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 8 4 ~ 2 9 6   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 9 . i3 . p p 2 8 4 - 296          284       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   Ro bust  m a x i m u m po w er point t ra ck ing   co ntrol for  p ho tov o ltaic  sy ste m   ba sed o n s econ d order sli di ng - m o de       A.   F ez za ni 1 N.   B o ua rr o ud j 2 S.  Drid 3 ,   L .   Z a g hb a 4   1 , 2, 4 Un i té d e   Re c h e rc h e   A p p li q u é e   e n   En e rg ies   Re n o u v e lab les ,   URA ER,   Ce n tre d e   v e lo p p e m e n d e s E n e rg ies   Re n o u v e lab les ,   CDER ,   A l g e ria   3 L S P IE,   L a b o ra t o ry ,   El e c tri c a En g in e e rin g   De p a rtme n t,   Un iv e rsity   o f   Ba tn a   2 ,   A lg e ria       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   4 ,   2020   R ev i s ed   Feb   1 9 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Ma r   2 0 ,   2 0 2 0       T h is  p a p e p ro p o se a   c o n tro a p p ro a c h   o f   a   m a x i m u m   p o w e r   p o i n o f     a   p h o to v o lt a ic  ( P V )   sy ste m   u sin g   th e   se c o n d   o rd e r   slid i n g   m o d e   a p p r o a c h .     T h e   m a in   o b jec ti v e   o f   th e   p ro p o se d   p a p e r   is  t o   trac k   th e   m a x i m u m   p o w e r   p o i n (M P P u sin g   su p e tw isti n g   a lg o rit h m   (S TA w it h   a   o n e - lo o p   c o n tro l   m e th o d   a n d   a u g m e n e ff icie n c y   o f   th e   o u t p u t   p o w e s y st e m .   T h e   st ru c tu re   o f   a   p ro p o se d   a p p ro a c h   is  sim p le  a n d   ro b u st   a g in g   th e   a tm o sp h e ri c   c h a n g e s.   S u c h   c o n tro a p p ro a c h   so l u ti o n   h a se v e ra a d v a n tag e s   su c h   a si m p le   im p le m e n tatio n ,   ro b u stn e ss re d u c e   th e   c h a tt e rin g   p h e n o m e n o n   a n d   g o o d   d y n a m ic  re sp o n se   c o m p a re d   to   trad it io n a f irst - o rd e sli d i n g   m o d e   c o n tr o a lg o rit h m .   T h e   c o n tro ll e c ircu it   a d a p ts  t h e   d u ty   c y c le  o f   t h e   sw it c h   el e c tro n ic  d e v ice   o f   th e   DC/DC  c o n v e rter  to   se a rc h   m a x i m u m   p o w e p o in t   trac k in g   a a   f u n c ti o n   o f   e v o lu ti o n   o f   th e   p o w e in p u t.   T h e   e ffe c ti v e n e ss     a n d   f e a s i b i l i t y   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n t r o l   a r e   v e r i f i e d   b y   s i m u l a t i o n   i n   M A T L A B / S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t   a n d   d S P A C E - b a s e d   h a r d w a r e   i n   l o o p   p l a t f o r m .   K ey w o r d s :   d DSP A C E   co n tr o ller   b o ar d   Ma x i m u m   p o w er   p o in t   Sh ell  So lar   S7 5   P V   Sli d in g   m o d co n tr o l   Su p er   t w is t in g   alg o r it h m   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 :   Am o r   Fezz an i,    Un ité  d R ec h er ch A p p liq u é en   E n er g ie s   R e n o u v elab les,  UR A E R ,     C en tr d Dév elo p p e m e n t d es  E n er g ie s   R e n o u v elab les,    C DE R ,   4 7 1 3 3 ,   Gh ar d aïa,   A l g e r ia.   E m ail:  a m o r f ez za n i @ y a h o o . f r       1.   I NT RO D UCT I O N   So lar   en er g y   r ep r esen t s   v iab le  en er g y   al ter n ati v f o r   th p r o d u ctio n   o f   elec tr icit y   s in ce   t h latter   is   r en e w ab le  s o u r ce ,   b o th   c lea n ,   u n li m ited   a n d   w it h   v er y   l o w   le v el  o f   r is k   [ 1 - 3 ] .   Ho w e v er ,   m aj o r   ch allen g in   u s in g   an   e n er g y   g e n er ated   b y   p h o to v o ltaic  s y s te m s   i s   t o   u n d er tak its   n o n li n ea r   o u t p u ch ar ac ter is tic s ,   w h ic h   d ep en d   o f   s o lar   i n s o lati o n   an d   te m p er atu r m o d u le.   A n   i m p o r tan i n   t h o p er atio n   o f   P g en er ato r   is   to   r ea ch   th m a x i m u m   o u tp u t   p o w er   b y   m ea n s   o f   co n ti n u o u s l y   co r r ec tin g   t h P ar r ay   o p er atin g   p o in f o r     th g iv e n   co n d itio n s .   T h m ai n   o b j ec tiv o f   m ax i m u m   p o w er   p o in tr ac k i n g   ( M P PT)   m et h o d   is   to   au to m at icall y   o b tai n   an   o p ti m al  MP P   o p er atio n   u n d er   r ea l o u td o o r   co n d itio n s .   Sev er al  MP P T   tech n iq u es  h a v b ee n   d ev e lo p ed   in   liter at u r e.   