TELKOM NIKA , Vol.13, No .1, March 2 0 1 5 , pp. 1~12   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i1.1180        1      Re cei v ed O c t ober 2, 20 14;  Revi se d Ja n uary 4, 2015;  Acce pt ed Jan uary 15, 201 5   Variable Step Size Perturb and Observe MPP T  for PV  Solar Applications      A w a n g Bin J u soh* 1 , Ome r  Jamal Eldin Ibrahim Mohammed 2 , Tole Sutikno 3  1,2  F a cult y  of El ectrical En gin e e rin g , Univers i ti T e knologi Ma l a y s ia   813 10 Jo hor B ahru, Mal a ysia   3 Departme n t of Electrical En gi neer ing, F a cult y of  Industri a l  T e chnolog y, U n iversit a s Ahm ad Da hla n ,  Yog y ak arta 55 164, Ind ones ia   *Corres p o ndi n g  author, em ail :   aw an g@ fke . utm.my 1 , omer.j amal.i brah im@ g mail.c o m 2 , tole@e e.uad. ac.i d 3       A b st r a ct   In ord e r to  d e li ver  max i mu m  output  of p hoto v oltaic  (PV) c e l l s, the  usa g e  o f  maxi mu m po w e r poi n t   tracking (MPP T ) is essential.  T he spee d an d stabil i ty  of the tracking tec h niq ue ar e hig h l y  desire d . Perturb   and O b serve  ( P&O) is on e of  the  most c o mmo n  tracki ng  t e chn i qu es, b u t it suffers fro m  the sl ow  tracking   speed at s m all duty cycle step  and fluctuates w hen subjected with large duty  step, which results  in  higher   losses  und er d y na mic w eath e r  to w h ich the  photov olta ic  (P V) cells  expos ed. In this  pap er, varia b le ste p   si z e  Pertur b an d Observe is  in troduce d  thro u gho ut Matl ab/S i muli nk si mu lati on to ov erco me this pro b l e m to   achi eve h i g her  efficiency, rel i abl e trackin g   accura cy  and  hig her sp ee d  und er fast cha ngi ng w eath e r. In  comparis on w i t h  other v a ria b l e  P&O techni q ues, the  pr op o s ed  meth od fe atures a  dyn a m ic ste p  si z e  f o r  mor e  trackin g  efficiency a n d  accuracy. D oub le d i od e  mo de lli ng is u s ed in th is techni que for b e tter   photov olta ic (P V) cell ’ s  c hara c teristic pr edict ion. In   this  stu d y, the  ad apte d  tech niq u e  h a d  b een  tested   to  w i de rang e of sun irra dia n ce a nd op erati on te mp eratur es.     Ke y w ords : do ubl e dio de  mo dell i n g , PV solar, MPPT , perturb an d obs erv e , matl ab/Si mu link       1. Introduc tion   PV cells  are  recogni se d for havin g no n-line a r  cha r acteri stics. A t  one poi nt, whi c h i s   kno w n  as th e maximum  power p o int  (MPP), the  cells a r e  cap a b le to op erat e at maximu m  efficien cy an d give  the  m a ximum o u tp ut [1]-[4]. Fig u re  1  sh ows  the V-I  and  V - P cha r a c teri stics  of a typical 1 50W PV cell. The V-I  and   V-P ca n b e  di stingui sh ed from ho w th eir  load i s  a pplie d,   either from  sh ort circuit to o pen ci rcuit, i.e. from ze ro l oad s to infinity.              (a)        (b)     Figure 1. V-I and V-P ch aracteri stics of  a  typical 150 W PV cell; (a). V-I (b). V-P       The p o int of  maximum o p e ration  shifts with the  ch a nge s of the  sun i r radia n ce, sola r  panel surfa c e  temperatu r e  and deg re e of the sun i rra dian ce [5]. Figure 2 illu stra tes the V-I and   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 :  1 – 12   2 V - P   ch ar act e rist ic s wit h  re spe c t   t o  sol a r  ir radi an ce  whe n  the te mperature  is fixed. Wh en  the   sola r irradian ce ch ang es,  the point of maximum  shi fts; for example, the PV cell output current  decrea s e s  d r amatically  wh en the  sola r irradia n ce de creases. In Fi g u re  3, it is not icea ble that t he  increa se of PV cell temperature cau s e s  a signific ant drop in the o u tput voltage as well as out put   power.         (a)  (b)     Figure 2. V-I and V-P ch aracteri stics un der  vari able radiation s ; (a ). V-I (b). V-P          (a)  (b)     Figure 3. V-I and V-P ch aracteri stics un der  vari able t e mpe r ature;(a). V-I (b). V-P      2.  