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 )  Vo l .  1 0 , No .  2 , Ju n e  20 1 9 , p p .  1 0 9 0 ~ 1 101  ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 2.pp1090-1101          1090     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   Simp le control scheme buck-b oost DC-DC conv erter for stand  alone PV  a pplication system      M.  Z .   Zu lk ifli,  M . Azri ,   A . A lias,  N.   T alib,   J.  M .   Lazi   Cen t er  f o r   R ob otics  a n d  Indu st rial   A utomatio n  (CeRIA ),   F aku l ti  Kejur u teraan El e k t r i k ,     Uni v ersiti  T e kni k al  Malays i a Me laka,   Malaysia       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  Ju l  1 9,  201 8  Re vise d D e c 6, 201 8   Ac ce p t ed  M ar 3 , 2 0 19      In  t h i s   p a per  a  b u ck -boo st   d c-dc  c on v e rter  f or  p v   ap pl icat ion   i s  pr op ose d ,  wh ich   is  m ai nly  com p osed   o f   a  bu ck– boo st   c on verter,  P V   p anel,  l oa d   a n d  a   bat t ery .   E xistin g   d c -dc  co nvert er   can  c on vert   t h e   pow er  f rom   t h e   P V   p anel,  bu t  unf ort unat e ly   t he  P V  p a n e l  can  o nly   prov id e  p o w e r  w h en   t her e  is   a   h i g h   in ten s ity  o f   l i ght.   In  o rder  t o  p r o v i d e  p o w e r  su ppl y  t o   t he  l oa d  w i th ou t  a n y  in terru pti on,   b u c k-b o o s t  D C -DC  co nvert er  i s   in trod uced .   Th e  po w er   in term itten c y  is su e   of   P V  panel   can   b e  o v ercom e   w it h  th e  ai d  of   a   s eco ndary   s u p p l y  w h i c h  i s   i n  t h i s   c a s e ,  t h e   b a t t e r .  T h e   i n t e g r a t i o n  s y s t e m  be twe e n   t he   pri m ary  and  th e  s econ d ary  su pp ly   i s  con t rolled   b y   a   s im p l e  prop o s ed  c on trol   sch e m e .  Bat t ery  act  a s  a  p o wer   in   t he  l o w   v oltag e   s id e  wh il e  P V   p anel  i s  ta king   o ve r  in   t h e   h ig h  vo lta g e   s i d e .   B uc k - bo ost  c o n v e r te r  is  o perated  either   is   b u c k  or  b oo st  m ode  a c c o r di ng   t o   th e  perf o r mance   o f   t h e   P V  p a nel .   T h i s   pap e r  i s   p res e n t ed   t he  s im ple  contro l  sch e m e   t o   d ecid e   t he  m od e   s uitabl e  for  th e  bu ck  a nd   b o o s t   m od e.  V ari o u s   c o nditi on s  are  s i m u l a ted   to  v e rif y   t he  work in g   o p e r a tio n  of  t he   b u c k-b o o st  c on ve rte r   a nd   t o  re pre s en ti ng   s o l a r   pan e l  i n   r eal   l ife.  S i m ulatio n  and  ex peri m e n t al  a re  carried   o u t   t o  verif y   t h e   syst e m . K eyw ord s :   Bu ck -boo st   C h arg i ng  ma n a g emen t   Co nt rol   me t hod s  Conve r ter   PV   s y s t e m   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:   Mo ham a d Za k i   B i n   Z ulk i fl i,   F a cult y o f   E l e c t rica l   En gine erin g,   U n i v ersi ti   T e k ni ka l Ma la ysia   M ela k a,   Jala n  H a ng Tu a h  Jaya ,   7610 0   D u rian  T ung g a l   Me laka.   Em ail:  m011 8 1 0 0 0 6 @ s t u d e n t. ut e m . e du. my       1.   I N TR OD U C TI O N   P o w e r  conve rt ers  is  o ne  o f  the   m o s t   i m por t a n t   p ar t s   i n  p h o t ov ol ta ic  s y s t e m.   T he   r eason  t h a t   t he y   p l ay   a n   i m po rta n t  ro l e   a s   th e y   c a n   c on v e r t   t he   d i f f e re nt   t yp e  o f  el ectric i t y   a nd   m ake   the   el ec tric ity  c o nve ni e n t   t o   t h e  e n d   u s e r .  S i n c e  t h e   s o l a r  c e l l s   p r o d u c e s   D C  t y p e   o f   e l e c tric it y,  t here   i s  r o om  f or vario us   t y p es of  p o w e r   con v er t e r  [1] .   B eca u s e  o f   c on sta n tl y  gr o w in g  ene r g y   d em and,  g r i d - co nn e c t e d   ph ot ovo lt a i c  sy s t e m s  a r e   bec o mi n g   m ore  a nd  m o re  p op u l ar ,  a n d  ma ny  c o un tries   have   p er mit t ed ,  en c o u r ag ed ,  a n d   ev e n   f u nded  di stri b u te d-p o w e r-ge n e r ati o n   sys t e m s.   