So m o f   th e   p o p u lar   s c h e m e s   ar   th Op en - cir c u it  v o lta g m et h o d   [ 4 ] ,   in cr em e n tal  co n d u ct an ce   m e th o d s   [ 5 ,   6 ]   an d   p er tu r b   an d   o b s er v er   ( P & O)   m eth o d s   [ 7 ] .   I n   th o p en   cir cu it   v o lta g tech n iq u e,   i n   o r d er   to   ca lcu late  V OC ,   p o w er   in v er ter   s h o u ld   b e   tu r n ed   o f f   f o r   f e w   s ec o n d s .   T h u s ,   at  ea ch   ca lcu latio n ,   s o m p o w er   is   lo s t.  An o t h e r   d r aw b ac k   o f   th i s   tech n iq u is   t h at  it  ca n n o tr ac k   MP P   at  th ef f ec ts   o f   t h ir r ad iatio n   ch an g e s .   T h P & is   m o s w id el y   d u to   its   s i m p lici t y   an d   ea s il y   i m p le m en ted .   Ho w e v er ,   P & O   h a v m aj o r   d is ad v an ta g b ec au s h d o es  n o co n s id er   th ef f ec t s   w h e n   th at m o s p h er ic  co n d itio n s   c h an g r ap id ly   [ 8 ,   9 ] .   I n cr em e n tal  co n d u ctan ce   ca n   p er f o r m   MP PT   f aster   u n d er   d if f er e n t a t m o s p h er ic  co n d itio n s   w i th   h i g h   ac cu r ac y   b u t it  i n cr ea s s y s t e m   co m p le x it y .   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       R o b u s t m a ximu p o w er p o in tr a ck in g   co n tr o l fo r   p h o to vo lt a ic  s ystem  b a s ed   o n   s ec o n d   o r d er …  ( A .   F ezz a n i )   285   T h er ar also   o th er   alg o r ith m s   s u ch   a s   t h ar ti f icial  n e u tr al  n et w o r k   tec h n iq u ( A N N)   [ 1 0 ] ,   p ar ticle   s w ar m   o p ti m iza tio n   ( P SO)   [ 1 1 ] ,   f u zz y   lo g ic  ap p r o ac h   [ 1 2 ]   an d   a d ap tiv n eu r o n - f u z z y   tech n iq u [ 1 3 ] .     T h alg o r ith m s   s h o u ld   h av h ig h   p er f o r m a n ce   to   MPP   tr ac k .   Ho w e v er ,   th eir   i m p le m en tat io n s   ar ex p en s i v e   an d   co m p lex   [ 1 4 ] .   I n   th at  s en s e,   r o b u s Sli d i n g   Mo d C o n tr o is   an   in ter esti n g   s o lu tio n   f o r   n o n - li n ea r   co n tr o d er iv ed   f r o m   v ar iab le  s tr u ct u r co n tr o ( VSC )   s y s te m   t h eo r y   an d   d ev e lo p ed   b y   UT KI [ 1 5 ] .   Su ch   co n tr o ller   h as  m an y   ad v a n ta g es  f o r   ex a m p le,   s i m p le  i m p le m e n tatio n ,   w ell  d y n a m ic  r esp o n s an d   g o o d   r o b u s tn e s s .     VSC   tec h n iq u f o r   P ap p licatio n   w as  p r o p o s ed   an d   e v alu a ted   b y   n u m er ical  s t u d y   in   [ 1 6 ] .     Fu r t h er   s t u d y   w a s   also   s u g g ested   in   [ 1 7 - 1 9 ] ,   h o w ev er ,   t h ese  ap p r o ac h es  r eq u ir ed   cu r r en o r   v o ltag e   r ef er en ce   f o r   co n tr o la w   s y n t h esi s   an d   ca n   lead   to   lac k   o f   r o b u s tn e s s   to   o p er atio n   co n d i tio n s .   I n   [ 2 0 ]   th er is   n o   n ec es s i t y   to   h a v r ef er en ce   v al u s in ce   th e   s li d in g   s u r f ac g u ar an tee s   t h e   MP P   w h e n   it   is     eq u al  to   ze r o .   B u th e   ch at ter in g   p h e n o m e n o n ,   o r ig in ated   b y   th in ter ac tio n   b et w ee n   p ar asit d y n a m ic  an d     f i n ite - f r eq u e n c y   s w itc h i n g   c o n tr o is   th m ai n   d is ad v a n tag es  o f   t h is   tec h n iq u es  o f   co n tr o [ 2 1 ,   2 2 ] .     T o   m in i m ize  ch at ter in g   p h e n o m en a   s o m m eth o d s   w er e   p r o p o s ed   [ 2 3 - 2 5 ] .   T o   p r eser v th m ai n   ad v a n ta g es   o f   th s lid in g   m o d tech n iq u an d   to   r ed u ce   th ch atter in g   p h en o m en o n ,   n o v el  class   o f   SMC   alg o r ith m ,   ca lled   s ec o n d - o r d er   SMC   alg o r ith m   ( 2 - SM C )   h as b ee n   p r o p o s ed   in   [ 2 6 ,   2 7 ] .   I n   S ah ar ao u et  al.   [ 2 8 ] ,   a   2 - SMC   w a s   ap p lied   w i th   t w o - lo o p   co n tr o l   ap p r o ac h .   A   s i m u la tio n   s tu d y   b y   Yati m et   al. ,   [ 2 9 ]   p r esen ts   r o b u s t   s lid i n g   m o d m e th o d   f o r   p h o to v o lta ic  en er g y   s to r ag s y s te m .   An o th er   m eth o d   to   tr ac k   th e   MP g iv en   i n   Mo j allizad eh   et  al. ,   [ 3 0 ] ,   th p r o p o s ed   s ch e m i s   b ased   o n   th s ec o n d - o r d er   f u zz y   s lid i n g   m o d co n tr o la w   o f   p h o to v o ltaic  p o w er   g en er atio n   s y s te m s   w i th   t w o - lo o p   co n tr o l.  