I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o w er   E ng ineering   ( I J AP E )   Vo l.   9 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 0 ,   p p .   2 2 3 ~ 2 4 4   I SS N:  2252 - 8792 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 9 . i3 . p p 2 2 3 - 244        223       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   Perf o r m a nce  eva lua tion a nd loa d d e m a nd   m a na g e ment of gri co nnected  hybrid  w ind - so la r - ba tt er y  sy ste m       K .   M .   Venk a t a cha la m ,   V.   Sa ra v a na n   De p a rtme n o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   E n g in e e rin g ,   A ru n a E n g in e e rin g   Co ll e g e ,   A n n a   Un iv e rsity ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  1 4 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Feb   1 6 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   A p r   1 5 ,   2 0 2 0       In   t h is   p a p e r,   P e rf o rm a n c e   o f   th e   g rid   c o n n e c ted   h y b rid   w in d - so lar  e n e rg y   s y ste m   a n d   lo a d   d e m a n d   re sp o n se   o f   th e   b a tt e ry   in teg ra ted   si n g le  p h a se   v o lt a g e   so u rc e   in v e rter  is  p re se n t e d .   T h e   w in d   e n e rg y   c o n v e rsio n   s y ste m   i s   g e n e ra ti n g   A p o w e a n d   th e   so lar  P sy ste m   is  g e n e ra ti n g   DC  p o w e a n d   b o t h   a re   in teg ra ti n g   w it h   b a tt e ry   in   t h e   c o m m o n   DC  b u s.  T h e   o u t p u t   v o lt a g e   o f   th e   w in d   a n d   so lar   sy ste m   a r e   c o n tr o ll i n g   u si n g   d c - d c   c o n v e r ters   a n d   it   a c h iev e d   m o re   th a n   th e   b a tt e ry   v o lt a g e .   P & a lg o rit h m   u se d   M P P T   b a se d   v o lt a g e   c o n tro ll e r   is  d riv in g   t h e   d c - d c   c o n v e rter  w it h   a   re f e re n c e   v o lt a g e   v a lu e   o f   th e   b a tt e ry .   T h e   sin g le - p h a se   f u ll - b rid g e   c o n v e rter  is  c o n v e rti n g   DC  to   A p o w e a n d   f e e d in g   in t o   t h e   sta n d a lo n e   A lo a d a n d   d istri b u ti o n   g rid   w it h   IEE 5 1 9   sta n d a rd .   T h e   b i - d irec ti o n a c o n v e rter  is  c o n tr o ll in g   t h e   d irec ti o n o f   p o w e f lo w   a n d   it   o p e ra t e tw o   m o d e n a m e l y   in v e rter  m o d e   a n d   re c ti f ier  m o d e   b a se d   o n   a   v o lt a g e   lev e o f   th e   b a tt e ry .   In   t h is  b i - d irec ti o n a c o n v e rter  is  c o n tro ll i n g   b y   th e   P c o n tro ll e w it h   th e   re fe re n c e   v a lu e   o f   th e   DC  b u v o lt a g e   a n d   lo a d   c u rre n t .   T h e   p o w e q u a li ty   a n d   d e m a n d   re sp o n se   o f   th e   i n v e rter  is  o b se r v in g   a v a rio u s   ty p e o f   lo a d   c o n d it i o n s   i n   sta n d a lo n e   m o d e   a n d   g rid - c o n n e c ted   m o d e   u sin g   e x p e rim e n tal  re su lt s.   K ey w o r d s :   B atter y   e n er g y   s to r ag e   B id ir ec tio n al  co n v er ter   H y b r id   w i n d - s o lar   L o ad   d e m an d   m an a g e m en t   P o w er   q u ali ty   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   K.   M.   Ven k atac h ala m ,   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g ,   A r u n ai  E n g in ee r i n g   C o lle g e,   T ir u v an n a m ala i 6 0 6   6 0 3 ,   T am iln ad u ,   I n d ia.   E m ail:  k m v p ee e @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h p o w er   f l u ctu a tio n   is   co n ti n u al l y   o cc u r r i n g   i n to   th d is tr ib u tio n   p o w er   li n d u to   th ex ce s s iv e   lo ad   d em an d   v ar iatio n ,   p o w e r   g en er atio n   d e m a n d   d u to   d ec r ea s es  th co n v e n tio n al  f u el  s o u r ce s ,   s u c h   as   h ig h li g h ted   i m p o r ta n ce   o f   t h r en e w ab le  p o w er   g e n er a ti o n   an d   f ed   in to   t h d is tr ib u ted   p o w er   li n f o r   m ai n tai n in g   th s ta n d ar d   p o w er   q u al it y   w it h   r ed u ci n g   th p o w er   f l u ctu at io n   at   co n s u m er   s id [ 1 ] .     As  co m p ar ed   to   w h o le  r en e w a b le  en er g y   s o u r ce s ,   th w i n d   e n er g y   co n v er s io n   an d   s o lar   p h o to v o ltaic  s y s te m s   ar p r ef er r ed   f o r   d is tr ib u ted   p o w er   g en er at io n   b ec au s o f   f e w er   lan d   r eq u ir e m e n t s   an d   ca n   i m p le m en f r o m     lo w   r an g to   h i g h   r an g p o w er   g e n er atio n   i n   r u r al  ar ea s ,   d ev elo p ed   cities  an d   ter r ac o f   th b u ild i n g s   b ased   o n   o u r   r eq u ir e m e n t s   [ 2 ] .   