C ur rent l y ,  so lar  pa nel s   a re  n o t   v e r y   e ffi ci en t   w i t h   o nly   a bout   1 2 - 20%  e ffi c i en cy   i n   t h ei r  st ab ilit y  to   c o n v e rt  s unl i ght   t o  el ec t r ica l   p o w e r .  Th e  e ffi ci en cy   can   d rop   fu rth e r  du e  t o   ot her  fac t ors  suc h   a s  s o lar   p a nel  te mpe r at u r e  and  l o a d   c on d i t i o n s .  Eve r y  so lar  pa ne l   w i l l   h a v e  a  u n i q ue  tem p era t ur e  co efficie n t.  T em pera t u r e   c oef f i c ien t   i s  im port a nt  s inc e   t he   t em per a ture  o f  t h e   s o lar   pa ne l s   h as   direc t   i nfl u e n c e   o n   t he  o u t p u t   pow er   p r o duc ed  [ 2].   M o s t   p anel s  ha ve  t em pera tur e   c oe ffi c ien t   o f  be tw ee n  -0.2  %  /  0 C  t o   - 0.5  %   /   0 C   w h en   t est e d   un de r  st a n d a rd   l ab o r at o r y  cond i t i on s.  T h e   c lo ser  t h e  t e mp era t u r e  coe f fic i e n t to  z er o, the  bet ter  the pa ne l w i l l  p er form .   The   c a l cu la t i on for t h e te mpe r ature   der a t i ng   i s  defin e d  b y  t he  te st e d  tem p e r a ture for  the panel  a nd it s   t e mp e r at u r e   coe f fi ci ent . Th e  val u e   t h a t   wi ll   a f f ect  t h e  t emp e ra ture  de r a t i n g is the  am b i e n t   t em p e rature  a n d  the   in sta l lat i on  ty pe   o f  the   pa nel  it sel f .   From  t h e   calcu la ti o n ,  if   t he   a m b ie nt  t em pera tu r e   e q u al s  to  2 8 ℃   a nd  the   in sta l lat i on  t y p e   i s  ra ck,   t h e   p a nel  w i l l   l ose  13. 2%   o f  i t s  o u t p u t   [ 3 ].  S tu d i e s   o n  t h e  e ffe ct  o f  tem p era t ur e  and   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       Sim p le  co n t rol  sc hem e  buck - b oos t   D C - D C conv e r ter f o r st an d a l o n e  PV … ( M .  Z.  Z u l k i f l i )   1 091 in so la tio n  o n   t he   p er f o r m a n ce  of   t he  P V   panel  w e r e   d e v elo p e d   u s i ng  P S P I CE/MA T LA B   m ode l  a nd  ha ve   be en  p r e se nte d   [ 4- 6] .   I n   o r d e r   t o  ma xi m i ze   t he   p ow er   d e r ive d   f r o m   t h e  s o lar   p a nel,   i t   i s  i m port a nt   t o   op era t e   th e   p a n e l   at   it s  o p tima l   p o w er  poi n t .   The r ef or e,   t he  pow er   e le ctr o n i cs  c on ve rter   i n t erf ace   b e t we en a so l a r   p a n e l   a n d   a loa d   ba tte r y   i s   i n tr o duce d .   The   se ver a l  pu l s e   w i dt h  m o d u la t o r   ( P WM)   DC-D C   co n v e r ter  is  u se d  to  e x t r act  t he   m a xim u m  pow e r   f or m   PV   s ol ar   p a n el  [ 7- 9] .   The  c o nve n t i o nal  of  p h o t ov o l ta ic   pow er   s ys t e m  m a y  use  o n - o f f   d i r e c t l y  c o n t r o l  s y s t e m .  T h e  s y s t e m   h a s   a   s i m p l e  b u i l d  a n d  s t r u c t ur e s .   H o w e ver ,   t he y  a l s o   h a v e  a   s i g n i f i ca n t   dr aw bac k   s uc h   a s ,   ther e   is  n o   con t r o l  ap p lie d  o n   t he   c har g i n g  s t a te  o f   th e  b a t t e ry .  Th e  on -o ff  st at e   b e twee n   the  ba tter y   a n d   t he  P V   pan e l  c a n n o t  pr o v i de  s upp l y   t o  the   l o ad  s i m u l t ane o usly  a nd   p er for m anc e   pow e r   tr a n sf er   t o  t h e  l o a d   i s  de cr e a sed  gr ad ua l l y.   F r o m  the  w eakne ss  of  t he   c onve nti ona l  s y stem ,   the  aim  of  t h i s  pa per   is  t o  pr ese n t   t h e  s i mp le   c on tr o l ler   i n   B uc k- B o os t  D C - D C   C onv e r te r  fo r  so l v ing   t h e  li mi ti ng   g ene r at i on  pow e r   o f  P V .   F o r   exa m ple ,   E N F   5 W  1 8 V   S o la r   P V   M od ule  ha s  a   va lu e   of  1 8. 1V   a t  m a ximum   pow er   w he n   ther e  i s   a   h i g h  in te ns ity  o f  s u nl igh t   [ 1 0 ].   I n  th i s   c a s e,   i f  t h e  l o ad   n eed ed   o n l y   12 V  o f   i npu t ,   a   b u c k   conv e r t e r   in   n ee de d.  