Mo r eo v er ,   in   Kck ao u   et  al. ,   [ 3 1 ]   o f f er   s ec o n d - o r d er   s lid in g   MP P T   co n tr o f o r   p h o to v o ltaic   ap p licatio n .   T h m ai n   o b j ec ti v o f   th is   w o r k   is   t h u s o n lo o p   tech n iq u o f   2 - SMC   b as ed   o n   s u p er   t w i s ti n g   alg o r ith m   to   e x tr ac MP P ,   r e d u ce   th c h atter i n g   p h en o m e n o n   a n d   r ea l - ti m i m p le m e n t a tio n   s t u d y   u n d er   d if f er e n o p er atin g   s ce n ar io s .   T h co n tr o l   cir cu it  u s a n   a lg o r ith m   to   ad ap th d u t y   c y cle  o f   th s w itc h   co n tr o o f   th DC - D C   co n v e r ter   to   s ea r ch   MPP   tr ac k in g   as  f u n ctio n   o f   ev o lu tio n   o f   th p o w er   in p u t .     T h i s   p a p e r   c o n s is ts   o f   f o u r   s e c t i o n s ,   in cl u d i n g   th e   in t r o d u c t i o n .   S ec t i o n   2   m a t e r i a ls   an d   m e th o d s ,   an d   s e c t i o n   3   r esu lt s   an d   d is c u s s io n .   Fi n all y ,   th co n clu s io n s   o f   t h s t u d y   ar g iv e n   in   s ec tio n   4 .       2.   M AT E RIAL S AN M E T H O DS    2 . 1 .   P ho t o v o lt a ic  s y s t e m s   2 . 1 . 1 .   M a t he m a t ica l   m o delli ng   a nd   s i m u la t io   T h e   p h y s i c a l   b eh av i o u r   o f   th p a n e l   h as   c o n v en t i o n al ly   b e en   s tu d i e d   b y   r e p r e s e n t in g   i a s   a n   e q u iv al en t   elec tr ical  cir cu i co m p o s ed   o f   li n ea r   an d   n o n - li n e ar   co m p o n en ts .   So lar   ce ll  ( SP V)   is   t h ele m e n tar y   co m p o n e n w h ich   co n v er ts   t h e   en er g y   o f   li g h d ir ec tl y   in to   elec tr icit y   b y   th P ef f ec t.  P ar r ay s   ar b u ilt  u p   w it h   co m b i n ed   s er ies /p ar allel  co m b i n atio n s   o f   SP [ 3 2 ,   3 3 ] .   E ac h   ce ll  is   t y p icall y   p - n   j u n ct io n .   T h er ar v ar io u s   cir c u it  s ch e m es  f o r   p h o to v o ltaic  ce ll  i n   liter at u r e.   A   s i n g le  d io d m o d el  i s   co n s id er ed   as  t h eq u iv ale n p h o to v o ltaic  ce l i n   t h p r ese n p ap er   [ 3 3 ] .   T h b asic  m o d el  f o r   p h o to v o lt aic  ce ll  i s   s h o w   i n   Fig u r e   1.             Fig u r 1 .   Si m p li f ied   eq u i v alen t c ir cu it P m o d el       T h o n d io d e q u iv ale n t   cir cu it  d eter m in e s   th I - ch ar ac ter is tic  o f   th ce ll  is   d escr ib ed   b y     th f o llo w i n g   ( 1 ) :     I = I ph I 0 [ e ( V + I R s V t ) 1 ] V + I R s R sh   ( 1 )     w h er I   is   t h ce ll  o u tp u t   cu r r en ( A ) ,   is   t h ce ll  o u tp u t   v o ltag ( V) ,   I ph   i s   t h p h o to cu r r en t,  f u n ctio n   o f     th ir r ad iatio n   le v el  ( G)   an d   j u n ct io n   te m p er atu r e,   I 0   is   t h r ev er s s at u r atio n   c u r r en o f   d io d e,   V t = aKT c /q   is   th t h er m al  v o ltag e,   q   is   t h el ec tr o n   ch ar g ( 1 . 6 0 2 ×1 0 - 19 C ) ,   is   th B o ltz m an n   co n s tan t ( 1 . 3 8 ×1 0 - 23 J /K) ,   a   is   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 :   284     296   286   th id ea f ac to r ,   T c   is   th e   te m p er atu r o f   th ce ll,  R s   a n d   R sh   th s er ial  an d   p ar allel  r esi s t an ce s   r esp ec ti v el y     an d   I d ,   ca lled   d i o d e   ( D)   cu r r en t o r   d ar k   cu r r en t .   T h p h o to cu r r en t I ph   ca n   b ass es s ed   w i th   t h ( 2 ) :     I ph = I S T C G G S T C [ 1 + α ( T c T c , S T C ) ]   ( 2 )     w h er I S TC   is   t h s h o r cir cu it  cu r r en at  s tan d ar d   test   co n d itio n   ( ST C ) ,   w h ile  G STC  an d   T c, S TC   ar   th ir r ad iatio n   an d   te m p er atu r o f   th P ce ll  at  S T C ,   r esp ec tiv el y α   is   t h cu r r en te m p er atu r co ef f icie n t.   W ith   r eg ar d   to   th r ev er s s a tu r atio n   c u r r en I 0   p ar a m eter ,   its   v al u c h an g es  w it h   ce ll  t e m p er atu r at  ST C   co n d itio n s   a n d   ca n   b f o u n d   b y   u s in g   t h f o llo w i n g   ( 3 ) .     I 0 = I rs ( T c T c , S T C ) 3 e q E g ( 1 T c 1 T c , S T C ) Ka   ( 3 )     w h er I rs   is   th r e v er s s atu r at io n   cu r r en at  ST C   co n d itio n s ,   E g   i s   t h b an d - g ap   e n er g y   o f   t h m ater ial.   In   th i s   w o r k   f o r   R s   an d   R sh   th s a m r elatio n s   i n   [ 3 4 ]   ar u s ed   as ( 4 )   an d   ( 5 ) .     