T E L K O M N I K A ,   V o l . 9 ,   N o . 1 ,   A p r i l   2 0 1 1 ,   p p .   1 8 3 ~ 1 9 0   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0         1 8 3       R e c e i v e d   F e b r u a r y   1 4 th ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   A p r i l   1 5 th ,   2 0 1 1 ;   A c c e p t e d   A p r i l   2 3 th ,   2 0 1 1   D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l   f o r   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r         A h m a d   S a u d i   S a m o s i r * 1 ,   T o l e   S u t i k n o 2 ,   A b d u l   H a l i m   M o h d   Y a t i m 3   1 D e p a r t m e n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t a s   L a m p u n g   J l n .   Pr o f   Su m a n t r i   Br o j o n e g o r o ,   Ba n d a r   L a m p u n g ,   3 5 1 4 5 ,   I n d o n e s i a ,   Ph . / F a x :   + 6 2   7 2 1 - 7 0 1 6 0 9 / 7 0 2 7 6 7   2 D e p a r t m e n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t a s   A h m a d   D a h l a n   ( U AD )   J l n .   Pr o f .   So e p o m o ,   J a n t u r a n ,   Y o g y a k a r t a   5 5 1 6 4 ,   I n d o n e s i a ,   Ph . / F a x :   + 6 2   2 7 4 - 3 7 9 4 1 8 / 3 8 1 5 2 3   3 D e p a r t m e n t   o f   En e r g y   C o n v e r s i o n ,   U n i v e r s i t i   T e k n o l o g i   M a l a y s i a   ( U T M )   F KE - U T M ,   Sk u d a i ,   8 1 3 1 0   J o h o r ,   M a l a y s i a ,   Ph . / F a x :   + 6 0 7 - 5 5 3 5 2 0 0 / 5 5 6 6 2 7 2   e - m a i l :   s a u d i @ i e e e . o r g * 1 ,   t h s u t i k n o @ i e e e . o r g 2 ,   h a l i m @ i e e e . o r g 3       A b s t r a k   Se l   b a h a n   b a k a r   a d a l a h   s u m b e r   e n e r g i   a l t e r n a t i f   b a r u   y a n g   m e m i l i k i   p r o s p e k   y a n g   b a i k   u n t u k   p e m b a n g k i t a n   e n e r g i   l i s t r i k   t e r d i s t r i b u s i   d a n   a p l i k a s i   k e n d a r a a n   l i s t r i k .   N a m u n ,   s e l   b a h a n   b a k a r   m e m p u n y a i   r e s p o n   y a n g   l a m b a t   d i s e b a b k a n   r e s p o n   e l e k t r o d i n a m i k   d a n   t e r m o d i n a k m i k   i n t e r n a l .   U n t u k   m e n g o p t i m a s i   k i n e r j a   d a r i   s i s t e m   s e l   b a h a n   b a k a r ,   d i p e r l u k a n   s e b u a h   k o n v e r t e r   D C   k e   D C   u n t u l   s e l   b a h a n   b a k a r   d e n g a n   p e n g e n d a l i   y a n g   s e s u a i   y a n g   d a p a t   m e r e g u l a s i   a l i r a n   d a y a   d a n   s e c a r a   o t o m a t i k   m e n g a t u r   t e g a n g a n   k e l u a r a n   k o n v e r t e r .   Pa p e r   i n i   m e n g u s u l k a n   s e b u a h   t e k n i k   k e n d a l i   b a r u   u n t u k   k o n v e r t e r   d a y a   D C   k e   D C   s e l   b a h a n   b a k a r .   D i l a k u k a n   d e s a i n   d a r i   m e t o d a   k o n t r o l   y a n g   d i u s u l k a n .   S e b u a h   p e n d e k a t a n   b a r u   u n t u k   s i n t e s a   p e n g e n d a l i   k o n v e r t e r   b e r b a s i s   t e o r i   p e n g e n d a l i   e v o l u s i   d i n a m i k   d i   p a p a r k a n .   Pa d a   p a p e r   i n i   d i d i s k u s i k a n   c o n t o h   s i n t e s a   p e n g e n d a l i   k o n v e r t e r   D C   k e   D C   t i p e   b o o s t .   K i n e r j a   d a r i   p e n g e n d a l i   e v o l u s i   d i n a m i k   y a n g   d i u s u l k a n   d i s i m u l a s i k a n   m e n g g u n a k a n   M a t l a b - Si m u l i n k   u n t u k   k o n d i s i   p e r u b a h a n   b e b a n .   H a s i l   s i m u l a s i   m e n u n j u k k a n   b a h w a   t e k n i k   y a n g   d i u s u l k a n   a d a l a h   b e r k e m a m p u a n   u n t u k   m e n g e n d a l i k a n   k o n v e r t e r   D C   k e   D C   s e l   b a h a n   b a k a r .       K a t a   k u n c i :   b o o s t ,   k o n v e r t e r   D C   k e   D C ,   p e n g e n d a l i   e v o l u s i   d i n a m i k ,   s e l   b a h a n   b a k a r       A b s t r a c t   F u e l   c e l l s   a r e   n e w   a l t e r n a t i v e   e n e r g y   r e s o u r c e   t h a t   h a s   a   g r e a t   p r o m i s e   f o r   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   a n d   e l e c t r i c   v e h i c l e   a p p l i c a t i o n .   