T h w i n d   p o w er   g en er atio n   an d   s o lar   p h o to v o ltaic  s y s te m s   ar n o n - li n ea r   ch ar ac ter is tic s   d u to   th v ar iab le  n atu r r eso u r ce s   o f   w in d   v elo cities  a n d   s o lar   ir r a d iatio n   [ 3 ] .   Ma n y   r esear ch er s   h a v tr ied   to   e x tr ac th m a x i m u m   p o w er   f r o m   s o lar   p h o to v o ltaic  an d   w i n d   en er g y   s y s te m s   b y   d esig n in g   t h co n v er ter s   w it h   s u i tab le  co n tr o alg o r it h m s   [ 4 ] .   T h s ev er al  m a x i m u m   p o i n tr ac k er   ( MP PT )   alg o r ith m s   tec h n iq u es  ar p r o p o s ed   f o r   th w i n d - s o lar   p o w er   s y s te m   l ik p er tu r b   an d   o b s er v ( P & O) ,   in cr e m e n tal  co n d u cta n ce   ( I & C )   m et h o d   [ 5 ] .   B u m o s tl y   P & al g o r ith m   b ased   DC - DC   co n v er ter s   i s   d esig n in g   f o r   s o lar   p h o to v o lt aic  an d   w i n d   en er g y   s y s te m   t o   tr ac k   th m a x i m u m   p o w er   at  f l u ct u ated   p o w er     g en er atio n   [ 6 ] .   Var io u s   to p o lo g ies  o f   d c - d co n v er ter s   ar e   p r o p o s ed   to   in teg r ate  w it h   c o m m o n   d c - b u s   w it h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 0 :   223    244   224   bu ck ,   b o o s o r   b u ck - b o o s o p er atio n s   [ 3 ] .   T h o v er all  ef f icie n c y   o f   m o s t w o   p o p u la r   MPPT   tech n iq u es   u tili ze d   i n   P ap p licatio n s   ar an al y ze d ,   th e s al g o r ith m s   ar P er tu r b   an d   Ob s er v an d   I n cr e m e n tal   C o n d u cta n ce .   An   an al y s is   o f   th r esu lts   f o r   th al g o r ith m s   b ased   o n   M A T L A B   s i m u latio n   f o r   v ar io u s   ch an g es   i n   s o lar   ir r ad ian ce   i s   p r esen [ 7 ] .   T h p er f o r m a n ce   o f   th s o lar   P s y s te m   is   v ar ied   th r o u g h   ex p er i m e n tal  r esu lts   u n d er   p ar ticle  s h ad o w ed   co n d it io n s   w it h   s er ies  an d   p ar allel  [ 8 ] .   A   co m m o n   DC   b u s   h a s     m aj o r   ad v an tag f o r   co n tr o llin g   an d   p o w er   m a n a g e m en o f   th s o u r ce   s id as  w ell  as  lo ad   s id e     co n v er ter s   [ 9 ] .   C o m m o n l y   P I   an d   P I co n tr o ller   ar u s in g   t o   co n tr o th DC - D C   co n v er te r   an d   d c - ac   in v er ter   in   th w i n d - s o lar - b atter y   s to r a g s y s te m   a s   p r o p o s ed   i n   [ 1 0 ].   T h PI  co n tr o ller   u s ed   p u ls e   w id th   m o d u latio n   ( P W M)   b ased   g r id - co n n ec ted   h y b r id   w i n d - s o lar   s y s te m   w i t h   s to r ag s y s te m   an d   w it h o u s to r ag is   p r esen in   [ 1 1 ] .   A   2 . 5   k W   s o lar   ar r ay   s y s te m   is   d ev elo p ed   an d   r es u l ts   ar o b tain ed   u n d er   p ar tial  s h ad ed   co n d itio n   b y   u s i n g   o n li n r ea ctin g   m ax i m u m   p o w er   p o in t o p ti m izatio n   [ 1 2 ].   I n   lar g e - s ize   d is tr ib u ted   p o wer   g en er atio n   s y s te m   ca n   d ir ec tl y   p o w er   f ee d   i n to   t h g r id   o r   lo ad   w it h o u a n y   s to r ag s y s te m   e v en   n o n - li n ea r   r eso u r ce s   b u t h s m a ll  s y s te m ,   th s to r ag s y s te m   is   r eq u ir ed   to   f ee d   co n s ta n an d   u n in ter r u p ted   p o w er   to   th g r id   o r   lo ad   es p ec ially   f o r   s tan d alo n e   m o d [ 1 3 ] .   Ma n y   to p o lo g ies  h a v p r o p o s ed   f o r   s tan d alo n w it h   a   s to r ag s y s te m ,   e s p ec iall y   f o r   r esid en tia ap p licatio n s   [ 1 4 ] .   T h C o - o r d in ate  co n tr o tech n iq u e s   f o r   s y s te m   h av i n g   w i n d ,   s o lar   P V,   b atter y   en er g y   s to r ag s y s te m s     ar p r o p o s es  f o r   s i n g le - p h as g r id - co n n ec ted   a n d   Sta n d alo n m o d o p er atio n   [ 1 5 ] .   A   g r id - co n n ec ted     bi - d ir ec tio n al  co n v er ter   is   p r esen f o r   s tan d alo n o p er at in g   m o d w it h   b atter y   s to r a g s y s te m   to     s u p p l y   t h ac tiv an d   r ea ctiv p o w er   to   th lo ad   [ 1 6 ] .   T h s in g le - p h ase  tr an s f o r m er   is   co n n ec ti n g   b et w ee n     th s in g le - p h a s i n v er ter   a n d   lo ad   o r   g r id   f o r   in ter li n k s   t h a u to n o m o u s   p o w er   g en er atio n   s y s te m     an d   d is tr ib u ted   p o w er   li n e s .   T h tr an s f o r m er   in ter li n k ed   g r i d - co n n ec ted   r en e w ab le  en er g y   co n v er s io n   s y s te m   is   p r o p o s ed   in   [ 1 7 ] .   