R sh = R sh , S T C G G S T C   ( 4 )     R s = R s , S T C   ( 5 )     w h er R s, S TC   an d   R sh, S T C   ar th s er ial  r esis ta n ce   an d   p ar allel  r esis ta n ce   at  ST C   co n d it io n s ,   r esp ec tiv el y .   I n   ( 1 )   is   v alid   f o r   s o lar   ce ll.  Fo r   th e   ex ac t   ap p licati o n   o f   t h i s   eq u a tio n   f o r   P m o d u le,     th ter m   o f   ( + )   is   r ep lace d   b y   ( + ) .   T o   d eter m in t h f i v p ar a m eter s   ex is i n   ( 1 ) ,   w h ic h   ar e:  0   an d   a,   y o u   ca n   s ee   [ 3 5 ,   3 6 ] .   T y p icall y   N s   ce lls   ar co n n ec ted   in   s er ies  to   g et  th r eq u is ite  v o ltag e   o f   P m o d u le.   A ll  t h ce lls   a r f o r ce d   to   ca r r y   th s a m c u r r en ca lled   p an el  cu r r en i n   s er ies  p an el.   I n   th i s   w o r k ,   ac t u al  m o d u le  w a s   u tili s ed ,   Sh ell  So lar   S7 5 .   T h elec tr ical  p a r am e ter s   o f   th m o d u l u n d er   ST C   f o r m   m an u f ac t u r er   ar lis ted   in   T ab le  1 .         T ab le  1 .   Data   o f   ex p er im e n tal  P m o d u le s   S i l i c o n   t y p e   S h e l l   s o l a r   S 7 5   O p e n   c i r c u i t   v o l t a g e   ( V oc )   2 1 . 6   V   S h o r t - c i r c u i t   c u r r e n t   ( I sc )   4 . 7   A   M a x i m a l   v o l t a g e   ( V mp )   1 7 . 6   V   M a x i m a l   c u r r e n t   ( I mp )   4 . 2 6   A   M a x i m a l   p o w e r   ( P mp )   7 5   W   N u mb e r   o f   c e l l s (N s )   36       Fig u r e   2   s h o w s   th s i m u lated   an d   ex p er i m e n tal  r esu lts   o f   t h m o d u le  u n d er   d if f er en ir r ad iatio n   an d   te m p er atu r lev el s .   T h cu r r en t - v o lta g ( I - V)   an d   p o w er - v o ltag ( P - V)   ch ar ac ter is tic s   ar s h o w n   i n   Fig u r 2 .   Fig u r 3   r ev ea led   th s im u la tio n   s tr u ct u r o f   th clo s ed   lo o p   s y s te m   f o r   MA T L A B   an d   Sim u li n k ,   w h ic h   i n cl u d es   th e   e l e c t r i c a l   s ch em a   o f   a   o n e   d i o d e   m o d e l   o f   th e   PV  p a n e l .   M o r e   d e t a il s   ca n   b e   f o u n d   in   [ 3 7 ] .           Fig u r 2 .   Si m u latio n   an d   ex p e r i m en tal  r esu lts   o n   t h tes t set u p   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       R o b u s t m a ximu p o w er p o in tr a ck in g   co n tr o l fo r   p h o to vo lt a ic  s ystem  b a s ed   o n   s ec o n d   o r d er …  ( A .   F ezz a n i )   287       Fig u r 3 .   Si m u li n k   s i m u la tio n s   to   illu s tr ate  th I - an d   P - m o d u le  o u tp u t c h ar ac ter i s tics       2 . 1 . 2 .   Dy na m ic  m o del o f   DC/ DC  bo o s t   co nv er t er   I n   o r d er   to   f o r ce   th P p an el   f u n ct io n s   a t h MP PT ,   w e   p r esen th p r i n cip le  o f   t h D C - DC   b o o s co n v er ter .   T h is   ty p o f   co n v e r ter   u s in d u cto r s   an d   ca p ac ito r s   to   co n tr o th en er g y   f lo th P m o d u le  to   lo ad   b y   co n ti n u o u s l y   o p en in g   an d   clo s in g   s w itc h   ( K)   [ 3 8 ] .   T h s w itc h   is   g en er all y   a n   elec tr o n ic  d ev ice   ( Mo s f et  o r   I GB T   tr an s is to r ) .   I is   d r iv e n   b y   p u ls w id t h   m o d u latio n   ( P W W )   s ig n al  w it h   f ix ed   f r eq u en c y   an d   an   ad j u s tab le  d u t y   c y cle  ( 0 <D <1 ) .   Fig u r 4   s h o w s   DC - D C   b o o s co n v er ter .   T h r elatio n   b et w ee n     th o u tp u t v o lta g an d   i n p u v o ltag in   D C - DC   b o o s t c o n v er ter   is   g i v en   b y   ( 6 )     0 = 1 1    ( 6 )     th d y n a m ic  o f   t h b o o s t c o n v er ter   is   g iv e n   b y :     {         C 1 d V pv dt = I pv I L L d I L dt = V pv ( 1 D ) V 0 C 2 d V 0 dt = I 0 + ( 1 D ) I L     ( 7 )     w h er V p v   an d   I pv ar t h v o ltag an d   cu r r e n o f   th P V   m o d u le,   I L t h i n d u cto r   cu r r en o f   th D C - DC   c o n v e r t e r .   V 0 :   t h e   D C - D C   c o n v e r t e r   o u t p u t   v o l t a g e ,   D :   t h e   d u t y   c y c l e ,   L :   t h e   f i l t e r   i n d u c t o r ,   C 1   a n d   C 2 :   t h e   f i l t e r   c a p a c i t o r ,   R :   t h e   n o m i n a l   r e s i s t a n c e   o f   l o a d .     