M e a nwh ile,  if  t he   i nte n si ty  o f  t h e  s u n l igh t   i s  lo w ,   a   boos t  c o n v e r ter   is  n e e d ed   t o  ac hie v e  t h e   vo l t age  req u ire d  by  the   l o ad.       2.   CONVENTIONAL D C- D C   C ON VE R TER  F i gur e   1  s how s  t h e  se ve r a l  c o m m onl y  use d   D C- D C   c on v e r t e r   c ir cu i t s     s u c h  a s   B u c k  ,  B o o s t   a n d   B u ck- B o o s t   c on ve r t er s  [ 1 1 - 13] .   These   inc l ude  s w itc hi n g   p ow e r   M O S F ET,   d iode,   i n duc t o r   and    ca p a cit o r [ 1 4 - 15 ].          F i gur e  1.   S ever al  b a s ic   D C- D C   C on ver t er   t o p o l og ie s  [ 11]       Th e   v o lt ag e   lev e l   conv e r sio n   i s   d e p e ndi ng   o n  th e  ci rc ui t  t o pol o gi e s   b y  usi n g   a   v o l t - se c o nd   v o l t a g e .   The   dc  v o l t a ge   t r a nsfer   of   b o o s t   c on ve r t er ,   buc k  co n v er t e r   and  b u c k - b o o s t   c o nver t e r   a r e   e x p r e sse d   i n  T a ble  1.   The   aim   o f   p a p e r   i s  t o   c ontr o l  the   1 2   V   o u t p u t   l oa d  f o r   st a nda l one  s ys te m .     I n   o r d er   t o   con t r o l  t h e  de si r e d   vo l t age,   t h e   p a r a m e t er s  of   t he   s i m ula t i on  an d  har d w a r e   a r e   ill u stra te d i n  Ta b le 2.       Ta ble   1.   C onve r t er ’ s   e qua t i o n   T y p e   o f c onve r t e r   O u t put  volta g e  e qu a tion   B u c k  C onve r t e r   B oost  C onv e r te r   B u c k - B oost   C onverte r     Tab l e  2. P a r ameters  used   Pa r a m e te rs  V a l ue  L o a d   volt a g e ,   V lo ad   12  V   Ba tte ry volta g e ,   V ba t  6   V   Loa d ,      10 0   P V  p an e l  v o lta g e ,       0     1 8       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.  2 , June  20 1 9  :   109 0 –  1 1 01  1 092 2.1.   Bu c k  C on ver t er  The   ou t p u t   f r o m  the  solar   pa nel  is  b uc k   or  r e duce  by  us i n g  a   bu ck   c o nvert e r .  Th e  ou tp ut   v olt a g e   from   t he  s o l ar   p ane l   i s  fe d  to   t he   M O S F E T .   W he n  MO S F ET  is  on,  t he  c urrent  w i l l  flo w   f r o m  load  t h r ou gh   the   in duc t o r.   I nd uc tor  star ts  b u i l d i n g   u p   o s c illa tio ns  b y   d e vel o p i n g  m a g n e tic  f ie l d   acr oss  it  an d  ca use s   t he   vo lta ge to be reduc e d . Whe n  MO S F ET  is  o f f , ele c trom oti v e forc e  (EMF )  is  s u d d en l y   r ever se d  in the   i n duc t o r  tha t  o pp oses f u r ther  d rop i n  c urre nt .   The   con f ig ura tio n  use d  fo r   the  sim u lat i o n   o f buc k is s how n in F ig ure   2 .           F i gure  2. Buc k   conver t e r  c onfig urat i o n       In  t his  s i mula ti on,  t he   P V   pan e l  val u e  is  s e t   t o  be   a t  1 8 V   w i t h   t he  c onve rte r   s w itc hi n g   f re que nc y  o f   10  kH z.  T he  d ut y  r a t i o   for   th e  simul a ti on  i s   66.6 7 %.   T he  out pu t   o f  the   i n p u t   v o lta ge  i s   ha lve d   b e c a u s e   o f  th e   66.6 7 %  d u t y  c y cle . F igure  3 show s  t h e  o u tp ut v o lta ge  w av e f orm .           F i gur e 3  Buc k   o u t pu t   w a ve form       F r om   F i gur e 3 ,   t he   v a l ue of th e   o u t p ut v o l t a g e  from   t h e P V  pane l   is 1 8V . Th is  s imul at i o n  s how s t h at   the i n p u t  v o l t a ge ha d  be e n re duce d  to 1 1 . 61V  fr o m it s  ori g ina l   val u e  by   u sing  bu ck c o n v e rter . Buc k   c o n v er t e r  ca pab i lit y  t o   r educ e  vo lta g e   i s  g o o d   f or   i n t egra tin g  i t   w i t h  a   P V   s ystem .   M ore  stab le  a nd  s u ita b l e  v o l t a g e   leve l  ca n  be   o bt a i ne d   bu t  i t   c ann o t   p rov i de   a   v olta ge  d es ired  i f  t h e  per f orm a nc e  of  t he  P V   pa ne l  is  p oor  dur in g cl ou d y  we a ther . The  c alcu la te d  eff i c i ency  o f b u c k  c on ver ter  i s   9 6% .        