A   s lid i n g   m o d co n tr o ller   f o r   n o n - is o l ated   DC /D C ,   b id ir ec tio n al  co n v er ter   i s   p r esen ted   an d   co m p ar ativ s tu d y   w it h   P I   co n tr o ller   is   d o n to   an al y s i s   i n o r d er   to   d o   p er f o r m an ce   an al y s is   [ 1 8 ] .     I n   g r id - co n n ec ted   m o d e,   t h p h ase  s eq u e n ce ,   v o lta g an d   f r eq u e n c y   s y n ch r o n izati o n   b et w ee n   p o w er   g en er atio n   s y s te m   an d   d is tr ib u ted   g r id   lin e s   ar n ee d ed   f o r   tr an s f er   p o w er   to   th g r id   [ 1 9 ] .   T h p h ase  lo ck   lo o p ed   ( P L L )   alg o r ith m   b a s ed   g r id   s y n ch r o n izatio n   h as b ee n   p r esen t in   [ 2 0 ].   T h o b j ec tiv o f   th i s   s y s te m   is   to   ex tr ac th m a x i m u m   p o w e r   f r o m   t h w i n d - s o lar   p o w er   g en er atio n   s y s te m   u s in g   t h MP PT   tech n iq u e,   w h ic h   is   p o w er   f ee d   in to   th lo ca lo ad   o r   d is tr ib u tio n   g r id   th r o u g h     s i n g le - p h a s in v er ter .   I n   t h is   in v er ter   is   o p er atin g   eit h er   s t an d alo n m o d o r   g r id - co n n e cted   m o d d ep en d s   o n   th av ai lab ilit ie s   o f   p o w e r   g en er atio n   a n d   lo ad   d em an d s .   W h en   th s y s te m   i s   o p er atin g   at  s ta n d alo n e   m o d e,   t h g e n er ated   elec tr ica p o w er   i s   f lo w   to   t h lo ca l o ad   an d   ex ce s s   p o w er   is   c h ar g in g   to   th e   b atter y   s to r ag e.   I f   th p o w er   g e n er ati o n   d ec r ea s es  in   th s o u r ce   s id e,   th lo ad   p o w er   is   to   co m p e n s ate  b y   d is c h ar g i n g   th b atter y   s to r ag e.   W h e n   th e   s y s te m   is   o p er atin g   in   g r id - c o n n ec ted   m o d e,   th g e n er ated   elec tr ical  p o w er   is   f ee d in g   to   th e   d is tr ib u tio n   g r id   an d   ch ar g i n g   to   t h b atter y   s to r ag s y s te m .   Th e   b lo ck   d iag r a m   o f   h y b r id     w i n d - s o lar   p o w er   g e n er atio n   s y s te m   ca n   b s ee n   i n   Fi g u r 1 .           Fig u r 1 .   B lo ck   d iag r a m   o f   h y b r id   w i n d - s o lar   p o w er   g e n er at io n   s y s te m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       P erfo r ma n ce   ev a lu a tio n   a n d   Lo a d   d em a n d   m a n a g eme n t …  ( K .   M.   V en ka ta ch a la m)   225   2.   DE SCR I P T I O O F   H YB RID WIND - SO L AR - B AT T E R E NE RG ST O R AG E   SY ST E M   T h p r o p o s ed   h y b r id   r en e w a b le  p o w er   g e n er atio n   s y s te m   is   co n s i s ti n g   o f   p er m an e n m ag n et   s y n ch r o n o u s   g en er ato r   ( P MSG)   b ased   h o r izo n tal  w i n d   en er g y   co n v er s io n   s y s te m   ( W E C s ) ,   th r ee - p h ase  d io d e   b r id g r ec tif ier   ( DB R ) ,   DC - DC   co n v er ter   1 ,   s o lar   p h o to v o ltaic  ( S P V)   ar r ay ,   DC - DC   co n v er ter   2 ,   b atter y   en er g y   s to r ag s y s te m   ( B E SS ) ,   b i - d ir ec tio n al  co n v er ter   an d   tr an s f o r m er - co u p led   s in g le - p h ase  v o lta g s o u r ce   in v er ter   ( V SI)   as  s h o w n   in   Fi g u r 1 .   T h m o d eli n g   a n d   co n tr o tech n iq u e s   o f   th h y b r id   w i n d - s o lar - B E SS   s y s te m   a r e x p lain ed   i n   th f o l lo w i n g   s es s io n s   2   an d   3 .     2 . 1 .   Wind   ener g y   co nv er s io n sy s t e m   T h W E C s   is   co n v er ti n g   th w i n d   en er g y   to   k i n etic  e n er g y   w i th   t h h elp   o f   w in d   t u r b in e ,   w h ic h   i s     r o tatin g   r o to r   o f   t h P MSG  w i n d   g e n er ato r   to   g e n er ate  AC   elec tr ical  e n er g y .   T h g e n e r ated   k in etic   e n er g y   in   th w i n d   t u r b in is   [ 2 1 ].     3 1 ( , ) ( ) 2 wp P A C V     ( 1 )     w h er e,   P is   g en er ated   k i n eti en er g y ,   A   is   s w ep ar ea   o f   th b lad es,  C p i s   co - e f f icien o f   r o to r   p o w er ,   is   tip - s p ee d   r atio   o f   th w i n d   tu r b in e,   β is   p itc h   an g le  o f   t h e   b lad e,   V ω   is   w i n d   s p ee d   v el o cit y .   T h tip - s p ee d   r atio   o f   th w i n d   tu r b i n d ep en d s   o n   t h r o to r   an g u lar   v elo cit y   ( ω ) ,   r ad iu s   o f     th r o to r   ( R ) ,   w in d   s p ee d   ( V ω )   as r ep r esen ted   in   ( 2 )   [ 2 2 ].     