)   ( b )     Fig u r 1 1 a .   Ou tp u t W av e f o r m s   o f   L o ad   P o w er ,   SC   P o w er   a n d   P P o w er   f o r   SMC   C o n tr o lled   VSI     11 b .   SMC   C o n tr o lled   VSI   Ou t p u t V o ltag W av e f o r m   S h o w i n g   E r r o r   1 . 2   Vo lts       T h zo o m ed   p o r tio n s   o f   Fi g u r 10b   an d   Fig u r 11b   s h o w   th at  tr ac k i n g   o f   ca p ac ito r   v o lt ag to   it s   r ef er en ce   v o lta g m atc h es   p er f ec tl y   w it h   Sli d i n g   Mo d C o n tr o ller   as   ag ai n s t h e   P I   co n t r o ller   in   n o n l in ea r   lo ad . T h T HD  p er f o r m a n ce   o f   VSI   d ep lo y i n g   S MC i s   0 . 2 5 %     4 . 3 .   Co m pre hen s iv Ana ly s is   o f   F ind ing s   T h i m p ac o f   i m p r o v ed   ( SMC )   co n tr o ller   in   t h p er f o r m an ce   o f   m u ltis ta g co n v er t er   s y s te m   i s   ass is i n   ter m s   o f   T HD,   V error   ( m ax ) ,   s tead y   s tate  er r o r   in   p o w er   an d   p ea k   o f   f u n d a m e n tal  co m p o n en t   o f   ou tp u t v o lta g i s   s h o w n   i n   T a b le  1 .       T ab le  1 .   C o m p ar ativ T ab le   Ty p e   o f   M u l t i st a g e   S y st e m   S M C   c o n t r o l l e d   V S I   f o r   N o n - l i n e a r   l o a d   P I   c o n t r o l l e d   V S I   f o r   N o n - l i n e a r   l o a d   T H D   0 . 2 5 %   2 . 1 7 %   V e r r   ( max )   1 . 3   V   2 1 . 5 4 V   S t e a d y   st a t e   e r r o r   i n   P o w e r   4W   1 0 0 W   F u n d   C o mp o n e n t   o f   V o l t a g e   3 2 5   3 2 0 . 5       5.   CO NCLU SI O N   A   n o v el  ap p r o ac h   co m p r is i n g   o f   th in teg r atio n   o f   m u lti s t ag co n v er ter   s y s te m   d ep lo y i n g   MP P T   w it h   b o o s co n v er ter ,   P I   SM C   co n tr o ller s   w it h   VSI   f o r   n o n li n ea r   lo ad s   h as   b ee n   ca r r ied   o u t .   T h an a l y s is   o f   p er f o r m a n ce   o f   P f ed   m u lti s t ag co n v er ter   s y s te m   d e p lo y in g   SM C   co n tr o lled   VSI   s h o w s   th at  b o th   t h T HD  as  w el as  th o u tp u t - v o lta g e - er r o r   ar less   in   co m p ar is o n   to   th o s o b tain ed   w it h   t h co n v e n tio n al  P I   co n tr o lled   VSI   u n d er   id en tica lo ad in g   co n d itio n s .   A ls o   it  is   f o u n d   th at  t h s tead y   s tate   er r o r   b etw ee n   t h p o w er   d e m an d   a n d   s u p p l y   is   v er y   h i g h   w i th   P I   co n tr o ller s .   T h u s   t h SM C   C o n tr o lled   VSI   u s ed   w it h   MP P T   co n tr o lled   P g en er atio n   ca n   b s u p er io r   o p tio n   f o r   in teg r atin g   it  to   th m icr o   g r id   s y s te m s .   F u r th er   it  w a s   in ter esti n g   to   n o te  t h at   th e   co n tr o ller s   ta k d u e   ca r o f   s ati s f ac to r il y   i n te g r ati n g   th e   s u p er ca p ac ito r   to   co m p e n s ate  t h i n ter m itte n c y   o f   P s o u r ce .       