TELKOM NIKA , Vol.13, No .1, March 2 0 1 5 , pp. 32~4 0   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i1.131        32      Re cei v ed Au gust 18, 20 14 ; Revi sed  De cem ber  8, 20 14; Accepted  Jan uary 12, 2 015   Implementation of Maximum Power Point Tracking on  Photovoltaic Using Fuzzy Logic Algorithm      Arto n Joha n  Lubis 1 , Er w i n Susanto 2 , Unan Suna r y a 3   1,2  F a cult y  of El ectrical En gin e e rin g , T e lkom  Univers i t y , Ba n dun g, Indon esi a   F a cult y  of Ap plie d Scie nce,  T e lkom  Univer sit y , Ban dun g, Indon esi a   Jl.T elekomunik a si No 1.,Da y e uhko l ot Ban d u ng,40 25 7   e-mail: jart on3 2@gma il.com 1 , er w i n e lektro @ t elkomu nivers ity.ac.i d 2 una ngs unar ya @telkomu niv e r s it y . ac.id 3       A b st r a ct   Most en ergy s ources t hat ar e co mmo n ly  u s ed i n  th e w o r l d to day  are fr om fossils. T h i s  kind  of   ener gy is u n re new abl e a nd l i m ite d . Use  of solar  pan els (P h o tovolta i c, PV) to gen erate  ele c tricity is grow i n g   fast and it can  be used  as a n  altern ative e nergy i n st ea d of fossils. T he probl e m  face d by use of sola r   pan els is  that  the g ener ate d  pow er is  no t opti m u m  for  a partic u l a r l oad. It is a l w a ys cha n g i ng  an d   influ ence d  by  the l e ve l of l i gh t (irradi ance)  a nd te mp eratur e. T herefor e w e  ne ed  a w a to maxi mi z e  th e   pow er output o f  solar pan els. Maxi mu m Pow e r Point T r acki ng (MPPT ) is a metho d  for fin d in g its maxi mu pow er p o int. In  this res earch,  the MPPT  is d e sig ned   to l o c a te the  po int o f  gen erated   maxi mu pow er  on   solar p ane ls. MPPT  controll er desi gne d in  this resear c h  is  using fu zz y  l o gic. T he volta g e  and c u rrent from  the so lar  pa nel s are  fed t o  th e fu zz y   log i c c ontrol l er. T h e   output  of fu zz y  lo gic  in th e for m   of a  pu lse  w i dt h   mo du latio n  (PW M) signal re gul ates the pr ocess of sw itchin g bo ost con v erter. Experi m e n tal res u lts show   that output p o w er from PV increas e 15.9 %  and th e effi ciency of d e si gne d bo ost co nverter ran ges  in   appr oxi m ate lly 90.97 %.    Ke y w ords : PV, MPPT , fu zz y  l ogic, PW M, boost converter       1. Introduc tion  Becau s e  of the in creasi n g  of popul atio n grow th, d e m and fo r ele c tri c ity also i n crea se rapidly. In fact, most powe r  sou r ces o b ta ined t oday a r e from fossil fuels that a r not ren e wabl e   and limited.  Then, we n eed rene wab l e ene rgy so urces to ove r co me the  crisi s  in future.  Photovoltaic  is  o ne of  the  rene wa ble en ergy re sou r c e s i n   re cent   y ears.  H o w e v e r,  P V  mo d u les  still have lo w efficien cy d ue to the at mosp he ri co ndition s until  right no w al though th e e a rth  receives h u g e  energy from the sun. Therefo r e, a system that can cont rol an d gain maximu m   power poi nt tracking for the  solar a r ray is urgently nee ded [1].  The m a ximu m po we r op e r ating  point  chang es  with  irra diation l e vel an d temp e r ature.  The cha r a c t e risti c  cu rve   sp ecifie s a   uniq ue  o p e r ating  point  at whi c h  ma ximum po ssi b le   delivere d  po wer. At the Maximum Power Point  (M PP), the PV  system op era t es at its highest   efficien cy. The MPPT working p r in ciple  is bas ed on  the maximum powe r  tran sfer theo ry. Th e   power delive r ed from the source to the l oad is m a ximized  whe n  the  input re sista n ce  see n  by the  sou r c e  m a t c h e s t h so ur ce  re si st an ce.  