B y   co m b i n g   t h d if f er en eq u atio n s   d escr ib in g   t h s y s te m   [ 2 9 ] ,   g lo b al  d y n a m ic  m o d el  ca n   b w r itte n   as  f o llo w s     {             I = I ph I 0   [ e ( V + I N s R s V t N s ) 1 ] V + I N s R s N s R sh d V pv dt = I pv C 1 I L C 1 d V pv dt = V pv L ( 1 D ) L V 0 d V 0 dt = I 0 C 2 + ( 1 D ) C 2 I L   ( 8 )     I n   ( 8 )   ca n   b w r it ten   i n   co m p a ct  f o r m   o f   t h no n li n ea r   ti m i n v ar ia n t s y s te m ;     {         X 1 ̇ =   I pv C 1 1 C 1 X 2     X 2 ̇ =     1 L X 1 u L X 3   X 3 ̇ = 1 R C 2 X 3 + u C 2 X 2   ( 9 )     w h er e   X 1   = V pv ;   X 2   = I L X 3   = V 0 u = ( 1 D ) ;   I 0 = V 0 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 :   284     296   288       Fig u r 4 .   DC - D C   b o o s t c o n v e r ter       2 . 2 .   Seco nd   o rder   s lid ing   m o de  a pp ro a ch   As  th s u p p lied   b y   t h p h o to v o ltaic  en er g y   d ep en d s   o n   o u td o o r   c o n d itio n s ,   an   i m p o r tan a cc o u n i n   th d esi g n   o f   ef f ic ien P s y s te m s   is   to   ex tr ac MP P   co r r ec tl y .   T h p u r p o s o f   MP PT   is   to   m o v t h o u tp u t   p o w er   o p er atin g   clo s to   th MPP   u n d er   v ar y i n g   o u td o o r   c o n d itio n s .   T h 2 - SMC   is   estab lis h ed   f o r     th s y s te m s   w it h   r elati v d eg r ee   t w o   ( r =2 )   an d   d o es  n o s u f f er   f r o m   ch at ter in g   w h ile  m ai n tai n in g     th r o b u s t n e s s   o f   t h ap p r o ac h .   T h er ar s ev er al  al g o r ith m s   to   r ea lize  2 - SM C   i n   liter atu r e.   Fo r   ex a m p le,   s u b - opt im a alg o r it h m ,   th ter m i n al  s lid in g   m o d al g o r ith m ,   t h e   t w i s ti n g   alg o r it h m ,   t h s u p er - t w i s ti n g   alg o r it h m .   Hen ce ,   th ST A   alg o r it h m   i s   c u r r en tl y   p r ef er ab le  o v er   th cl ass ical  s lid in g   m o d co n tr o l.      2 . 2 . 1 .   Sh o rt   re v ie w   o f   2 - S M C   T h SMC   co n s is ts   o f   t w o   p h a s e:  f ir s t,  w d eter m i n s lid in g   s u r f ac S ( X )   u p o n   w h ich   t h co n tr o l   o b j ec tiv es  ar r ea lis ed .   Nex t,  w d er iv co n tr o la w   i n   o r d er   to   b r in g   th s tate  tr aj ec to r y   to   t h is   o u tp u an d   m ai n tai n   it  th er at  all  ti m [ 3 9 ] .   I n   th s it u atio n   t h d if f icu lt  is   to   g en er ate  2 - S o n   an   ap p r o p r iately   ch o s en   s lid i n g   s u r f ac e   an d ,   th u s ,   to   co n s tr ai n   t h tr aj ec to r ies  s y s te m   to   e v o lv e   i n   f i n ite  ti m e   o n     S = { X : S = S ̇ = 0 } .   Ho w e v er ,   th e   in cr ea s in g   in f o r m atio n   d e m a n d   i n   te r m s   o f   t h f ir s d er i v ati v e     o f   th s lid in g   s u r f ac is   t h m ai n   d if f ic u lt  i n   t h i m p le m e n tatio n   o f   t h 2 - SM C ,   t h s u p er   t w is t in g   s l id in g   m o d co n tr o s c h e m is   m o d if ied   2 - SM C   s c h e m t h at  d o es  n o r eq u ir an y   k n o w led g o f   th d er iv ati v o f   th s lid i n g   v ar iab le  S ̇ .   C o n s id er   s y s te m   w h o s d y n a m ics i s   g iv en   b y     X ̇ = f ( X , t ) + g ( X , t ) u y = g ( X , t )   ( 1 0 )     w h er e:  X n   is   th s y s te m   s ta te  v ar iab le,   u   is   th co n tr o l,  f , g   ar s u f f icie n tl y   s m o o th   v ec to r   f iel d s .   S = S ( X , t )   i s   t h e   o u t p u t   f u n c ti o n ,   c al l ed   s l i d in g   v a r i a b l e .   B y   d i f f e r en t ia t in g   S   w it h   r es p e c t   t o   t im e ,   t ,     w h av e:     S ̈ = φ A ( t , S , S ̇ ) + ( t , S , S ̇ ) u ̇   ( 1 1 )     T h co n tr o u   is   b o u n d ed   f u n ctio n | u | U m ax .   T h d y n a m ic s   in   ( 1 1 )   ar ass u m ed   to   s ati s f y   t h f o llo w i n g   b o u n d in g   co n d itio n s   [ 2 6 ] :     0 < k m | ( t , S , S ̇ ) | K M | φ ( X , t ) | β 0st   ( 1 2 )     T h s et   { t , X , u : | S ( t , X ) | < S 0 }   is   th li n ea r   r eg io n ,   w h er e   k m , K M   an d   β 0 s t   ar s o m p o s itiv co n s tan ts .     T h alg o r ith m   i n cl u d es  t w o   co n tin u o u s   ter m s   th at,   a g ain ,   d o   n o d e p en d   u p o n   th f ir s ti m d er iv ati v o f   s lid in g   v ar iab le.   T h alg o r ith m   ca n   b d ef i n ed   b y   th f o llo w i n g   co n tr o l la w :     u st = u 1 + u 2   ( 1 3 )     w h er e     { u 1 ̇ = α 1 s ign ( S ) u 2 = α 2 | S | ρ s ign ( S )   ( 1 4 )     w it h α 1 α 2 an d   ρ   v er if y i n g   t h f o llo w i n g   in eq u alit y   [ 2 7 ]   an d   [ 4 0 ] :   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       R o b u s t m a ximu p o w er p o in tr a ck in g   co n tr o l fo r   p h o to vo lt a ic  s ystem  b a s ed   o n   s ec o n d   o r d er …  ( A .   