R V   ( 2 )     T h s w ep ar ea   o f   th b lad a n d   r ad iu s   o f   th r o to r   ca n   ch a n g w h ile  t h tu r b in i s   m a n u f ac t u r in g ,     s o   th e   o u tp u p o w er   o f   t h w i n d   s y s te m   d ep en d s   o n   th e   tip - s p ee d   r atio   ( )   an d   r o to r   co - ef f i cien p o w er   ( C p as sh o w n   i n   Fi g u r 2 .           Fig u r 2 .   T i p - s p ee d   r atio   v er s u s   r o to r   co - ef f icie n t p o w er       2 . 1 . 1 .   M o delin g   o f   per m a ne n t   m a g net   s y nchro no u s   g ener a t o r   T h P MSG  w i n d   g e n er ato r   is   b est  s u itab le  f o r   th v ar iab le  s p ee d   w in d   e n er g y   co n v er s io n   s y s te m s .   T h P MSG  o u tp u p o w er   d ep en d s   o n   r atin g   o f   t h g en er at o r   an d   s w ep ar ea   o f   th w i n d   b lad es,   its   o u tp u t   v o ltag d ep en d s   o n   s tato r   r esi s tan ce ,   s tato r   cu r r en t a n d   r ate  o f   ch a n g o f   f l u x   li n k a g b et wee n   s ta to r   an d   r o to r   as r ep r esen ted   in   ( 3 )   [ 2 3 ].     R Y B R Y B R Y B s s s s d V R i dt    ( 3 )     w h er V s RYB is   t h o u tp u v o lt ag o f   th P MSG  s tato r   w in d in g ,   R is   th r esi s tan ce   o f   t h s tato r   w i n d i n g s ,   i s RYB is   t h o u tp u cu r r en v al u es  o f   th P MSG  s tato r   w in d i n g s ,   ψ s RYB   i s   th f l u x   l in k a g e   b et w ee n   th s tato r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 0 :   223    244   226   an d   r o to r .   T h th r ee - p h ase  ( R YB )   is   tr an s f o r m ed   in to   d ir ec ax is   ( d )   an d   q u ad r atu r ax is   ( q )   an d   s y n ch r o n o u s   r e f er en ce   f r a m w it h   9 0 0   p h ase  d if f e r e n ce s   as  d ef in ed   as  f o llo w s   [ 2 4 ].     s d s s d s d m s q d V R i p dt   ( 4 )     s q s s q s q m s d d V R i p dt   ( 5 )     w h er V sd ,   i sd  a n d   ψ sd  ar th d ir ec ax i s   s ta to r   v o ltag e,   cu r r en a n d   f l u x   lin k a g e   r esp ec tiv el y ,   V sq   i sq  an d   ψ sq   ar th q u ad r atu r e   ax is   s tato r   v o ltag e,   c u r r en an d   f l u x   l in k a g r esp ec tiv el y ,   P   is   n u m b er   o f     th p o le  in   m ac h in e,   R s   i s   r esis ta n ce   o f   t h s tato r   w in d i n g ,   ω m   i s   r o tatin g   s p ee d   o f   t h r o to r .   T h v alu o f   th d - q   ax i s   f l u x   lin k a g d ep en d s   o n   th s ta to r   in d u cta n ce   ( L d =L q =L s )   a n d   f l u x   li n k ag ( ψ m )   b et w ee n     th s tato r   an d   r o to r   as r ep r ese n ted   in   ( 6 )   an d   ( 7 ):     s d d s d m LI     ( 6 )     q q s q LI   ( 7 )     E q u atio n s   ( 6 )   an d   ( 7 )   ar s u b   s u ited   to   ( 4 )   an d   ( 5 ) .   T h d - q   a x is   s t ato r   v o ltag i s   r e w r i tten   as [ 2 5 ] :     s d s s d d s d m q s q d V R i L i p L i dt   ( 8 )     s d s s d s s d m s s q d V R i L i p L i dt   ( 9 )     s q s s q q s q m s s d m d V R i L i p L i dt    ( 1 0 )     s q s s q s s q m s s d m d V R i L i p L i dt    ( 1 1 )     T h g en er ated   p o w er   o f   th e   P MSG  as  d ef i n ed   b y   t h co m b i n atio n   o f   d ir ec a n d   q u ad r atu r e   p ar am eter s   o f   th s tato r .   T h elec tr o m ag n etic  to r q u o f   P MS ca n   b d er iv ed   f r o m   ( 1 2 ) :     3 2 s e s d s d s q s q P v i v i      ( 1 2 )     Af ter   s u b - s u i tin g   ( 9 )   an d   ( 1 1 )   in to   ( 1 2 )   th p o w er   i s :     22 22 3 2 sd sd sq sq se s sd sq m sd sq sq sd R i R i P dd L i i p i i dt dt            ( 1 3 )     T h f ir s t,  s ec o n d   an d   th ir d   t er m s   r ep r esen th p o w er   lo s s ,   s to r ed   en er g y   in   t h m ag n etic  f iel d     an d   en er g y   co n v er s io n   f r o m   elec tr ical  to   m ec h a n ical  en er g y   r esp ec tiv e l y .   E lectr o m ag n etic  to r q u o f     th m ac h i n ca n   b d er iv ed   f r o m   t h t h ir d   ter m .     3 2 e m e e s d s q e s q s d P T i i     ( 1 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       P erfo r ma n ce   ev a lu a tio n   a n d   Lo a d   d em a n d   m a n a g eme n t …  ( K .   M.   V en ka ta ch a la m)   227   T h r elatio n   b etw ee n   th m ec h an ica an d   elec tr ical  v elo cit y   o f   th m ac h in d ep en d s   o n   t h n u m b er   o f   p o le  p air s   o f   th m ac h i n as   p r esen ted   in   ( 1 5 ) .     em p    ( 1 5 )     3 2 e m s q d q s d s q T p i L L i i     ( 1 6 )     T h f in a e x p r ess io n   o f   t h e l ec tr o m a g n etic  to r q u is   r ep r es en ted   i n   ( 1 6 ) .   