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       Si m p le  co n t r o l  sche m e  buc k-b oos t D C -D C c onve r ter  for  st an d a l o n e  PV …  (M. Z. Z u lki f l i )   1 093 2.2.   Boost  Converter  The   a rrange me nt   o f  the   com p one n t  for bo o s t  conve r t er  i s  di ffe re n t  a s show n in F igur e  4 .           F i gure  4. Bo o s t   c on ver t e r   c o n f i g urati o n       B oos t   co n v erte r  is  u sed  to  s te p  u p   t he  v o lta ge.   The  o u tp ut   v o l t a g e  fr om  t he   c on ve rter  i s  c ontro ll e d   by  vary in g  t h e   du ty  c yc le.   Cur r ent  fl ow   v ia   i n duc t o r  and  MO S F ET .   The   e n e r gy  s t ored  i n  the  m a g n e t i c   f i e ld   a c ro ss  t h e  i ndu c t o r   a n d   t h e r e   i s   n o  cu rren t   f l o w i ng  th roug h   dio d e .  Th e  lo ad   i s   supp li ed   b y   t h e   c a pac i t o r.   Whe n  MO S F E T  i s   t ur ne d  off,   i n duc t o r  curre nt  o p p o ses  b y   i mm edia t e l y  re versi ng  E M F .   T he  i n duc tor   vol ta g e   add s  w it h the   s ource  v ol t a ge  a nd t h us b oos t i n g   t he  v o lta ge.   I n  th i s  s i m u lat i on,  t he  s our ce  i s   s e t  as  a  6V   b a tter y   w i t h  th e   c o n v e r ter   sw i t c h in g fre q ue ncy   of 10 k H z .   Th e   d u t y   r a t i o   o f  th e   si mul a ti on   i s  31 .5 %.  T h e   o utp u t   vo lt a g e   o b t ai ne d  from   t he  s i m ul ati on  is  d o u b l e d  t h e   in put  v olta ge  v alue . F igure  5 show s t h e  w a v e form  of  t h e   o u t p ut  vol t a g e .          F i gure   5.  Bo o s t  ou t pu t w a veform       F r o m   F i g u r e  5,  t h e   v al u e   o f  th e   out put   v ol t a g e   i s  7 . 79 3V.  Th i s   s i m u l a t i o n   s how s  t h a t   t he   i npu t   vo lta ge  h as  b e e n  i n c r ea se d  b y   t he  c o nver t e r .  Bo ost  c o n v e r t e r  c a n  bo os t  the  vo l t age  fro m   P V   p anel  e ven  o n   clo u d y   w eat he r .   T he  c a p a b ili t y   t o   s t ep   u p  t h e  v o l t a g e  is  v e r y  m uch   ne e d e d   i n   r e new a b l e   ener gy  s u c h   a s  so lar  w h ic h  t h e  i n te rm i tte nc y  is sue  is  a   b i g   d e a l .  The  dr aw bac k   o f  a  bo os t   c o nv e r ter  is  t hat  i t   o n l y  c a n  s t e p   up  bu t   ca nno t  ste p  do w n the  v o lta ge le v e l . Bo o s t  co nve r t er  e ffi c i e n c y  tha t   w as c alcula te d is 4 3.5 3 %.        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.  2 , June  20 1 9  :   109 0 –  1 1 01  1 094 2.3.   B u c k - B oost   Con v ert er  The   c onf i g ur at i o n  for  Buc k -Boos t c o n v erter   is sh o w n  i n F i g u r e   6 .          F i gur e 6.  Buc k - Bo os t   con v er te r c onfi g urat io n       I n   t his  c o nver t e r ,  the  vol ta ge   c a n   b e   e i ther  i ncre ase d   o r  d e cre ased.   It  i s  all  de pe n d i n g   on  t h e  du ty  c y cl e.  I ndu c t o r   i s  di rec t l y   s t o re  e n e rg y  by   d e v e l op in g   magn e t i c  f i e l d  w h e n   M O S E F T  i s   o n .  B e c a u s e   o f   t h e   di ode   i s  r e ver s e d   b iase d ,   t h e r e   i s  n o   c ur rent  f lo w   to  t h e   l oa d.   C a p ac i t or  w orks  d uri ng  t h i s   t ime .   W he n  MO S F ET  i s   t urne d  of f,  i nd uct o r  is  d isc o n n e c te d   for m   t h e   s o u rc e.   I t   op pos es  c ur rent   t o  dr o p   i n s ta n t l y   b y   reve rsin g t h e  EM F .   T he step- up d u t y ra tio  i s   above  5 0% m ea nw h i l e , th e   s tep- dow n du t y  r ati o  is bel o w   50% .  I n  th i s  si m u lat i o n ,   the  PV   p ane l   i s  set from  6V  to 18V  w it h the   c o n v erter   sw itc hi n g  fr e qu enc y   o f  10  kH z.  Tw o   s i m ula t ion  is  d o n e  w i t h   t he  d i ffe r e nt o f d u t y  cyc le r a tio.           F i gur e 7.  O utp u t v o lta ge  w av eform   w h en  d u t y   cyc l e   is 6 8% .      F i gure   7 sh ow s  t h e   ou t p u t   v o l t a g e  ob t a i n e d  w h en  t he  d ut y cy c l e  is 6 8%.   