PV cell equi v a lent  circuits  The PV  cell  can b e  m odell ed eith er u s in g si ngle  dio d e  for ea se  of  cal c ulatio n, o r  d ouble   diode fo r  better a c cu ra cy, efficien cy an d predi ction  of  the cha r a c teristics du rin g   pa rtial sha d ing   [4],[6].       2.1   PV cell  single diode equiv a lent circuit  As illustrated in Figure 4,  the PV cell  ca n be impl emented by  integrating a current  sou r ce, one  exponential  diode, an d  parall e l-se ri es e quivalen t  resi stan ce,  whe r e V a nd I  rep r e s ent the  terminal voltage and the  current. For certain tem peratu r e an d  irradia n ce, the  output cu rren t of the solar  panel  can b e  cal c ulate d  as  follows:            1      (1)                                            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Variabl e Step Size Perturb and Ob se rve MPPT for PV  Solar Appli c a t ions (A wan g  Bin Jusoh )   3    ,          (2)                                                    Figure 4. Single diod e equ ivalent circuit of Solar cell       2.2 PV cell d ouble diode  equiv a lent circuit  In the d oubl e  diod e  circuit  as sho w n i n  Figu re  5, th e solar cell i s   rep r e s ente d  by two   expone ntial d i ode s. One is  an ideal dio d e , while an other is n o n - ide a l.                                                                                                                               Figure 5.   Dou b le diod e equ ivalent circuit of solar  cell       IN I  I  I  I       (3)                                                                                                       I   I ,  K T T       (4)                                                                                          I  I  e    1       (5)                                                                                                                   I  I  e    1          (6)      I             (7)                                              whe r e    current gene rate d by incide nce light,  ,  seri es a nd shu n t equiva lent  resi st an ce,   ,  diode current,  1 .602 ∗ 1 0   (elect r o n  cha r ge ),  1 .38 ∗ 10  /       ,  cell surfa c e  temperature i n  Kelvin ,   refe ren c e tem perature   in Kelvin, ( 25°C) ,  temp eratu r e co efficient of SC in perce nt chang e per deg re e,   irra dian ce value W/m3 ,   irradian ce nomi nal value (10 00W/m 3 ) ,  number of se rie s   cell s ,  numbe r of parallel ce lls ,    diode q ual ity factor, and   ,   = diode saturation  cu rrent .        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 :  1 – 12   4 3.  Perturb a nd Observ e  (P&O)   Perturb  an d  Observe  is the mo st  com m only u s ed   method i n  p r actice fo r its  simpli city  and e a se of  impleme n tation [7]-[10]. In this m e tho d , the output  voltage of t he solar pan el is  pertu rbe d  pe riodi cally, an d then the o u tput power  is co mpa r ed  to the previous  cycle.  Next,  corre c tive act i on is ta ken t o  enforce the  volt age to move towa rd th e maximum o peratio n outp u t  voltage. The   comp ari s o n  can dete r min e  the po sition   of the op eration poi nt an d  the directio n  of  pertu rbatio n [11]-[14].   In total, there are th ree  positio ns a n d  tw o dire ctio ns involved.  Figure 6 an d  Table 1   demon strate  the po ssi ble  po sitions a nd di re ct ion s  duri ng the   pertu rbatio n  and o b servat ion   pro c e s s an d  also  the  req u i red  actio n  [1 5]-[18] in  ea ch case to  achieve the  ma ximum po we r  output.           Figure 6.   P&O MPPT posi t ioning       Table 1.   P&O  MPPT positioning a nd taken actio n  in e a ch  ca se   Position   Variations  Action    1  0dP  No action taken    2  +dP /+dV   increase V   3  +dP /-dV    decrease V   4  -dP /-dV    increase V  5  -dP /+dV    decrease V       4.  