Her ca n   o b s er v t h t w o   d i f f e r en t o r q u e   e q u at i o n   t e r m s ;   th f i r s t   te r m   is   s y n ch r o n o u s   t o r q u e   d u t o   t h e   f lu x   l in k ag e   o f   th p e r m a n e n t   ma g n et,   th s ec o n d   ter m   is   r elu ctan ce   to r q u d u to   th d if f er e n ce   b et w ee n   d ir ec ( d )   an d   q u ad r atu r ( q )   ax is .   I n   t h is   to r q u eq u atio n ,   t h r elu cta n ce   to r q u is   to   b c o n s id er ed   as  ze r o   an d   o n ly   s y n ch r o n o u s   to r q u is   p r esen ted   b ec au s o f   t h P MSG  m ac h in h as a   s u r f ac m o u n ted   p er m an e n m ag n etic  r o to r   [ 2 6 ].     3 2 e m s q T p i     ( 1 7 )     2 . 2 .   So la ph o t o v o lt a ic  a rr a y   s y s t e m   T h SP V   ar r ay   s y s te m   i s   to   co n v er th s o lar   ir r ad iatio n   in to   DC   elec tr ical  en er g y .   T h r atin g   o f     th s o lar   s y s te m   d ep en d s   o n   th n u m b er   o f   p a n els   th at   a r co n n ec ted   i n   ar r a y   a n d   r at in g   o f   ea c h   p an e l.    T h o u tp u v o ltag a n d   cu r r en v al u es  ar d esire d   b y   s er ies  an d   p ar allel  co n n ec tio n s   o f   th s o lar   p an els  a s   p r esen ted   in   1 8 .     m a x m a x m a x m a x DC se rie s P DC pa ra ll e l P V N V I N I   ( 1 8 )     w h er V m a DC,   I m ax  DC   m ax i m u m   o u tp u v o lta g an d   cu r r en v al u es  o f   th SP ar r ay ,   V m ax  P,   I m ax  P   ar e   m ax i m u m   o u tp u v o lta g a n d   cu r r en v alu e s   o f   ea c h   p an el.   Sp ec if icatio n   d etails  o f   th W E C s   ca n     b s ee n   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   Sp ec if icatio n   d etails  o f   th W E C s   P a r a me t e r     V a l u e   M o d e l   :   W h i sp e r   2 0 0   R o t a t i o n   a x i s   :   H o r i z o n t a l   O r i e n t a t i o n   &   r o t a t i o n   d i r e c t i o n   :   L o o k i n g   u p   w i n d   &   c l o c k w i se   N u mb e r   o f   b l a d e s   :   3   R o t o r   d i a me t e r   :   2 . 7 2   m   W e i g h t   :   3 0   k g   R a t e d   p o w e r   :   1 0 0 0   W   R a t e d   o u t p u t   v o l t a g e   :   4 8   V   ( A C )   En e r g y   p r o d u c e d   :   2 0 0   k w h / mo n t h   a t   5 . 4   m / s   R a t e d   w i n d   s p e e d   :   1 1 . 6   m/ s   t o   1 3   m/ s   S t a r t u p / c u t   i n   w i n d   s p e e d   :   2 . 7   m / s 3 . 1   m / s   C u t   o u t   w i n d   s p e e d   :   1 6   t o   1 8   m/ s   S u r v i v a l   w i n d   s p e e d   :   5 5   m/ s   S w e p t   a r e a   :   5 . 8   me t e r   sq u a r e   B l a d e   p i t c h   :   F i x e d   R o t a t i o n a l   sp e e d   :   1 2 0 0   r p m   W i n d   d i r e c t i o n   se n so r   :   T a i l   f i n   &   t a i l   b o o m   Y a w   c o n t r o l   :   F r e e / p a ssi v e   y a w       2 . 2 . 1 .   M o delin g   o f   a   s o la ph o t o v o lt a ic  ce ll   T h SP ar r ay   m o d u le  is   d es ig n ed   b y   th b as ic  u n it  of   s i n g le  d io d p h o to v o ltaic  ce lls .   I in cl u d es   th s er ie s   an d   p ar allels  co n n ec ted   r esis tan ce s ,   an ti - p ar allel  d i o d e,   an d   cu r r en s o u r ce .   A   s i m p li f ied   eq u i v alen t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 0 :   223    244   228   cir cu it  o f   t h s o lar   p h o to v o ltai ce ll  is   s h o w n   in   Fig u r 3 .   I - ch ar ac ter is tic  eq u at io n   o f   a n   SP ce ll  is   g i v e n   b y   [ 2 7 ]:   () 0 1 pv s pv q V R I pv s pv A K T pv ph sh V R I I I I e R        ( 1 9 )     w h er I ph   is   p h o to cu r r en b y   t h i n cid en s o lar   ir r ad iatio n ,   I 0   is   d io d e   r ev er s s atu r atio n   cu r r en t,  I d   is     f o r w ar d   c u r r en t h r o u g h   d i o d e,   I sh   is   s h u n t   b r an ch   r e s is to r   cu r r en t,  R sh   a n d   R se   i s   t h s h u n a n d   s er ie s   r esis ta n ce   r esp ec tiv e l y ,   I pv   i s   n et  o u tp u c u r r en o f   th S P V,   V pv   is   o u tp u v o lta g o f   t h s o lar   ce ll,  q   is     ch ar g o f   t h elec tr o n ,   A   an d   is   th f itti n g   f ac to r   an d   B o ltz m a n n   co n s ta n t ( 1 . 3 8 ×1 0 - 2 3   J /K)   r esp ec tiv el y .     () 0 1 pv s pv sc q V R I N AK T pv sc I I I e        ( 2 0 )     p v s p v sh V R I R   is   o m itted   f r o m   ( 2 0 )   b ec au s th s h u n r esi s ta n ce   is   a s s u m ed   to   b in f in i te  an d   t h s lo p o f   th I - cu r v i s   ze r o   at  t h d io d es  c o n d u cti n g   p er io d .   T h en   t h I ph   is   r ep lace d   b y   s h o r cir cu it  cu r r en ( I s c ) ,   N sc   i s     to tal  n u m b er   o f   th e   s o lar   ce l ls   co n n ec ted   in   SP p an el.   