F ezz a n i )   289   {         α 1 = β 0st k m α 2 2 = 4 β 0st K m ( α 1 + β 0st ) K M 2 k m ( α 1 β 0st ) 0 < 0   ( 1 5 )     T h ch o ice  ρ = 0 . 5   en s u r es  t h at  h m ax i m al  p o s s ib le  f o r   2 - Sli d i n g   m o d co n tr o r ea lizatio n   r ea s lid in g   o r d er   t w o   is   ac h ie v ed .   Usi n g   2 - SM C   ass u r es t h f in ite  t i m co n v er g en ce .     2 . 2 . 2 .   Ro bu s t   2 - S M M P P T   co ntr o l a pp ro a ch   I n   th i s   w o r k   t h ST A   h as  b ee n   d esi g n ed   to   s ea r ch   MP P .   T h s u p er   t w is t in g   al g o r ith m   is   e s tab lis h ed   f o r   th s y s te m   w it h   r elativ d eg r ee   o n s o   as   to   r ed u ce   t h ch atter i n g   [ 3 1 ] .   T o   m ak s u r th at  th s y s te m   s tates  w ill  h it  th s lid i n g   s u r f a ce   an d   p r o v id es t h MP P   o u tp u t,  w c h o o s t h s lid in g   s u r f a ce   as  g iv e n   i n   [ 1 9 ] .   T h s tate  ( 9 )   ca n   b ex p r ess ed   b y :     X ̇ = f ( X , t ) + g ( X , t ) u S ( X , t ) = P pv V pv   ( 1 6 )     w h er e   X = [ I pv         V 0 ] T   , u = [ 0           1 ] .   T h s lid in g   m o d s u r f ac S ( t)   is   d ef in ed   as:     S ( X , t ) = P pv V pv = I pv + V pv pv V pv = 0   ( 1 7 )     I f   w d if f er en tia te  th s lid in g   s u r f ac S,  w ca n   w r ite  [ 2 9 ]:     S ̈ = φ A ( t , S , S ̇ ) + ( t , S , S ̇ ) u ̇   ( 1 8 )     w it h   φ A ( t , S , S ̇ ) = ( 3 P pv V pv 3 ) ( V pv t ) 2 + 1 C 1 ( 2 P pv V pv 2 ) [ ( I pv V pv ) ( V pv t ) V pv L ]   ( 1 9 )     ( t , S , S ̇ ) = 1 C 1 ( 2 P pv V pv 2 ) V 0 L   ( 2 0 )     w h er e     2 P pv V pv 2 = 2 I pv V pv + V pv 2 I pv V pv 2 3 P pv V pv 3 = 3 2 I pv V pv 2 + V pv 3 I pv V pv 3     ( 2 1 )     T h co n tr o o f   th b o o s co n v er ter   is   b o u n d ed   f u n ctio n   ( 0 <u <1 ) .   W ass u m t h at  t h ( 1 8 )   s atis f y   co n d itio n   in   ( 1 5 ) ,   th co n tr o la w   g u ar a n tees  t h f i n ite  ti m co n v er g e n ce .   T h p r o o f   o f   th co n tr o la w   alg o r ith m   ap p r o ac h   is   p r esen ted   in   th ap p en d ix .   W ca n   co n s id er   th ap p lied   co n tr o l   la w   an d   ca n   b d ed u ce d   f r o m   th eq u atio n   u =1 - D,   it  is   g u ar an teed   th at  t h s y s te m   s tate  w ill  h it  th s u r f ac an d   p r o d u ce   m ax i m u m   p o w er   o u tp u t p er s is ten tl y .         3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   T h s tr u ctu r o f   t h clo s ed   lo o p   s y s te m   f o r   MA T L A B   an d   Si m u li n k ,   is   s h o w n   in   F ig u r 5 ,   w h ic h   in cl u d es  th elec tr ical  cir cu it  o f   th p h o to v o ltaic  m o d u le  Sh ell  So lar   S7 5 ,   w h o s ch ar ac ter is tics   ar s h o w n   i n   T ab le   1 ,   th DC - D C   co n v er ter   B OOST   w o r k   w it h   L =1 3 0 m H, C 1 =1 0 0 0 µF  an d   C 2 =5 0 0 µF,   lo ad   R =2 0     an d   th MP PT   alg o r ith m .   T h s w itc h i n g   f r eq u e n c y   o f   t h b o o s co n v er ter   is   s et  to   2 5   KHz .   T h co n tr o ller   p ar am eter s   ar s et  to   α 1 =0 . 2 7   an d   α 2 =0 . 0 5 .   T h p r o p o s e d   MPPT   co n tr o is   ev alu ated   f r o m   t h r ee s   ca s e s   in cl u d in g   f i x ed   ir r ad iatio n ,   v ar y in g   ir r ad iatio n   an d   te m p er atu r e.   Fu r t h er m o r e,   f o r   th s ak o f   co m p ar is o n ,   r esp o n s es  o b tain ed   w it h   2 - S MC  b ased   o n   s u p er   t w is tin g   a lg o r ith m   ( ST A )   ar co m p ar ed   w it h   o n e s   r esu lt in g   f r o m   t h 1 - SM C   ( f i x ed   ir r ad iatio n ) .       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 :   284     296   290       Fig u r 5 .   Si m u li n k   s tr u ct u r o f   th clo s ed   lo o p   co n tr o l o f   b o o s t c o n v er ter       3 . 1 .   Sta nd a rd  t est  co nd it io ns :   T = 2 5 °C a nd   G = 1 0 0 0   W/ m 2     Fig u r 6   ( a)   d is p la y s   t h w a v ef o r m s   o f   P pv ,   V pv ,   V 0 ,   I pv   an d   w it h   t h 1 - SMC   as  an   MP P T   C o n tr o ller .   Fi g u r 7   ( a)   an d   d i s p la y s   th e   w a v ef o r m s   o f   P pv ,   V pv ,   V 0 ,   I p v   an d   w it h   th e   2 - SMC   b ased   o n   ST as  an   MP PT  co n tr o ller ,   s o   th at  th MP is   lo ca ted   at   p o w er   o f   7 5 . 0 2   W .   I is   ea s ily   f r o m   th b elo w   r es u lt s   s ee n   t h at  th s y s te m   r ea ch e s   th at  P m o d u le  p o w er   an d   s h o w s   f ast  r esp o n s a n d   g o o d   tr ac k in g   p er f o r m a n ce .   