F o r t h e f i xed  lo ad, the  eq uivalent  re sista n c se en  by th panel  can b e  adju s ted by changi ng po wer co nverte r duty cycle [2].  Many metho d s have b e e n  develop ed  to determin e  the MPP such as  the in creme n tal  con d u c tan c [1], a state  space a pproa ch [2], a nd t he p e rtu r bati on a nd  ob servation [3]. In  the  simple st met hod, i.e. [3], the sy stem n e eds to   be p e rturbed to  sen s e the  maxim u m point a n d  it  works  well if  the weathe r i s   con s tant o r  slo w ly  chan ged. Oth e rwi s e,  sy stem cannot  o b tain its  maximum po int. Although  incremental  cond ucta nc e method h a s  high  accu racy but it leaves  difficult com p utation so tha t  the respon se be come sl ow a nd its im plementatio co st is relatively  high  be cau s e  it u s e s  di gita l sig nal  proce ssi ng  (DSP)  board [2]. In  [2], mathemati c s mo del  mu st  be p r ovide d  t o  tra c k the   maximum p o w er poi n t.  Howeve r,  the photovoltai c  power gen eration  system mo de l is very comp lex since it co ntains n on lin ear pa ram e te rs.   Some re port s  on artificial i n telligent ba sed;  parti cle swarm optimi z ation, neu ral  netwo rk  and fu zzy log i c; for MPPT  desi gn  ca n b e  foun d in  [4]-[7] an d references therein .  Motivated b y   the sim p licity  of these  met hod s, in thi s   pape we p r o pose fuzzy lo gic  cont rolle (FL C app roa c to design a n d  implement  MPPT on photovoltaic sy stem. The tracker is b u ilt to adjust the  PV  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im plem entati on of Maxim u m  Power Point Tracki ng on Photovoltai c  .... (Arton Johan Lubi s)  33 system in  order to o b tain  maximum p o we r from   so lar cell what ever envi r on ment co nditio n  is  happ ened.  T he a d vantag e  of F L C is tha t  it doe sn ot  n eed th e m a th ematical  mo d e l. It red u ces  the   compl e xity of mod e ling  an d comp utatio n via h e u r isti c a p p r oa ch.  Then,  an i n te lligent F L C b a se MPPT pre s e n ted in this  pape r sh ows some te stin g and me asurem ent data  for analysi s  and  illustrating the advantegous  of the proposed method.       2. Sy stem Descriptio n   The main p a rts of the built system in clud photovoltai c  array, boo st converte r an d fuzzy  logic b a sed  MPPT control l er.        2.1. Photov o l taic model  A s o la r ce ll is  a p- n  ju c t on  se mic o nd uc to r d e v ic e .  It r e c i e v es   e n e r g y fr om th s u n a nd  conve r t it into  ele c tri c al  en ergy. Th si mple e qui val ent ci rcuit of  PV has be en  sh ow in fig u re  whi c h co nsi s ts of a curre n t source m odel of  the luminou s flux, the losse modele d  by two  resi st o r ,  shu n t  resi st or R sh , a seri es  re sistor R s , and di ode [8]-[11].           Figure 1. Equivalent circuit of PV      Acco rdi ng to the figure 1, th e I-V cha r a c teristi c  equ ation of a PV cell is given as           1     (1)     To illustrate  the I-V and  P- V characteristics [8],  we sim u late t he PV module usi ng  Matlab-Sim u li nk. Fig u re  2  sho w s the  (I-V) and  (P -V) ch ara c teri sti c s with  sol a r irra dian ce  le vel  and  ambie n air tem p e r atu r e i n  1 000 W/ m 2  and  25 o C,  re sp ectively. The  ph oto-g enerated  ele c tric   curre n t depe nds o n  variab le irra dian ce  and ambi ent tempe r ature.    2.2. Boos t Conv erter  Boost  conve r ter is  used to  gene rate o u tput voltage hi gher th an in p u t voltage. Fi gure  pre s ent s b o o s t converte circuit  whi c h  consi s ts  of ind u ctor,  diod e,  MOSFET, ca pacito r , an d l oad  [13]. Boost  converte wo rks in  two  stat es.  