RE F E R E NC E S   [1 ]   S a ti sh   Ku m a G u d e y ,   Ra jes h   Gu p ta,  S e c o n d   Ord e S li d in g   M o d e   Co n tro f o a   S in g le  P h a se   V o l tag e   S o u rc e   In v e rter,  IET   P o w e El e c tro n ics   2 0 1 4   [2 ]   A b d e l - Ra h im ,   N.M . ,   Qu a ico e ,   J.E . ‘A n a l y sis  a n d   d e sig n   o f   a   m u lt ip le  f e e d b a c k   lo o p   c o n tro str a teg y   f o sin g le - p h a se   v o lt a g e - so u rc e   UPS   i n v e rters ’,   IEE T r a n s.   Po we r E lec tro n . ,   1 9 9 6 ,   1 1 ,   ( 4 ),   p p .   5 3 2 5 4 1   [3 ]   Orte g a ,   R. ,   L o ria,  A . ,   Nic k la ss o n ,   P . J.,   S ira - Ra m ire z ,   H.:   ‘P a ss iv it y - b a se d   c o n tr o o f   Eu ler - L a g ra n g e   s y ste m s’  (N e w   Yo rk ,   S p ri n g e r - V e rlag ,   1 9 9 8 )   [4 ]   M a rq u e z ,   H.J.:   ‘No n li n e a c o n tro l   sy ste m s: an a l y sis a n d   d e sig n ’  (Jo h n   W il e y   &   S o n s,  2 0 0 3 )   [5 ]   G u d e y ,   S . K.,   G u p ta,  R. ‘S li d i n g   m o d e   c o n tro in   v o lt a g e   so u rc e   in v e rter  b a s e d   h ig h e o rd e c ircu it s’,  In t.   J .   El e c tro n . ,   2 0 1 5 ,   1 0 2 ,   (4 ) ,   p p .   6 6 8 6 8 9   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P erfo r ma n ce   A n a lysi s   o f S u p e r ca p a cito r   I n teg r a ted   P V   F ed   Mu ltis ta g ...  ( S h r u ti P a n d ey )   765   [6 ]   Utk in ,   V . I. ‘V a riab le  stru c t u re   sy ste m s   w it h   slid in g   m o d e s’,  IEE T ra n s.  Au to m.  Co n tro l ,   1 9 7 7 ,   2 2 ,   (2 ) ,   p p .   2 1 2 222   [7 ]   P m h e iro ,   H.,   M a rti n s,  A . S . ,   P in h e iro ,   R. slid in g   mo d e   c o n tro ll e in   sin g le  p h a se   v o lt a g e   so u rc e   in v e rte rs .   P ro c .   IEE IECON,  B o lo g n a ,   S e p tem b e 1 9 9 4 , p p .   3 9 4 3 9 8   [8 ]   T a i,   T . L . ,   Ch e n ,   J.S . ‘U P S   in v e rt e d e sig n   u sin g   d isc re te - ti m e   slid in g     m o d e   c o n tro sc h e m e ,   IEE T ra n s.  Po we El e c tro n . ,   2 0 0 2 ,   1 8 ,   ( 1 ),   p p .   6 7 75   [9 ]   S u w a S ik k a b u t, e a ll   Co n tro st ra teg y   o f   so lar/w in d   e n e rg y   p o w e p lan w it h   su p e rc a p a c it o e n e rg y   sto ra g e   f o r   s m a rt  DC  m icro g rid ,   2 0 1 3   IEE 1 0 t h   In tern a ti o n a Co n f e re n c e   o n   P o w e El e c tro n ics   a n d   Driv e   S y ste m s (P EDS )   [1 0 ]   A .   S . W e d d e ll ,   G .   V . M e rre tt ,   T .   J.   Ka z m iers k i,   a n d   B.   M .   A l - Ha sh im i, Ac c u ra te  su p e rc a p a c it o m o d e li n g   f o e n e rg y   h a rv e stin g   w irel e ss   se n so n o d e s ,   IEE T r a n s.  C irc u it S y st .   II,   Ex p .   Brief ,   v o l.   5 8 ,   n o .   1 2 ,   p p .   9 1 1 9 1 5 ,   De c .   2 0 1 1 .   [1 1 ]   Zh o n g q iu   W a n g X L i;   Ge n g y in   L i;   M in g   Zh o u L   L o   En e rg y   sto ra g e   c o n tro f o th e   P h o t o v o lt a ic  g e n e ra ti o n   s y ste m   in   a   m icro - g rid   2 0 1 0   5 th   In tern a ti o n a C o n f e re n c e   o n   Crit i c a In f ra stru c tu re   (CRIS )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.