I o n l y   tak e s   m illi s ec o n d s   to   tr ac k   MP P .   W h en   th MP P   is   r ea ch ed ,   th s li d i n g   s u r f ac e   co n v er g e s   to   ze r o   Fig u r 7   ( b )               ( a)   ( b )     Fig u r 6 .   Si m u latio n   r esp o n s e s   ( co n s ta n t so lar   ir r ad iatio n   an d   co n s tan t te m p er atu r e)   u s i n g   1 - SMC               ( a)   ( b )     Fig u r 7 .   Si m u latio n   r esp o n s e s   ( co n s ta n t so lar   ir r ad iatio n   an d   co n s tan t te m p er atu r e)   u s i n g   2 - SMC   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       R o b u s t m a ximu p o w er p o in tr a ck in g   co n tr o l fo r   p h o to vo lt a ic  s ystem  b a s ed   o n   s ec o n d   o r d er …  ( A .   F ezz a n i )   291   T h s i m u latio n   c h ar ac ter is tic   cu r v e s   r es u lt s   ( 2 - SMC )   o f   t h p h o to v o lta ic  s y s te m   ar p r esen ted   i n   Fig u r 8 .   Fig u r 9   s h o w s   th e   co m p ar is o n   b et w ee n   P o u t p u p o w e r ,   d u t y   c y cle  o f   2 - S MC  an d   1 - SM C   a   an   MP PT   c o n tr o ller s   tr ac k er .   T h 2 - SMC   p r esen ts   le s s   o s cillatio n   t h an   t h 1 - SM C   an d   w h ich   i m p l y   g o o d   co n v er s io n   ef f icie n c y .   All th e s r esu lts   p r o v t h ef f ec ti v e n e s s   o f   o u r   ST A   co n tr o l.               Fig u r 8 .   Si m u latio n   r esu l ts   o f   th P s y s te m     (I - an d   P - V)   Fig u r 9 .   C o m p ar is o n   b et w ee n   P o u tp u t p o w er   an d   d u t y   c y cle  o f   2 - SMC   a n d   1 - S MC b ased   MP P   C o n tr o ller s   tr ac k er s       3 . 2 .   Va ry ing   s o la irra dia t io n t es t     F i g u r e   1 0   ( a )   s h o w s   t h e   t r a c k i n g   r e s u l t s   w i t h   s t e p   i r r a d i a n c e   i n p u t   f r o m   5 0 0   W / m 2   t o   8 0 0   W / m 2   a t   0 . 4 s   a n d   800   W / m 2   t o   1 0 0 0   W / m 2   a t   0 . 6 s ,   w h i l e   t h e   t e m p e r a t u r e   i s   c o n s t a n t   e q u a l   t o   T = 2 5 ° C   a n d   l o a d   R = 2 0 .   T h e   s y s t e m   r e a c h e s   s t e a d y   s t a t e   o f   i r r a d i a n c e   l e v e l s   w i t h i n   m i l l i s e c o n d s   a n d   c a n   t r a c k   t h e   d e s i r e d   b e h a v i o r   o f   t h e   M P P   r a p i d l y   F i g u r e   1 0   ( a )   a n d   w i t h   l e s s   o s c i l l a t i o n   w h i c h   i m p l i e s   g o o d   c o n v e r s i o n   e f f i c i e n c y   F i g u r e   1 0   ( b ) .               ( a)   ( b )     Fig u r 1 0 .   Si m u latio n   r esp o n s es ( v ar iab le  s o lar   ir r ad iatio n   an d   co n s ta n t te m p er at u r e)       3 . 3 .   Va ry ing   t e m pera t ure   Fig u r 1 1   s h o w s   t h tr ac k i n g   r esu lt s   w it h   s t ep   te m p er at u r in p u f r o m   2 5 °C   to   5 0 °C   a 0 . 4 s ,   w h ile   th ir r ad ian ce   is   co n s tan eq u al  to   1 0 0 0   W /m 2   an d   lo ad   R =2 0 .   T h c o n tr o ller   r ea ch es  s tead y   s tate  o f   b o th   te m p er atu r le v els  w it h i n   s m a ll ti m tr a n s it r esp o n s e.       3 . 4 .   E x peri m e nta l r esu lt s       T h b asic  s tr u ct u r o f   t h lab o r ato r y   s et u p   ( L SP - I E   lab o r ato r y ,   U n i v er s it y   o f   B at n 2 )   is   illu s tr ated   in   Fig u r 1 2 .   T h R esis tan ce   i s   u s ed   as  lo ad .   T h em u lato r   co n n ec ted   w it h   b o o s c o n v e r ter   h as  b ee n   u s ed   i n s tead   o f   th m o d u le.   T h d SP A C E   DS1 1 0 4   PP C   is   p lu g g ed   in   th h o s P C .   T h s en s o r s   u s ed   f o r     th cu r r en t s   an d   v o ltag e s   m ea s u r ar r esp ec tiv el y   L A - 2 5 NP   an d   L V - 2 5 P .   T h MP PT  co n tr o la w     h as  b ee n   i m p le m e n ted   in   d SP A C E   DS1 1 0 4   R & co n tr o ller   b o ar d .   T h en   th P W u n it  d ir ec tly   g e n er ate s     2 5   KHz   P W s ig n al  to   co n tr o I GB T   s w itc h   o f   th b o o s co n v er ter .   T h ex p er i m en ta ch ar ac ter is tics   o f     th p h o to v o ltaic  e m u lato r   ar s h o w n   in   F ig u r 1 3 .   0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 1 2 3 4 5 X :   1 7 . 0 9 Y :   4 . 3 8 7 V p v ( V ) Ip v  ( A ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 20 40 60 80 X :   1 7 . 