T h p h o to cu r r en ( I ph =0 )   is   ze r o   u n d er   o p en   cir cu it   c o n d itio n s .   He n ce ,   in   ( 2 0 )   w ill   b w r itten   a s   [ 2 8 ] :     0 () l n 1 0 11 p h s p h sc oc V R I I I V p v s c sc I I I e I               ( 2 1 )     w h er V OC   i s   o p en   cir cu it  v o ltag o f   th p h o to v o ltaic  p an el .   Sp ec if icatio n   d etails  o f   t h s o lar   p h o to v o ltaic   p an el  ca n   b s ee n   i n   T ab le  2 .           Fig u r 3 .   E q u iv ale n t c ir cu it o f   s o lar   p h o to v o ltaic  ce ll       T ab le  2 .   Sp ec if icatio n   d etails  o f   th s o lar   p h o to v o ltaic  p a n e l   P a r a me t e r     V a l u e   M o d e l   :   EF S 1 2 2 5 0 M C 7 2   C e l l   t y p e   :   M u l t i   c r y st a l l i n e   S o l a r   c e l l   p e r   mo d u l e   :   7 2 C e l l   M a x i m u m   p o w e r (   P max )   :   2 5 0 W p   O p e n   c i r c u i t   v o l t a g e   ( V oc )   :   4 4 . 6 4 V   S h o r t   c u r r e n t   ( I sc )   :   7 . 2 7 A   M a x i m u m   v o l t a g e (   V mp )   :   36V   M a x i m u m   c u r r e n t   ( I mp )   :   6 . 9 5 A   M a x i m u m   sy st e ms v o l t a g e   :   1 0 0 0 V D C   T o l e r a n c e   @   max i mu m   p o w e r   (   P max   )   :   ± 3 %   F i l l   f a c t o r   :   0 . 7 9 2 5   T e mp e r a t u r e   c o e f f i c i e n t   -   V oc   :   - 0 . 3 6 %/ K   T e mp e r a t u r e   c o e f f i c i e n t   - I sc   :   0 . 0 6 %/ K   T e mp e r a t u r e   c o e f f i c i e n t   -   P max   :   - 0 . 4 3 %/ K   N O C T   (   n o r mal   o p e r a t i n g   c e l l   t e mp e r a t u r e )   :   4 7 ± 2 °   C   M o d u l e   d i me n s i o n s   ( L   x   W   x   T)   :   1 6 6 0 x 9 9 6   x   3 5   m m   M o d u l e   w e i g h t   :   1 8 . 7 5   k g   M o d u l e   a r e a   :   1 . 6 5 3   m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       P erfo r ma n ce   ev a lu a tio n   a n d   Lo a d   d em a n d   m a n a g eme n t …  ( K .   M.   V en ka ta ch a la m)   229   2 . 3 .   B a t t er y   ener g y   s t o ra g s y s t e m   T h b atter y   s to r ag s y s te m   i s   m aj o r   r o le  f o r   s m all  s ca le   r en e w ab le  p o w er   g e n er atio n   s y s te m   to   f ee d   u n i n ter r u p ted   p o w er   s u p p ly   to   s tan d alo n lo ad s   w i t h o u an y   f l u ct u atio n s .   T h f lu ct u ated   p o w er   is   g en er ati n g   f r o m   th w i n d   an d   s o lar   s y s te m   is   ch ar g i n g   to   t h b atter y .   W h en   th lo ad   d em an d   in cr ea s es  m o r e   th an   th s o u r ce   p o w er ,   t h b at ter y   is   d i s ch ar g in g   to   co m p e n s ate  lo ad   d e m an d .   T h ch ar g i n g   a n d   d is c h ar g i n g   p r o ce s s   o f   th B E SS   is   d i v id ed   b y   f o u r   ca s es d u to   a v ailab i lit y   o f   w i n d   an d   s o lar   p o w er   g en er atio n   as :     C ase  1 :     ( ) ( ) ( ) s o l a r w i n d L o a d P t P t P t    ( 2 2 )     I n   th is   co n d it io n ,   th co m b in ed   w i n d - s o lar   s y s te m   g e n er ated   elec tr ical  p o w er   is   eq u al  to   r eq u ir e m en ts   o f   lo ad s .   T h b atter y   s to r ag s y s te m   ca n n o b en ter ed   to   p ictu r f o r   th ch ar g in g     an d   d is ch ar g in g   p r o ce s s ,   h er th s to r ag s y s te m   w ill ac t a s   h y b r id   DC   b u s .     C ase  2 :     ( ) ( ) ( ) s o l a r w i n d L o a d P t P t P t    ( 2 3 )     I n   th is   co n d itio n   t h s o u r ce   p o w er   is   m o r t h an   th e   lo ad   d em an d s ,   its   m ee t   to   t h lo ad   r eq u ir e m e n ts   an d   ex ce s s   p o w er   is   c h ar g t o   b atter y .     C ase  3 :     ( ) ( ) ( ) s o l a r w i n d L o a d P t P t P t    ( 2 4 )     I n   th i s   co n d itio n   t h s o u r ce   p o w er   i s   u n ab le  to   m ee t t h lo ad   d em a n d s   a n d   t h b atter y   s to r ag s y s te m   w il l d eliv er   p o w er   to   th lo ad   to   s atis f y i n g   th lo ad   r eq u ir e m en ts .     C ase  4 :     ( ) ( ) ( ) ( ) s o l a r w i n d B a t t e r y L o a d P t P t P t P t   ( 2 5 )     T h lo ad   d em a n d   k ee p s   o n   in cr ea s in g   an d   t h av ail ab ilit y   o f   s o u r ce   p o w er   is   to o   lo w .     Her th s to r ag s y s te m   w ill   n o ab le  to   m ee th lo n g   d u r atio n   o f   lo ad   r eq u ir em e n t s .   I n   th is   s ce n ar io ,     th p o w er   f lo w s   f r o m   t h g r id   to   lo ad   an d   b atter y .   