The   value   o f   t he  ou t pu t   v o lta ge is  bo oste d up fro m  6V to  11.9 1 V .  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       Si m p le  co n t r o l  sche m e  buc k-b oos t D C -D C c onve r ter  for  st an d a l o n e  PV …  (M. Z. Z u lki f l i )   1 095     F i gure   8.  O utp u t   v o l ta ge  w a v efor m  w h en du t y  cyc l e  is  4 1.5 %       F i gure   8  s h ow s  t h e  ou t put  v o lta ge  o bta i ne d  w h en  t he  d u t y  cycle   is  4 1.5% .   The  va lue   is  buc ke d  fr om   18V   t o   11.9 8 V .   F rom   bo t h   s im u l a t i o ns,  i t   s h o w s   t h a t  Buc k - B o o st  c on ve rt er  i s  ca p a b l e  t o   e ithe r   d ec rea s e   or  i n c re ase   the i n pu t v o lta ge.   Bu c k -Boo st   c on v e rt e r   i s   di ff ere n t   th an   b u c k  co nv e r t e r  o r   b oo st   co n v er t e r.  I t  c a pa ble   t o   s tep  u p   o r   st e p   d ow n  t h e vol tage   l e v e l .   I t   i s  ve ry  m uch su it a b l e   f or  r enew a b le  e nergy app l ica t i o n.  T h e   e ff i c ie nc y  for  th i s   con v er t e r  w h e n   i n  buc k  o p e r a t i on  i s   27. 9 3 %   w hi le   i n  bo os t   oper a ti on,   t he   e ff i c ie nc y  is  9 . 1 3%.  The   thre e  c o nv e r t e r  t h at   w e r e   si mu l a t e d   b e fo re  c an   p ro vid e   a   r eg ul ated   v o lt ag e   l e vel   n eed e d   f o r   P V  sy st em.   Ho wev e r ,   ea ch  o f  the m   h as  t he ir  o w n   d ra wbac k  t h at  w i l l  su ffice  t h e  eff i c i e n c y   o f  a  P V   s y s t e m  a p p l i c a t i o n .   T a b l e   3   show s t h e sum m ariza t i on  of t he  s i m u l at ion.       Ta b l e 3.  S ummar i z a t i o n  o f  t h e   conve r t ers .  T y p e   o f c onve r t e r   C a p a b ili ty  o f   re gula ting  volt a ge  A va ila bili t y   f or  s ec onda ry  s upply   E f fic i e n c y   B u c k  C onve r t e r   S t e p-down  only   N / A  96%   B oost  C onv e r te r   Ste p - up  only   N / A  26. 75%   B u c k - B oost   C onverte r   S te p- up  a nd  st e p -dow n  N / A  B u c k  =   2 7 . 93%   B oost =   9. 13%       Fro m   T a b l e   3 ,  ea ch   o f  th e  con v e rt e r   t h a t   were   s i m ul a t ed   i s  no t  s u ita ble   f o r  pl a c i ng   a   s ec on da ry   s u p p l y   i n   t h e   syste m .   The   se con d ar y  s u p p l y  suc h   a s  t h e   ba tter y   i s  impor ta nt  t o  pr o v ide   a   hi gher   effic i e n c y   s y s t e m .   F or  exa m ple,  ba t te r y  is c a pa ble t o  prov i de a very   muc h  nee de d sup p l y for t h e l o ad in case   wh er e t h e   P V  pa n el a re   no t ca pa bl e to  p ro vide  o ne.     The   ef ficie n c y   i s  sa tis fyi n g  eve n   t ho u gh  t o   t he  lim ite d  capa b il ity  o f  t h e  c o nve n tio n a l  c o n v erter .   Eve n t h ou g h   t h e   e ffic i e n cy  f o r   t he  buc k  c o n v erter   is  h ig h  w h ic h  i s   9 6%,   i t   s t i l l   on ly  f o r   s t e pp ing  do w n   t he   vo lta ge   a nd   c a n n o t   s te up- u p   i t   s i nce   its   o n l y  a   b u ck   c on v e rter.   T he  c o nve n tio na l  s o lu tio n  is   t o  ma nua l l y   cha nge   t he   b uc k  co n v er t e r  t o   b o o s t   c on verte r .  The   te mpe r ature   d e r ati n g  is sue  a dds  u p  t h e  efficie n c y   l a c k s  in  u s i n g   th e   c onve n t i o n a l   co nv e r t e r.  B u c k - Boost   DC-DC  Con v e rt er  i s   capa b l e   t o  overc o m e   these  iss u e s .  The   con v er t e r  can  p ro vi de  pow er  f l o w   w h en  u si ng  t h e  P V   s ys t e m.   I n  t he  v iew p o i nt   o f  effic i e n c y ,  t h e   onl y  pro b lem   tha t  w i l l be  le f t  is  t he  tem per a ture  d era t i ng  if o ther   i ssue  ca n be  s olve  b y us in g t h e  con v er t e r.      3.   PROPOS E D  SYSTE M   F i gure  9  sh ow s  o n   how   t he  m ode  o f  t h e  Buc k - B o o s t   D C- D C   C o nve rte r  will  operates  in  t his  sys t em .  