Du ring   th e switch S  is ope n, el ectri c   cu rre nt o n   the  indu ctor in creased lin earl y , and the di ode  D is tu r ned off at th e time. Wh e n  the switch  S is   clo s ed, the e nergy sto r e d  in the indu ctor is re lea s e d  throu gh the di ode to the out put RC  circuit .   The m a in e q uation a s so ci atedto d u ty cycle a nd in pu t-output volta ge of b o o s t converte is  given as  follows :          (2)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 9 30         TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  32 – 40   34       (a)       (b)     Figur e 2.  (a)  P-V curv e a n d  (b)  I-V cu rv e             Figure 3.  Boost co nveter      2.3. Fuzzy  lo gic based M PPT controll e   Figure 4  sho w s the  overa ll syste m  a r chit ecture. Th e p r opo se MPPT co ntro ller h a s   been  built up on the  simpli city of fuzzy logic. T h is  m e thod is i n tro d u ce d for tracking the MPPT  in  PV system.T he de sig ned   system s i s  ro bust  and  rela ti vely  simple as well as do   not  requi re  t he  kno w le dge of  the exact mo del [6].    FLC  co nsi s of three  mai n  part s : fu zzy  inferen c e  sy stem, fuzzy in feren c engi ne, an defuzzifier. F u zzy inferen c e system is f u zzifier with  t a sk to conve r t the variable s  in real valu e to   the variable s   in fuzzy rule.  Fuzzy infere n c e en gine  pr oc es se s  da ta   o f  r u zz y r u le . T h e  las t  p a r t   is   defuzifie r and  it converts th fuz z y  set to the real value.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im plem entati on of Maxim u m  Power Point Tracki ng on Photovoltai c  .... (Arton Johan Lubi s)  35     Figure 4.   MPPT system config uratio n s          In this p ape r the FL C in p u ts a r e volta ge inp u t (V in and cu rrent input  (C in ) .  The fuzz output is duty cycle for swit chin g dc bo o s t conv e r ter. Figure 5 and  Figure 6 pre s ent membe r ship  function of th e voltage inp u t (V in ), and current input (C in ).           Figure 5.  Membershi p  fun c tion of voltage input           Figure 6.  Membershi p  fun c tion of cu rre n t input      3. Results a nd discussio n s   Implementati on of FLC ba sed MPPT yields  some m easure m ent d a ta as follo ws       3.1. Solar panel charac te ristic   In this se ction  the form of chara c te risti c  curve s  indi cat e  voltage - cu rre nt and voltage -  power me asu r eme n t results usi ng PV so lar pan els Su nlik SL05 0-12 M.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930         TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  32 – 40   36       Figure 7.   Voltage versus  curre n t curve           Figure 8.  Voltage versus p o we r cu rve      Experimental  test i s  don e  by  con n e c ting the   sola panel  to th load,  then  the   voltage  and  cu rre nt  measurement  issue d  by th e solar  pa nel s a r mea s u r ed  with a va rying load.  Th e   maximum p o w er poi nt 42. 3 Watt is  obt ained  for th e  voltage 1 6 .8 7 Volt an d th e current  2.51   Ampere. Rela tion betwe en  the load re si stance a nd the  powe r  ca n b e  figured in Fi gure 9.           Figure 9.   Load versus p o w er  cu rve         0 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 1 1 21 3 1 41 5 1 61 7 1 81 92 0 2 1 Current (  A) V o ltage (  V) Vo l t a g e  ‐ Curr en t   Cur v e 0 20 40 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Power (  W ) V o ltage (  V   ) Vo l t a g e  ‐ Po w e r   Cur v e 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 Power   (W) Resistance   (   Ohm) Re s i sta n c e  ‐ Po w e r   Cur v e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im plem entati on of Maxim u m  Power Point Tracki ng on Photovoltai c  .... (Arton Johan Lubi s)  37 3.2 Testing a nd analy s is  of curr ent s e n sor   Purpo s e of the testing is to investigate  the perfo rmance of the curre n t se nso r  wh en   anydifferent l oad sare give n. The  volta ge a pplie d in  this  mea s u r ement i s  fixe d 10  Volt. T he  curre n t readi ng for multim eter and  cu rr ent sen s o r  ca n be sh own in Figure 10.           