Sp ec i f ica tio n   d etails   o f   t h b atter y   e n er g y   s to r ag s y s te m   ca n   b s ee n   i n   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Sp ec if icatio n   d etails  o f   b atter y   en er g y   s to r ag s y s te m   P a r a me t e r     V a l u e   C a p a c i t y   :   8 0 0   A h   ( e a c h   o n e   r a t i n g   1 2   V ,   1 0 0   A h )     B a t t e r y   n o mi n a l   v o l t a g e   :   4 8   V   G r i d   c h a r g i n g   c u r r e n t   :   3   t o   1 6 A   D C   G r i d   c h a r g e r   c a p a c i t y ( k W   r a t i n g )   :   0 - 1 0 0 %   G r i d   c h a r g e r   c o n t r o l   :   C o n st a n t   v o l t a g e ,   c o n s t a n t   c u r r e n t   B a t t e r y   t y p e   :   C o mp a t i b l e   w i t h   t u b u l a r / S M F   l e a d   a c i d         3.   CO NT RO L   T E CH NI Q U E F O WI ND - SO L AR - B AT T E RY  E NE R G ST O RA G E   SYST E M   T h co n tr o llin g   tech n iq u es o f   p o w er   elec tr o n ics   co n v er ter s   f o r   s o u r ce - s id w in d - s o lar   e n er g y   s y s te m   an d   lo ad   s id o f   VSI   a s   d escr i b ed   in   t h is   s es s io n .   T h co n tr o ller   is   d esi g n ed   to   ex tr ac t   m a x i m u m   p o w er   f r o m   s o u r ce s   an d   it s   f ee d   to   th l o ad   o r   g r id   as  p er   g r id   c o d e   s tan d ar d   f r eq u en c y ,   v o lta g an d   p o w er   q u alit y .     T h s y s te m   ca n   o p er ate  s tan d alo n o r   g r id - co n n ec ted   m o d e,   w h ic h   i s   d ep en d in g   o n   t h g e n er ated   s o u r ce   p o w er   an d   p o w er   d e m a n d   o f   th lo ad   s id e.     3 . 1 .   Co ntr o l t ec hn iqu f o DC - DC  co nv er t er   1   T h M P PT  tr ac k s   th m ax i m u m   p o w er s   f r o m   th P MSG  w i n d   en er g y   co n v er s io n   s y s te m   u s in g     s i m p le  p er tu r b   an d   o b s er v th m et h o d   b y   s e n s i n g   th e   DC   b u s   cu r r en t.  T o   m ea s u r ed   an d   co m p ar in g     th p r ev io u s   DC   b u s   c u r r en t   I dc   (k - 1 )   an d   p r esen t   d c - b u s   c u r r en t I dc   ( k ) .   I f   t h p r ese n DC   b u s   c u r r en t   I dc   ( k )   i s   m o r t h a n   t h p r ev io u s   DC   b u s   c u r r en I dc   (k - 1 ) ,   th p er tu r b atio n   is   i n cr ea s ed   u p   to   m a x i m u m   p o w er   p o in t.     I f   t h p r esen DC   b u s   c u r r en I dc   ( k )   is   less   t h an   th e   p r ev io u s   DC   b u s   cu r r e n I dc   (k - 1 ) ,   t h e   p er tu r b atio n   h as  to   d ec r ea s as  m en tio n ed   in   t h f lo w   c h ar i n   Fi g u r 4 .   T h D C   b u s   cu r r e n is   p o s iti v w h e n   th P MSG  p o w e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 0 :   223    244   230   av ailab le  in   ex ce s s   to   b atter y   a n d   f ed   to   th g r id .   W h en   th w i n d   p o w er   is   n o s u f f icie n f ee to   g r id ,   th d ef icit  p o w er   is   f ed   f r o m   th b atter y   b y   DC   b u s   cu r r en t   is   n eg ati v e.   T h DC   b u s   v o ltag ( Vd c - b u s )   is   co m p ar ed   w ith   r e f er en ce   d v o ltag a n d   f ed   to   th P I   c o n tr o ller .   T h er r o r   s ig n al  o f   t h P I   co n tr o ller   is   co m p ar ed   w i th   ca r r ier   w av e f o r m   an d   to   p r o d u ce   th d u ty   c y cl o f   p u ls w id t h   m o d u latio n   ( P W M)   g ate  s ig n al   is   co n tr o T HE   DC - DC   co n v er ter   s w itch e s   as  s h o w n   i n   Fi g u r 5 .           Fig u r 4 .   MP PT  alg o r ith m   f lo w   c h ar t f o r   W E C s           Fig u r 5 .   C o n tr o l c ir cu it  f o r   DC - DC   co n v er ter   1       3 . 2 .   Co ntr o l t ec hn iqu f o DC - DC  co nv er t er   2   I n   th i s   p r esen p ap er ,   th d c - d co n v er ter   i s   co n tr o lled   u s in g   t h P & al g o r ith m   b as ed   MPPT  th r o u g h   P I   c o n tr o ller .   I ts   o b jectiv is   to   m a in ta in   th d esire d   o u tp u v o ltag o f   s o lar   th p h o to v o ltaic  s y s te m   b y   co n tr o llin g   t h d c - d co n v er ter   at  v ar iab le  i r r ad iatio n   an d   te m p er atu r o f   t h SP V.   T h MP PT   is   s en s ed   g en er ated   o u tp u v o ltag a n d   cu r r en an d   co m p ar w it h   r ef er en ce   d esire d   v o ltag v al u o f   th b atter y   as   s h o w n   i n   Fig u r 6 .   T h b u ck   o r   b o o s t o p er atin g   m o d o f   th d c - d c o n v er ter   d ep en d s   o n   t h P W M   d u t y   c y cle   o f   th DC - DC   co n v er ter ,   w h ich   is   g en er ated   f r o m   MP PT .   W h en   th SP p o w er   g en er atio n   is   in cr ea s i n g     an d   d ec r ea s in g   d u to   th v ar iatio n   o f   ir r ad iatio n ,   t h d u t y   c y cle  o f   t h DC - D C   co n v er t er   w ill  d ec r ea s o r   in cr ea s b ec au s o f   t h v ar ia tio n   o f   th o u tp u v o lta g o f   th SP V.   