Proposed v a riable step si ze Perturb a nd Observ e    Larg e  step d u ty cycle  has   a fast re spon se but  expe ri ences n o tice able  fluctu ation aro u n d   the point  of  maximum  out put of a PV  module. M e a n whil e, sm all  step  duty cy cle h a s a  slo w er  tracking  spe ed at the start of  operatio n  and  un der  dynamic  wea t her, but results in smoot he r  pertu rbatio n .The vibratio n  of  the large  step an d  the slo w  sp eed o f  asso ciate in  powe r  lo ss a r e   not  de sire d. Benefiting fro m   t he high  speed  of larg e duty cycl e s  an d the  so ft tracki ng of  the  small d u ty cycle, the p r opo se d vari able Pert u r b  and  Ob se rve  method  states that if  the   pertu rbatio n is towa rd  the  maximum po wer p o int, t he duty cycle  is  increa s ed by  multiplicatio n by  a factor (A )  i. e.  ∆ P>0. Ho wev e r,  if  ∆ P<0, the  duty  cycl e  sh ould  be  divide d  b y   (A), in  whi c h  this  facto r   is  a co nsta nt an d greater tha n  1. Fi gu re  7(a)  sho w s the  flow cha r t of the conventio nal   P&O, whe r e fixed du ty incre m en t  is applie d. In Figu re  7(b ) , the  flow  cha r t  of  the  prop osed  techni que  i s   pre s ente d . In compa r i s o n , other  va ri able  P&Os,  as m ention e d in  reference [13], utilize two  different  duty cycles, one i s  relatively la rge, used at the beginni ng of  pertu rbatio n, and the othe r is small, u s ed whe n  the  system  vibra t es  aro und m a ximum power  point.  Thi s  method ha s a  dynami c  st ep size  of  th e duty  cycle,  whi c h i n cre a se s it s  spe ed,  resulting in hi gher effici en cy.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Variabl e Step Size Perturb and Ob se rve MPPT for PV  Solar Appli c a t ions (A wan g  Bin Jusoh )   5   (a)         (b)     Figure 7.   Flowchart of    Perturb a nd Ob serve;   (a ) conv entional (b) M odified   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 :  1 – 12   6 5.  Simulation and Res u lts   Photovoltaic sola r system   con s i s ts of  PV  a rray, switching co nve r ter,  MPPT controlle r  and loa d , whi c h may b e  a  DC lo ad, batt e ry ch arg e r  o r  inverte r . Th e input(s)/ out put(s) of MP PT   controlle r ma y differ from one metho d  to anothe r.  Figure 8  sho w s the block dia g ram of a typical  MP P T  sy st e m .              Figure 8. Solar MPPT System       In this study, a 150 W sola r panel  with the followi ng specifi c ation  was u s ed in th e simulatio n .      Table 2. PV solar pa nel dat a  Parameter Value  Max i mum po wer  (P ma x )   150 W  Voltage at Pmax  (V MP P )   34.5 V  Curre nt at Pma x   (I MP P )  4.35  A  Short circuit curr ent (I SC )   4.75 A  Open circuit voltage (V oc )   40 V  Tempar ature coe fficient of I SC  0.065±0.15 %/° C   Tempar ature coe fficient of V oc  -160±20mV/ °C   Tempar ature coe fficient of pow e r   -0.5±0.05 % /° C   Ideality  factor   1.2      In this  simul a tion, bo ost  co nverter  wa s u s ed  to  fu nctio n  in  co ntinuo us  cu rrent mo de. T h e   values of the  ca pa citor  an d  indu ctor  ha d be en  ca l c ul ated for suita b le rang e of  duty cycl e, a nd  then the  hig h e st valu es  were  cho s en.  Table  3  sh ows the   spe c ification of  the  b oost  co nverte r’s  comp one nts. Switchin g fre quen cy of 40 kHz wa s u s e d  slightly abo ve the audiab le noise.      Table 3.   Boost co nverte r comp one nt specifi c ation   Parameter Value  Sw itching freq ue ncy   40 kHz  Inductor   160 µH   Capacitor   65  µF   Load resistance   1000  Ω   Output voltage  ripple    0.01V      Figure 9  sho w s  the  Simuli nk  mod e l su bsyste m of doubl e diod e  modele d  PV sola r,  whe r e  the  m a thematical  e quation  an d  PV panel  pa ramete rs a r e  re pre s e n ted .  V-I an d V-P  cha r a c teri stics of PV mod u le ha d be en   determin ed t h rou gh o pen  to  short - ci rcui t  test by rangi ng   the output re sistan ce from  zero to infinity.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 9 30       Variabl e Step Size Perturb and Ob se rve MPPT for PV  Solar Appli c a t ions (A wan g  Bin Jusoh )   7     Figure 9.   