A s   s how n  i n   t he  f ig ure ,   t he  c on ver t e r   i s  t h e  c e nterp i ec e  be t w ee n  a ll  t h e  t h r ee  ma i n   b loc k   w h i ch  a r e   t he  P V  p a n e l ,   t h e   b at te ry   a n d   t h e  lo ad .  PV  p an el   i s   p l ac e  on   t h e   h ig h  v o l ta ge   s id e   w h ile   t he   b a t t e ry  i s  pla ced   o n   t h e   low   v o l t a ge  s i d e.   P ow e r   f low   is  s how n  w ith  t he  ope ra ti n g   m ode   o f  the   con v e r ter  whi c h  ar e  the  b u c k   m ode   and  the   bo os t m ode. Buc k m ode is  w h ere   t h e pow er fl o w   f r om the  PV pa n el t o the   l o ad  a nd t h e  bat t ery .  Bo o st  mode  is w h e r e the p o w e r flo w  fr o m  t h e   bat t e r y to t he  l oa d.  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.  2 , June  20 1 9  :   109 0 –  1 1 01  1 096     F i gure   9.  B uc k - Bo os t Co n v ert e r ope rati on d i agra m      3.1.   Co nv er ter   c i r c u i t   t o p o l ogy  F i gure   1 0   s h o w s  t h e   Buc k - B oo s t   C on verter   c irc u it  t o p o l o gy.   T h e   h i g h   v ol ta ge  s ide  is  c onne c t ed  t o  the  P V   p ane l   w hi le  t he  l ow   v o l t a ge  i s  co nne c t e d   t o  t h e   bat t ery.   T h i s  c i rcu it  is  a   ‘ ” boos t-t ype”   s i nc e  t h e  bat t ery   is   p lac e d   o n   the   l o w   v o lta ge   s ide   [16].   Bo th   w i ll  be   m o de l l e d   a s  a  s ourc e   w i t h   eq u i va le nt   s erie s   impe da nce . T his c i rcu it c ons i s t of  t w o   I G B Ts a s  a   sw i t c h , a n in d u ct or  a nd  a   ca paci tor           F i g u r e   10.  The  prop o sed  Buc k -Boos t C o nve rter        The   c o n v e r ter oper a tes i n  t w o  mode s   a nd i t  i s de fine d  ac c o rdi n g   t o t h e   vol ta g e   s en se  a t  the   lo a d .  The  tw o  mo de s  are   b u ck  m o d e  a nd  b o os t  m o de.  F o r  the  buc k   mode ,  I G BT   i s   t h e  m a i n   s w i t c h  a nd  I G BT1   is  t he   aux i li a r y  sw itc h  wi t h   D io de 1   a c t i ng   a s  t h e  fr eew h e el  d i o d e .   For   t h e   boost   mod e ,  IG B T 1   i s   t h e   m a i n  swi t c h   and  IG BT is t h e  auxi liar y  sw i tch w i th D i ode   a c t   a s the   fr eew he e l   di od e .   I n   t he s ystem ,   t here   a re tw o   pow e r  sour ces: P V  panel an d   t he ba tter y .   The r efore,   t he co n v er t e r need s  to   m ana g e   t w o   so urce s  t o   e n s ure  t h e  w h o l e   sys t em   o pe rat e s  with  hi gh   e f f i c i e n c y   a n d  h i gh   r e l i a b i l i t y.  T h e   ma nagi n g   m ode   o f  t h e   co n v e r te r  is  d e f ine d   by  d i r ect ly  c o m par i n g   t he   v olta ge   v a l ue  s e n se d  at  t he  l oa d  w ith   the  refere nce  vo l t a g e.   T he   vol ta ge   c hose n   f or  t he  l oa d  is    1 2  s o ,  t h e  r e f e r e n c e   v o l t a g e   i s    12 .   A  vol ta ge  s e n s i ng  de v i ce   i s  p l a c e d   i n  pa ralle l  t o   t he   l o a d  t o   o bta i n  th e   re al-time   r e a d i n g  o f   t he   l o a d  vo lta ge.  If     ,   the  c onver t er   w ill  op e r a t e   in  b o o st  m ode  a nd  t h e  bat t ery  nee d   t o  be  d isc h ar g e   t o  t h e   loa d .  The   ba t t e r y  pow er   w ill  fl ow   t hrou g h   t he  c o n v e rter  a nd  boo s t e d   t o  t h e  des i re d  vol t a ge   l e v e l   o f  t h e  loa d   w h ic h is  12 .  This  s hows the  con d i tio n whe r e  the P V  pa n el is not  capa b l e  t o  su ppl e   t h e l o ad .  If      ,  the  c o n v er t e r  w i l l   o per a te  i n   buc k  mode .  The   P V   p ane l   v o lta ge  i s  b u c ked  to  12   f or   s up p l y i ng  t h e  l o a d   vo lta ge.  Th is  c ond it i on  s h ow s   tha t   t he  P V   pane l   is  c a p ab le  t o  s u p p l y   t he  l o a d  an d  the   ba tt e r y  is  n o t   n ee d e d  in   th i s   m ode .  Th e  re sid u a l   p o w er   t hat   flow s  t h ro ug h  the   b u ck  w i l l  a l s o  g o   i n t o   t h e  b a t t e r y  a n d  c h a r g i n g   opera tio n  i s   onli n e.  