H o w e v e r ,   f u e l   c e l l s   h a v e   a   s l o w   r e s p o n s e   d u e   t o   t h e i r   s l o w   i n t e r n a l   e l e c t r o m e c h a n i c a l   a n d   t h e r m o d y n a m i c   r e s p o n s e .   T o   o p t i m i z e   t h e   f u e l   c e l l   s y s t e m   p e r f o r m a n c e ,   a   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r   w i t h   a n   a p p r o p r i a t e   c o n t r o l l e r   w h i c h   c a n   r e g u l a t e   t h e   p o w e r   f l o w   a n d   a u t o m a t i c a l l y   a d j u s t   t h e   c o n v e r t e r   o u t p u t   v o l t a g e   i s   n e e d e d .   T h i s   p a p e r   p r o p o s e s   a   n e w   c o n t r o l   t e c h n i q u e   f o r   f u e l   c e l l   D C - D C   p o w e r   c o n v e r t e r .   D e s i g n   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n t r o l   m e t h o d   f o r   f u e l   c e l l   D C - D C   p o w e r   c o n v e r t e r   i s   p r o v i d e d .   n e w   a p p r o a c h   f o r   c o n v e r t e r   c o n t r o l l e r s   s y n t h e s i s   b a s e d   o n   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   t h e o r y   i s   p r e s e n t e d .   I n   t h i s   p a p e r ,   s y n t h e s i s   e x a m p l e   o f   b o o s t   D C - D C   c o n v e r t e r   i s   d i s c u s s e d .   Pe r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   u n d e r   s t e p   l o a d   v a r i a t i o n   c o n d i t i o n   i s   s i m u l a t e d   u n d e r   M a t l a b - Si m u l i n k   e n v i r o n m e n t .   Si m u l a t i o n   r e s u l t s   s h o w   t h a t   t h e   p r o p o s e d   t e c h n i q u e s   a r e   c a p a b l e   f o r   c o n t r o l l i n g   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r .     K e y w o r d s :   b o o s t ,   D C - D C   C o n v e r t e r ,   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l ,   f u e l   c e l l       1 .     I n t r o d u c t i o n   D u e   t o   e c o n o m i c   p r o b l e m s   a n d   d e p l e t i o n   o f   w o r l d   f o s s i l   f u e l   s u p p l i e s ,   r e n e w a b l e   e n e r g y   d e v e l o p m e n t   f o r   p o w e r   g e n e r a t i o n   r e c e i v e d   m a n y   a t t e n t i o n s .   F u e l   c e l l s   a r e   o n e   o f   t h e   a l t e r n a t i v e   e n e r g y   r e s o u r c e s   t h a t   h a v e   r e c e n t l y   a t t r a c t e d   a   g r e a t   d e a l   o f   a t t e n t i o n .   F u e l   c e l l   i s   a   d e v i c e   t h a t   c o n v e r t s   t h e   c h e m i c a l   e n e r g y   o f   a   f u e l   d i r e c t l y   t o   e l e c t r i c a l   e n e r g y .   F u e l   c e l l   h a s   h i g h e r   e n e r g y   s t o r a g e   c a p a b i l i t y   a n d   i s   a   c l e a n   e n e r g y   s o u r c e   [ 1 - 4 ] .   F u e l   C e l l   c a n   s e r v e   a s   a n   e m e r g e n c y   e n e r g y   s o u r c e   d u r i n g   l o n g - t e r m   p o w e r   o u t a g e s .   F u e l   c e l l s   c a n   b e   u s e d   a s   a   p o r t a b l e   p o w e r   s y s t e m .   T h e   f u e l   c e l l s   a r e   u s e   i n   e v e r y   a s p e c t   b e c a u s e   o f   t h e i r   c l e a n   a n d   e f f i c i e n t   w a y   o f   s u p p l y i n g   e l e c t r i c   p o w e r .   T h e   f u e l   c e l l s   a r e   u s e d   i n   t h e   s t a n d a l o n e   p u r p o s e s   a t   h o m e s ,   h o s p i t a l s ,   i n d u s t r i e s   a n d   n o w   a r e   u s e   i n   n u m e r o u s   v e h i c l e s .   C o m p a r e d   w i t h   a n y   o t h e r   e n e r g y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 1   :     1 8 3     1 9 0   1 8 4 p r o d u c t i o n   t e c h n o l o g y ,   t h e   f u e l   c e l l s   h a v e   a   w i d e r   r a n g e   o f   a p p l i c a t i o n s .   