Simulink  sub s yst e m of PV module       Figure 10  sh ows the V - I  and V-P  ch aracteri stic  un d e r Stand a rd  Test  Con d itio n (ST C ),  w h er e  G= 1 000 W / m 2  and T = 25 °C. Thi s  result was o b tained fro m  the circuit as  sh own in Fig u re  9.           (a)     (b)     Figure 10. V-I and V-P cha r acteri stic u n d e r Standa rd  T e st Co ndition  (STC); (a) V-I  characte ri stic  of PV module (b) V-P characteri stic of P V  module       Figure 11    shows the com p rehensive system blocks  of the solar  module,  Pert urb and  Observe alg o r ithm and the  swit chin g co n v erter.       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 :  1 – 12   8                                                             Figure 11. Simulink m odel  of P&O MPPT system       Figure 12  sh ows the outp u t of  large  step duty cycl e. It had a fast re sp on se  but also   experie nced  notica b le flu c tuation a r ou n d  the p o in t of  maximum  o u tput of a PV  modul e. It took  0.05 m seconds  but stabil i zed  at  0.5 m illi-second. T h e  vibration  of the large step reduced t h e   efficien cy, wh ich was n o t desired.             Figure 1 2 .   (a ) Solar mo dul e output po wer  (b ) Solar  module o u tpu t  voltage    Con d ition: Du ty cycle step  of  0.5V, 25°C, unity irradia n ce       Figure 1 3   sh ows the  outp u t of small  st ep d u ty  cycl e .  The  small  step duty  cycl e ha d a   slo w er tracki ng sp eed at  the st art of operation an d unde r dyn a mi c weathe r, but resulte d  in  smooth e r  perturbation i n  changi ng weat her   at 2 5 ° C   and u n ity irra dian ce .  Figu re 14    show s  t h e  output of the  variabl e ste p  duty cy cle  P&O at  25 ° C  an d u n ity irra dian ce. It wa s o b serv ed   fluctuating at the beginni ng  of t he operation but then rapidly settling .  In compari s on to the sa me  input a s  appl ied in the p r evious  conve n tional P&O,   the variabl e P&O settled  after 0.025  milli- se con d .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Variabl e Step Size Perturb and Ob se rve MPPT for PV  Solar Appli c a t ions (A wan g  Bin Jusoh )   9       Figure 1 3 .   Output of small  step duty cycle; (a) Sola r module o u tpu t  power  (b) S o lar mo dule  output voltag e - con d ition: duty cycle st e p  of 0.05V, 25°C, unity irra dian ce           Figure 14.   Plot of   (a) Solar module outp u t powe r   (b)  Solar mod u le  output voltage   Con d ition: Variable d u ty cycl e, 25° C, uni ty irradian ce       Figure 15  sh ows the  outp u t of  conventi onal  P&O  when  usin g la rge d u ty cycle ,   at 25° C  and vari able  irra dian ce.  It was obvio us that t he  system flu c tuated d r ama t ically with a n y   irra dian ce ch ange. Thi s  fluctuatio n wa s  asso ciate d  with powe r  l o sse s . Figure 16    sho w s  t h e  output of co n v entional P&O wh en u s in g small  duty cy cle, at 25 ° C  an d varia b l e  irradian ce.  Here,  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 :  1 – 12   10   the sy stem fl uctuatio n  wa s le ss ha rsh  with a n y irrad i ance  chan ge . Ho wever, th e tra cki ng  sp eed   wa s slo w e r , in whi c h the p o we r lost un d e r ch angi ng  weath e r.           Figure 15.   Plot of   (a) Solar module outp u t powe r   (b)  Solar mod u le  output voltage   Con d ition: Du ty cycle step  of 0.5V , 25°C, variable irra dian ce input           Figure 16.   Plot of   (a) Solar module outp u t powe r   (b)  Solar mod u le  output voltage   con d ition: dut y cycle step o f  0.05V, 25°C, variable irra dian ce input       As sho w n in  Figure 17, under fa st we ather  chan ge , variable P&O delivere d  the be st  perfo rman ce,  ben efiting fro m  the  high   sp eed  du ring   th e first sta g e  o f  pertu rbatio n  and  fine  tuni ng   arou nd the p eak p o wer po int .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.