Ta b l e  4  s um m a rize  the  m ode  and  co n d iti on  o f t h e  con v er t e r.    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       Si m p le  co n t r o l  sche m e  buc k-b oos t D C -D C c onve r ter  for  st an d a l o n e  PV …  (M. Z. Z u lki f l i )   1 097 Tab l e  4.  O peratio n  mode s  of  t he  B uck- Bo ost   Co nver t e r   C ond it i ons  C on ver t e r  Mo d e        Boos t M o de        B u ck  Mod e      3.2.   PWM f o r  the IGBTs   The   I G BT  a re  u se d  in  t h i s  c onve r t er  a nd  the y   n ee d  a   ga t e   s ig na l   t o  per f or m   t h e   sw i t ch i n g  o p e r at io n.  Th e   sw i t c hi ng   o p e ra t i on   i s  for  ei t h er  b u c k   or  b oo st .  Th e   loa d   v o l tage   t ha t   w a s  me asure d   i s  c o mpa r ed  t o  the   refere nce   v o l t a g e   an d  henc e,   w i l l  pro d u ce   e rr or  vol t a ge.  The  er ror  vo lta g e   i s  t h e n   f e d   t o  t h e   PI  c on tro lle r  as  show n in F igur e 12.           F i gure   1 1 .  Err o r   ne t w or k and  P W M  ge ner a to r for the  con v e r t e r          F i gur e 1 2 .   P I  con t r o lle r      P I   c ontro ller   i s   u sed  i n   t hi s  opera tio n  to  t r a ns late  t he  e rror   vo l t age  i n to   a   v al ue  r ange   f r o m  0  to  1 .  T h is  i s   bec a u s e  t h e  er ror  vo lt a g e  is  n e e de d  to  b e  com p ar ed  w i t h   the  saw t o o t h  w a vef o rm   i n  o r de r  to  p r o d u c e   t he   PWM   signa l   for  the I G B T s.      3.3.   Mo de  sel ec ti on c o n tr o l   The   c o n v erter   w o r k s  i n   t w o   m ode   t ha t  is  d efine d   b y  com p ari ng  th e   v o l t a ge   m ea sur e d  at  t he   l oa d   w ith t he refere n c e  v o l t a ge . In   o r d er t o imple m e n t t h e p o w e r flo w ,  the   r efe r enc e   v ol ta ge a nd me as ure d  v ol t a ge  must  b e  c o mp a r ed  a n d   i t  w ill  dec i de  t he   m o d e   of  t he   c on ve rter.   The  dec i di n g   o pera t i o n   i s  sh o w n  in     F i gure   13.   T he   vol tage  a t  t h e   load  i s  m easure d .  S i nce   th e  load  i s   s up pose d   t o  be   a t   12 ,  s o   t h e   r e f eren ce  vo lta ge  i s  a l s o   s et  t o  12 .  When  opera tin g,   t he   r efe r enc e   v o l t a ge  i s  com p are d   w it h  t h e   me asure d   v o lta ge .  In   si m u lat i on,  a   c om par a t o r  bloc k  is  u sed  a nd  the   r e sul t   o f  t h e   co m p ar i s o n   i s  e i t h er   1   o r  0.   T he   c ompa re d  re sult  w ill  go t o  tw o   s w itc h  bloc ks.   B o th  o f  th is sw itc h b l oc k  w i l l   d e ci de  t he m od e  of the  c o n v er ter.   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.  2 , June  20 1 9  :   109 0 –  1 1 01  1 098     F i gure  1 3 . Mo d e   dec i de r of t he  c on tro l l e r.      4.   S I M U LA T I O N   A N D   R ES UL TS   The   s i m u l a ti on   o f  the   s y s t em   i s  sim u l a te d  by   u s i ng  Ma tla b  S i m u l i n k  sof t w a re  [ 17] .  F i g u re  1 4  show s   the f u l l   s c h em a tic o f t h e  sim u la tio n.           F i gure   1 4 .  Buc k -B oo s t  C o nve rte r  system   simula tio n us i ng  Ma tla b  S i mul i nk.       Th e  PV  p an el  i s  re p r esen t e d   using   a  cont ro l l e d   cu rre n t  sou r ce   b l o c k   a va ila b l e   i n   t he  S im u lin k   libr a ry.   I t   r epre se n t s  t h e  cur r ent  of  t he  P V  pa ne l  in  t er ms  o f  cur r en t  am pere .  The  c o n t r o lle d  c u rrent  s ource   i s   place d  on  the   hi g h   v olta ge   s i d e .   T he   v a l ue   o f  the   P V   c urre nt   i s   v a r ie d   us ing  t w o  va lue  t o   r epr e se nt  t he  un ba lanc e  sta t e   of  P V  pa nel  i n   r ea l   life.   I n   thi s   c ase,  t he  v al ue s  are  0.0 8   a nd  0. 1 6 .  These  tw o  va lue s   s how   the c a pa b i li ty  o f t h e  PV   p ane l   t o s u p p l y  the   loa d .   