T h e i r   p o t e n t i a l   a p p l i c a t i o n   r a n g e s   f r o m   s y s t e m s   o f   a   f e w   w a t t s   t o   m e g a w a t t s .     A m o n g   t h e   v a r i o u s   t y p e s   o f   f u e l   c e l l ,   P r o t o n   e x c h a n g e   m e m b r a n e   ( P E M )   f u e l   c e l l   i s   t h e   m o s t   p o p u l a r .   P E M   f u e l   c e l l s   s h o w   g r e a t   p r o m i s e   f o r   u s e   i n   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   e l e c t r i c   v e h i c l e   a p p l i c a t i o n s .   C o m p a r e d   w i t h   o t h e r   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   t e c h n o l o g i e s ,   s u c h   a s   w i n d   a n d   p h o t o v o l t a i c   ( P V )   g e n e r a t i o n ,   P E M   f u e l   c e l l s   h a v e   t h e   a d v a n t a g e   t h a t   t h e y   c a n   b e   p l a c e d   a n y w h e r e   w i t h i n   t h e   d i s t r i b u t i o n   s y s t e m ,   w i t h o u t   g e o g r a p h i c   l i m i t a t i o n s ,   t o   a c h i e v e   t h e   b e s t   p e r f o r m a n c e .   I n   e l e c t r i c   v e h i c l e s   a p p l i c a t i o n ,   t h e   i n c r e a s e d   d e s i r e   f o r   v e h i c l e s   w i t h   l e s s   e m i s s i o n   h a s   m a d e   P E M   f u e l   c e l l s   a t t r a c t i v e   f o r   v e h i c u l a r   a p p l i c a t i o n s   s i n c e   t h e y   a r e   e s s e n t i a l l y   n o   p o l l u t a n t s   e m i s s i o n   a n d   h a v e   h i g h - p o w e r   d e n s i t y   a n d   q u i c k   s t a r t   [ 5 - 8 ] .     P E M   f u e l   c e l l s   a r e   g o o d   e n e r g y   s o u r c e s   t o   p r o v i d e   r e l i a b l e   p o w e r   a t   s t e a d y   s t a t e ,   b u t   t h e y   h a v e   a   s l o w   r e s p o n s e .   T h i s   i s   m a i n l y   d u e   t o   t h e i r   s l o w   i n t e r n a l   e l e c t r o c h e m i c a l   a n d   t h e r m o d y n a m i c   r e s p o n s e s   [ 9 - 1 1 ] .   I n   o r d e r   t o   o p t i m i z e   t h e   f u e l   c e l l   s y s t e m   p e r f o r m a n c e ,   a   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r s   i s   n e e d e d   t o   d e v e l o p   f o r   v a r i o u s   a p p l i c a t i o n s .   A n o t h e r   i m p o r t a n t   i s s u e   i s   t h e   n e e d   f o r   a p p r o p r i a t e   c o n t r o l   o f   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r   w h i c h   c a n   r e g u l a t e     t h e   p o w e r   f l o w     a n d   a u t o m a t i c a l l y   a d j u s t   o u t p u t   v o l t a g e   o f   t h e   c o n v e r t e r s   t o   a v o i d   r a p i d   l o a d     v o l t a g e     v a r i a t i o n s ,     w h i c h   m a y     l e a d     t o     a     r e d u c t i o n     o f     t h e   p o w e r   q u a l i t y   o f   t h e     s y s t e m .     B a s e d   o n   t h e   a b o v e   i s s u e s ,   t h i s   p a p e r   p r o p o s e s   a n   a p p r o a c h   f o r   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r   c o n t r o l l e r   u s i n g   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l .   T h e   c o n t r o l l e r s   s y n t h e s i s   b a s e d   o n   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   t h e o r y   i s   p r e s e n t e d .   T h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   e x p l o i t s   t h e   n o n - l i n e a r i t y   a n d   t i m e - v a r y i n g   p r o p e r t i e s   o f   t h e   s y s t e m   t o   m a k e   i t   a   s u p e r i o r   c o n t r o l l e r .   A   c o m p r e h e n s i v e   s i m u l a t i o n   a n a l y s i s   w a s   c o n d u c t e d   t o   v e r i f y   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   c o n t r o l l e r .   T h e   s t e a d y - s t a t e   a n d   t r a n s i e n t   r e s p o n s e   o f   t h e   s y s t e m   i s   i n v e s t i g a t e d .         2 .   D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l l e r   D e s i g n   f o r   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r   2 . 