0 9 Y :   7 5 P p v  ( W ) V p v ( V ) M P P M P P 0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4 0 .0 4 5 0 .0 5 0 20 40 60 80 T i m e  ( s e c ) P p v  ( W )       0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4 0 .0 4 5 0 .0 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 T i m e  ( s e c ) D u t y  c y c le R e f 1 - S M C - M P P T 2 - S M C - M P P 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 :   284     296   292       Fig u r 1 1 .   Si m u latio n   r es u lt s   o f   th P s y s te m   ( co n s ta n t so l ar   ir r ad iatio n   an d   v ar iab le  te m p er atu r e)           Fig u r 1 2 .   Stru ctu r o f   t h lab o r ato r y   s et u p                 Fig u r 1 3 .   E x p er im e n tal  r es u lt s   o f   th P e m u lato r   ( I - a n d   P - V)   w it h   ir r ad iatio n   [ 2 0 0 ,   4 0 0 ,   6 0 0 ,   8 0 0 ,   1 0 0 0 ]   W / m 2     T h p er f o r m an ce   a n d   r o b u s tn e s s   o f   t h MP PT   alg o r ith m   i s   ev alu a ted   b y   t w o   e x p er i m e n ts :     Un d er   f i x v al u es o f   ir r ad iatio n   ( G= 1 0 0 0   W /m 2 )   an d   T em p e r atu r ( T = 2 5 °C ) .       Un d er   v ar y i n g   ir r ad iatio n   f r o m   5 0 0   W /m 2   to   1 0 0 0   W /m 2   an d   T =2 5 °C .   0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T i m e  ( s e c ) Ip v  ( A ) ,V p v ( V ) ,V 0 ( V ) P p v  ( W ) P p v P r e f V p v I p v V0 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       R o b u s t m a ximu p o w er p o in tr a ck in g   co n tr o l fo r   p h o to vo lt a ic  s ystem  b a s ed   o n   s ec o n d   o r d er …  ( A .   F ezz a n i )   293   T h r esu lts   as  s h o w n   i n   Fig u r 1 4   d em o n s tr ate  t h at  th 2 - S MC  m et h o d   h as  g o o d   d y n a m i r esp o n s an d   ca n   tr ac k   th d esire d   b eh av io u r   o f   th MP P   p o w er   ( 1 0 0   W )   w ell .   T h 2 - SMC   i s   p r o v in g   r o b u s t n ess   ag ain s t ir r ad iatio n   v ar iatio n   s h o w n   in   F ig u r 1 5 .             Fig u r 1 4 .   E x p er im e n tal  r es u lt s   o f   2 - SM C   u n d er   f i x v a lu o f   ir r ad iatio n   an d   te m p er at u r e             Fig u r 1 5 .   E x p er im e n tal  r es u lt s   o f   2 - SM C   u n d er   v ar y in g   v a l u o f   ir r ad iatio n   an d   f ix te m p er atu r v al u e       4.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   w o r k   r o b u s MP PT   c o n tr o is   p r o p o s ed   f o r   th P V   ap p licatio n .   T h p r o p o s ed   c o n tr o ller   is   ca p ab le  to   tr ac k   th MPP   u n d er   d if f er e n o p er atin g   co n d itio n s .   T h is   ap p r o ac h   g u ar an tees  h ig h   d y n a m ic   s y s te m   p er f o r m a n ce s   a n d   h i g h er   ef f icie n c y   co m p ar ed   to   o th er   alg o r it h m s .   T h r o b u s tn e s s   ag ai n s c h a n g i n   ir r ad iatio n   o f   th p r o p o s ed   m e th o d   is   im p r o v ed   v ia  s i m u lati o n   u n d er   MA T L A B /Si m u li n k .   A ls o   th p r o p o s ed   alg o r ith m   o f f er s   s o lu tio n   t o   eli m i n ate  t h c h atter i n g   p h en o m e n o n .   T h is   ap p r o ac h   is   th f o u n d atio n   o f     p r ac tical  im p le m en ta tio n   f o llo w - u p   th is   r esear ch   w o r k .   T h ef f ec t iv e n es s   an d   th f ea s ib ilit y     o f   th i m p r o v ed   2 - SM C   w as  v er if ied   b y   ex p er i m en t s       AP P E NDI X   P r o o f .   I n   o r d er   to   d em o n s tr ate   th s tab le  co n v er g e n ce   p r o p er t y   o f   t h p r o p o s ed   ap p r o ac h   [ 4 1 ] :     S ( X , t ) = P pv V pv     ( A . 1 )     I f   S(X , t)   is   m ad eq u al  to   ze r o   , th en   th m ax i m al  p o w er   is   tak en .   T h co n tr o ller   s teer   th d er iv ati v to   ze r o ,   b y   ac tio n   o n   t h d u t y   c y cle  u .   W ca n   w r ite:     S ( X , t ) = P pv V pv = I pv + V pv pv V pv = 0   ( A . 2 )     0 5 10 15 20 25 30 30 40 50 60 70 80 90 100 110 P o w e r   M o d u le T im e   ( s e c ) P o w e r   M o d u l e   ( W ) 0 5 10 15 20 25 30 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 D u t y   C y c le T im e   ( s e c ) D u t y   C y c l e 0 5 10 15 20 25 30 35 40 30 40 50 60 70 80 90 100 110 P o w e r   M o d u le T im e   ( s e c ) P o w e r   M o d u l e     ( W ) G = 1 0 0 0   W /m 2 G= 5 0 0  W /m 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 .5 5 0 .6 0 .6 5 0 .7 0 .7 5 0 .8 0 .8 5 0 .9 D u t y   C y c le T im e   ( s e c ) D u t y   C y c l e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.