The   bat t er y   is  p l a ce d  on  t h e  l o w   volta ge   s id e.  T he  r atin g  of  t h e   bat t ery  u s e d   f or   t h i s  si m u l a t i on  i s   6 .  The   perc enta ge  o f  th e   b a tt e r y  is  a lso  va rie d   i n  form   o f  t w o  c o ndi t i o n s.  T h e   c on di t i ons  o f   th e   b a tt e r y  are   90 % (g oo d   c ond iti on ) a n d   30 % ( p o o r c ondi ti o n ).   Buc k - B o o s t   C on ve rter  i s  p l a c e d  betw ee n  th e  tw o- pow e r   s o u r ce  a n d   t he   pow er   f low   w i ll   t ra nsfer  in   d ir ecti on.  By  p lac i n g   t he   l oa d  in   b etw e en  t he  P V   p a n e l  a n d  the   c o n v e r ter  w i l l   c re ate  a   fra c t i on   i n  c u rr ent.  T he   d iv ide d   c u rre n t   w i ll   go  t o   t h e   l o a d   a n d   th e   c onv e r t e r.  B y   div i di ng   t h e   c u rre n t ,   a   vol ta ge   t ha t  d e s i r e d  at  t he loa d can  b e   ma int a ine d   w h i l e   t he  r e s i d ua l   c u rre n t   can  c harge   t h e   bat t ery.   T h e   p arame t er  u se d   fo r  t h i s   s i m u l a t i o n   are  summ ar i z ed in   t h e   Ta ble   5.  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       Si m p le  co n t r o l  sche m e  buc k-b oos t D C -D C c onve r ter  for  st an d a l o n e  PV …  (M. Z. Z u lki f l i )   1 099 Th e   ma in   o b j ect iv e   of   s i m ul at ing   t h e  sy s t em  i s  to   t est   t h e  c a p a b i li ty  o f  t h e   c o nver t er   t o  m a ke  t he   p ow e r   f l o w .   Be s i de s  tha t ,  the   re lia bil i t y   o f  the   co n t rol l er   t o  deci de   t he  m ode  o f  t h e  c o n v er t e r  a l so  n eed  t o   be   v a l ida t e d .  The  sim u l a tio n s   a re  done   w i t h   v ari o us  c o n d i t i on  of  t he  P V   pa nel   a n d   t h e  c a p a c ity   o f   th e   b a t t e ry .  Th is   i s  t o   show  t he  r ea l   st a t e o f  t hese  s o u rce s   i n da il y u s age .   T he c on d i t i o n s   a r e  liste d   in Ta b l e  6.       Tab l e  5. P a r a m eter  u sed f o r th e  si m u la ti on   Pa r a m e t e rs  V a l ue   L o a d   volt a g e ,      12 Ba t t e r y  volta g e ,      6 Lo ad ,      10 0 PV  p a n el  v o l tag e ,      0   18 Sim u l a ti on ti me ,    10   Ta ble   6.  C ond i t i ons  f or  t he  si m ulat i o n   St a t e   of   t he   P V   p a ne l     C ap aci t y  o f   t h e  b a t t e r y   %        90 %        90 %        30 %        30 %             F i gur e 1 5 .   Induc tor   cur r ent           F i gure   1 6 .  P W M s   w ave f orm .       F i g u r e   15   s hows  t h e  wa ve form  o f  t h e   curr ent  flowing  through  the   c o nve r t er.   F o r  the   fir s t   5  sec o n d ,  the   P V   p a n e l   v o lta ge   i s  hi g h er   t ha n  t h e   refere nce  v o l t a g e  w h ic h  m e a n s   t h a t  i t   c a p a b l e   t o  p r o v i d e  s u p p l y   pow er   t o  th e   loa d   s o,   t he  c ur rent  i s  p o si ti v e .   The  curr ent   i s   f lo wn   f ro m  t h e  PV  p an el  t o   th e  l o ad   a n d   th e   bat t ery.   F rom   F i gure  1 6 ,  t h e   P W M  for  b u c k   i s  m u c h   m or e  fre q uen t   t ha n  the   PW M   fo r   the   b o o st.  A f ter  5  seco nd,   t he   P V   pa n e l  v o l t a g e   is  l ess  tha n   t he   r efere n ce   v o l tage ,   t h e   b a tter y   now   i s  the   m a in   s up p l y.   T he   c u rre n t   b e co me   n eg at iv e  b eca u s e  th e   d i rec t i o n  of   t h e   c u r ren t   f l ow   i s   re ve rsed  f or m  the   bat t er y  t o   t he   l oa d.  I n  F i gure   1 6 ,  the bo os t P W M a r e  mor e  freque n t   a fte r  5  s eco nd .  Wit h i n  the se  c on d i t i o n s ,   the load v ol ta ge is  m a inta i n e d  a t  des i re d val u e   w h ic h i s  at  12 . The bat t ery   i s   i n   c h argin g   s t a t e  wit h in   t he   f i r st   5   s ec ond   a nd   d isc h argi ng   f o r  the  res t   o f  the  si m u lati on.   The  sam e   r esult s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.