MPPT   alg o r ith m   f lo w   ch ar f o r   SP s y s te m   i s   s h o w n   i n   Fi g u r 7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       P erfo r ma n ce   ev a lu a tio n   a n d   Lo a d   d em a n d   m a n a g eme n t …  ( K .   M.   V en ka ta ch a la m)   231       Fig u r 6 .   C o n tr o l c ir cu it  f o r   DC - DC   co n v er ter   2           Fig u r 7 .   MP PT  alg o r ith m   f lo w   c h ar t f o r   SP s y s te m         T h to tal  g en er ated   p o w er   f r o m   th SP s y s te m   is   ex p r es s e d   as :     p v p v p v P V I   (2 6 )     w h er e, V pv ,   I pv   ar th to tal  g en er ated   o u tp u v o ltag an d   cu r r en o f   th SP s y s te m .   T h P & alg o r ith m   f o r   m ax i m u m   p o w er   p o in t tr ac k er   f o llo w s   t h p o w er   v ar iatio n   o f   th SP V;     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 0 :   223    244   232   p v p v p v p v p v d P d V I V d I    (2 7 )     T h m a x i m u m   p o w er   p o in o f   th MP PT   w it h   r esp ec to   th v ar iatio n   o f   th o u tp u v o ltag at  v ar iab le   ir r ad iatio n   is :     0 p v p v p v p v p v p v d P d I IV d V d V   (2 8 )     T h P & alg o r ith m   o p er ati n g   d etails ar r ep r esen ted   in   ( 4 )   an d   th f lo w ch ar t o f   Fig u r 7 ;     ( ) ( 1 ) p v p v V k V k V   ( 2 9 )     W h en   ( ) ( 1 ) & ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) & ( ) ( 1 ) pv pv pv pv pv pv pv pv P k P k V k V k P k P k V k V k      ,     ( ) ( 1 ) p v p v V k V k V   ( 3 0 )     W h en   ( ) ( 1 ) & ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) & ( ) ( 1 ) pv pv pv pv pv pv pv pv P k P k V k V k P k P k V k V k      ,     w h er V pv ( k )   is   th p r esen t   o u tp u v o ltag o f   t h SP V,   V pv (k - 1 )   is   th p r ev io u s   o u tp u v o ltag o f     th SP V,   P pv ( k )   is   th e   p r esen g en er ated   p o w er   o f   th SP V,   P pv (k - 1 )   is   th p r ev io u s l y   g en er ated   p o w er   o f     th SP V.     3 . 3 .   Co ntr o l t ec hn iqu f o bi - direct io na l c o nv er t er   T h B E SS   s y s te m   co n s is t in g   o f   b atter y   w it h   b i - d ir ec tio n a co n v er ter   is   co n n ec ted   to   th co m m o n   DC   b u s .   T h p u r p o s o f   th is   b i - d ir ec tio n al  co n v er ter   is   to   m ai n tai n   th co n s ta n DC   v o lt ag in   co m m o n   DC   b u s   w it h   h elp   o f   b atter y   at  f l u ctu a ted   g e n er ated   p o w er   f r o m   w i n d   a n d   s o lar   s o u r ce s   an d   lo ad   d em a n d   v ar iatio n s .   W h en e v er   th g en er ated   elec tr ical  p o w er   is   m o r th an   th lo ad   d em an d ,   th ex ce s s   p o w er   is   ch ar g i n g   to   th b atter y .   T h lo ad   d em an d   is   m o r th a n   t h e   s o u r ce   p o w er ,   th lo ad   d e m an d   is   s atis f ied   b y   d i s ch a r g in g   th e   b a t te r y .   T h e   b at t e r y   i s   c o n tin u o u s ly   d i s c h a r g in g   p o w e r   in t o   th e   l o a d   d u e   t o   th e   u n av a i l a b i l ity   o f   p o w e r   g en e r a t i o n .   I n   t h i s   s i tu ati o n   th e   p o w e r   f l o w   f r o m   g r i d   to   a   b a t t e r y   th r o u g h   th e   b i - d i r ec t i o n a l   c o n v e r t e r   t o   m ai n tai n in g   t h m i n i m u m   b att er y   v o ltag to   p r o d u ct  th b atter y   li f e.   T h b i - d ir ec tio n al  co n v er ter   ca n   co n tr o l   b ased   o n   th av a ilab ilit y   o f   p o w e r ,   lo ad   d em a n d ,   m i n i m u m   an d   m a x i m u m   s tate  o f   c h a r g in g   le v el  b y   u s i n g     P I   co n tr o ller   as sh o w n   i n   Fi g u r 8 .   T h b atter y   s tate  o f   c h ar g in g   le v el  ( S OC )   a n d   en er g y   le v els   ar b ased   o n   th ch ar g i n g   a n d   d is ch ar g in g   p r o ce s s   d u to   th av ailab ilit y   o f   in p u t so u r c es a n d   d eliv er   p o w er   to   th lo ad s .     ( 1 ) ( 1 ) () ( ) ( ( ) ( ( ) ) ) B a t t e r y B a t t e r y L o a d w i n d B a t t e r y s o l a r i n v e r t e r Et Et E t E t Et       ( 3 1 )     a r g a r g a r g ( ) ( ( ) ) ( ( ) ) c h c h c h P t s o l a r P t w i n d P t    ( 3 2 )     I n   th is   p r o p o s ed   4 8   V   b atter y   s y s te m   s tate  o f   ch ar g i n g   an d   d is ch ar g in g   v o lta g e,   v al u es  ar v ar y   b et w e en   4 4   to   5 4   is   ca lcu lated   u s i n g   3 2 .     m i n m a x () S O C S O C t S O C    m i n m a x 4 4 4 8 5 4 V V V    ( 3 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.