Figure 10.  Readin g  of ele c tri c  cu rrents  by a multimeter and the  cu rre nt sen s o r        The cal c ul ation of output current error i s   ƞ           100%      ƞ 6 . 1 8 %       3.3. Testing  and analy s is of  v o ltage s e nsor   The pu rp ose  of mea s ure m ent is to l o ok at  the  pe rforman c of the voltage  sensorby  readi ng the voltage sdifere n ce of powe r  sup p ly vo ltage and voltage  sensor outp u t with fixed load   30 ohm. Voltage is o ne of the inputs to the  fuzzy sup porting fu zzy  output accu ra tion.          Figure 11.  Voltage’ s rea d i ng by a mu ltimeter an d the voltage se n s or          0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 Current   (   A) Load(ohm) Load  ‐ Curr en t   Cur v e using   multimeter using   current   sensor 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 10 15 20 25 30 35 40 45 Voltage   (   V   ) Data   i th Vo l t a g e   Cur v e using   multimeter using   voltage   sensor Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930         TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  32 – 40   38   The accu ra cy  of the experimental data i s  don e as      ƞ         100%        ƞ 0 . 9 7 %     The test re sult on the fixed irradian ce  sh o w s that the measure m ent error of  voltage  sen s o r  and a  multimeteri s  0.97 % and it can b e  co nsi dere d  quite well.      3.4. Testing  and analy s isof boos t con v erter series   The test is ta ken to mea s u r e the po we r effici en cy reg a rdin g to the duty cycle variations.       Tabel1. Volta ge test re sult s on bo ost co nverter  circuit   PWM   Dut y - c y c le   (% )   Vin  (V)   Iin   (A Vout   (V)   Iout   (A Po w e efficie n c y   (% )   11 4.3  0.24  4.92  0.24  93.08   22 8.7  0.26  4.98  0.25  94.32   34 13.4  0.29  5.23  0.26  92.3  38 15  0.31  5.33  0.26  87.03   55 21.6  0.36  5.73  0.29  91.02   78 31  0.46  6.46  0.33  92.10   90 35  0.53  6.87  0.35  90.23   102 40  0.61  7.73  0.37  94.22   115 45  0.71  7.84  0.4  88.38   128 50  0.86  8.48  0.44  87.29   Average  90.97       The average  of powe r  efficiency is o b tai ned by usi ng  the formula :     ƞ P  P  P  x100%     ƞ           100%       ƞ  = 90 .9 7 %        3.5 Testing a nd analy s iso f  MPPT implementa tion    Both powe r m easure m ent s on syste m  wi th and  witho u t  MPPT implementation is f i gure d   in Figure 12.                           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im plem entati on of Maxim u m  Power Point Tracki ng on Photovoltai c  .... (Arton Johan Lubi s)  39                                     Figure 12.  MPPT vs non-MPPT powe r   perfo rman ce         It can be  see n  that the out put power g e nerat e d  by the sola r pa nel s that are co nne cted   to the MPPT system p r od uce s  mo re p o we r than th e sola r p anel s that do n o t use MPPT.  Th e   perfo rman ce  of the output power with M PPT is obtain ed as:        ƞ          x100%       ƞ .   .  . 100%     ƞ 15.9%     The  cal c ulati on  sho w s th at the effici e n cy  of th e p o we r o u tput  of sol a pan els  usi n g   MPPT syste m  is in cre a sed 15.9 %  compa r ed to  non-MPPT system with a  con s tant loa d  of   8.6ohm           Figure 13.  MPPT hard w are impleme n te d in the syste m           25 26 27 28 29 30 1234 56789 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 Power   (   W   ) Number   of   E x periment MPP T  ‐ NON   MPP T   Po w e r MPPT NON   MPPT Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930         TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  32 – 40   40   4. Conclusio n   The impl eme n tation of M PPT usin g fu zzy lo gic  co n t roller i s  p r e s ented. Me asurem ent  and data a n a lysis  sho w   that the pro posed met h o d  can  be ap plied well. The po we r bo ost  conve r ter inp u t and  outp u t are  not  sa m e ; it sh ows  th e presen ce  o f  losse s  d ue t o  the  co nvert e swit chin g pro c e ss. Th e efficien cy boo st conve r te r d e signed i s  abo u t  90.97%.  Test re sults  with  a  power o u tput  of MPPT and non -MPP T with a lo a d  of 8.6 oh m sho w  that  the MPPT power  efficien cy increases 1 5 .9%.      R e ferences:  [1]   K Husse in, I M u ta, T  Hoshino ,  M Osakada.  Maxi mu m phot ovolta ic  p o w e tracking: an al gorith m   fo r   rapi dly cha n g i n g  atmosph e ric  cond itions . Pro c . Inst Elect. Eng. 199 5; 142( 1): 59-64.    [2]   EV Solo dov nik ,  S Liu, RA D oug al Po w e control l er d e si gn for ma ximu m po w e r tr ack i ng i n  so lar   installations.  IEEE Trans. Power Elect . 200 4; 19(5): 12 95- 13 04.   [3]   O W a s y nczuc k . D y n a mic b e havi o r of a cla ss of photov ol taic po w e r s y s t ems.  IEEE Tr ans. Power   Appar at. Syst.   198 3; PAS-102 (9): 3031- 30 37 [4]   Y Z hao,   X  Zha o ,  Y Zh an g MPPT   for pho tovoltaic s y ste m  usin g multi obj ective im pr oved  particl e   s w a rm optim iz ation a l g o rithm .   T E LKOMNIKA Indon esia Journ a of Ele c trical Eng i n e e r ing . 20 14;   12(1): 26 1-2 6 8 .   [5]   M Yaichi, MK Fellah, A Mammeri.   A N eura l  Net w ork  Based MPPT   T e chniqu e Contro ller fo r   Photovo l taic P u mpi ng S y ste m Internation a l Jour nal  of Pow e r Electronics a nd Dr i v e Systems   (IJPEDS) . 201 4; 4(2): 241-2 5 5 [6]   M Algazar a, H Al-Moni erb, HA  El-Halim a, ME Kotb  Salem. Maximum po w e r point  tracking using fuzz y   logic c ontrol.   Internati o n a l Jo urna l of Electri c al Pow e r & Energy Syste m s .  2012; 39( 1): 21-28.   [7]   H Bo un echb a, A Bo uzi d , K  Nabti,  H B ena l l a. C o m par iso n  of  pertur b  &  obs erve  an d f u zz y l ogic  i n   maximum po w e r point tracker for PV sy stem s.  Energy Proc edi a . 201 4; 50: 677-6 84.   [8]   J Kida, K  T o kuda, Y Ishihara,   T   T odaka.  Analysis of DC-D C  converter  for  the maxi mu m pow er poi nt  control of ph ot ovolta ic .  IN T E LEC'91, IEEE Procee din g s. 1 991: 29 1-2 95.   [9]   S Yan, J Yuan, L Xu . F u zz y  lo gic co n t rol of MPPT for photovolt a ic pow er sy stem . Proc.   9 th Internatio nal  Confere n ce o n  F u zz y  S y ste m s and Kno w l edg e Discov e r y . 20 12: 44 8-4 5 [10]   N Pand iara ja n ,  R Muthu.  Mathe m atic al  mo de lin g of p hotovo l taic  mo dul e w i th Simulink . Proc.  Electrical E ner g y  S y stems (IC EES). 2011: 25 8-26 3.  [11]   MH Rashid.  Pow e r Electroni cs: Circuits, Devices a nd Ap plicati ons . Prentice Hall.  F e rnun iversität- Gesamthochsc hul e Hag en i n  German y 198 8.  [12]   T  Esram, PL C hapm an. C o m paris on  of p hot ovolta ic  arr a maximum  po wer p o int track i n g  tech niq ue.  IEEE Trans. E nergy Convers i on . 200 7; 22(2) : 439-44 9.  [13]   S Alsa di, B  Als a yid. M a ximum  po w e po int tr ackin g   sim u lati on for  p hotovo l taic s y stems  u s ing  pertur b   and  obs erve  al gorithm.   Int e rnatio nal  Jo urn a l of E n g i ne eri ng  and  Inn o vat i ve T e ch no logy . 201 2; 2(6) :   80-8 5     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.