1   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r   S y s t e m   M o d e l     A   v a l i d   m o d e l   f o r   f u e l   c e l l   a n d   D C - D C   C o n v e r t e r   i s   i n t r o d u c e d   i n   [ 1 2 ] .   C i r c u i t   o f   t h i s   m o d e l   i s   i l l u s t r a t e d   i n   F i g u r e   1 .   T h e   c i r c u i t s   c o n s i s t   o f   a   f u e l   c e l l   g e n e r a t o r ,   t h e   b o o s t   D C - D C   c o n v e r t e r   a n d   l o a d .   U s i n g   b o o s t   D C - D C   c o n v e r t e r ,   t h e   p r o v i d e d   o u t p u t   v o l t a g e   t o   t h e   l o a d   c a n   b e   r e g u l a t e d   t o   t h e   r e q u i r e d   v o l t a g e .   T h e   o u t p u t   v o l t a g e   c a n   b e   c o n t r o l l e d   b y   c h a n g e   t h e   d u t y   c y c l e   ( d )   o f   b o o s t   D C - D C   c o n v e r t e r .           F i g u r e   1 .     C i r c u i t   m o d e l   o f   F u e l   C e l l   a n d   D C - D C   C o n v e r t e r       T h e   c i r c u i t   o f   s y s t e m   i n   F i g u r e   1   c a n   b e   a n a l y z e d   b a s e d   o n   t h e   b o o s t   c o n v e r t e r   s w i t c h   c o n d i t i o n .   W h e n   t h e   s w i t c h   i s   c l o s e d ,   t h e   d i o d e   i s   r e v e r s e d   b i a s .   F i g u r e   2   s h o w s   t h e   e q u i v a l e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l   f o r   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r   ( A h m a d   S a u d i   S a m o s i r )   1 8 5   c i r c u i t   o f   s y s t e m   w h e n   t h e   s w i t c h   i s   c l o s e d .     K i r c h h o f f s   v o l t a g e   l a w   a r o u n d   t h e   p a t h   c o n t a i n i n g   t h e   F u e l   C e l l ,   i n d u c t o r ,   a n d   c l o s e d   s w i t c h   i s           L F C V V =                   ( 1 )     W h e n   t h e   s w i t c h   i s   o p e n e d ,   t h e   i n d u c t o r   c u r r e n t   c a n n o t   c h a n g e   i n s t a n t l y ,   s o   t h e   d i o d e   b e c o m e s   f o r w a r d   b i a s e d   t o   p r o v i d e   a   p a t h   f o r   i n d u c t o r   c u r r e n t .   F i g u r e   3   s h o w s   t h e   e q u i v a l e n t   c i r c u i t   o f   s y s t e m   w h e n   t h e   s w i t c h   i s   o p e n e d .   A s s u m i n g   t h a t   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   V O   i s   a   c o n s t a n t ,   t h e   v o l t a g e   a c r o s s   t h e   i n d u c t o r   i s           L i n O V V V = -                   ( 2 )             F i g u r e   2 .     E q u i v a l e n t   c i r c u i t   o f   s y s t e m   w h e n   t h e   s w i t c h   i s   c l o s e d     F i g u r e   3 .     E q u i v a l e n t   c i r c u i t   o f   s y s t e m   w h e n   t h e   s w i t c h   i s   o p e n e d       T h e   a v e r a g e   i n d u c t o r   v o l t a g e   m u s t   b e   z e r o   f o r   p e r i o d i c   o p e r a t i o n .   E x p r e s s i n g   t h e   a v e r a g e   i n d u c t o r   v o l t a g e   o v e r   o n e   s w i t c h i n g   p e r i o d ,       ( ) ( 1 ) ( ) 0 L i n i n O V D V D V V = - - - =             ( 3 )     S o l v i n g   f o r   V O   y i e l d s         1 i n O V V D = -                   ( 4 )     T h e   a v e r a g e   d u t y   c y c l e ,   D ,   i s   d e f i n e d   a s   t h e   t i m e   r e l a t i o n s h i p   t h a t   t h e   s w i t c h   i s   o n   r e l a t i v e   t o   t h e   t o t a l   s w i t c h i n g   p e r i o d .     F r o m   ( 4 )   a t   s t e a d y   s t a t e   i t   c a n   b e   v e r i f i e d   t h a t   t h e   g a i n   r a t i o   b e t w e e n   o u t p u t   a n d   i n p u t   v o l t a g e   b e c o m e s :       1 1 O i n V M V D = = -                 ( 5 )       2 . 2   S y n t h e s i s   o f   D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l l e r   f o r   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r   T h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   t h e o r y   h a s   b e e n   d e s c r i b e d   i n   r e f e r e n c e   [ 3 ]   a n d   [ 4 ] .   I n   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l ,   t h e   d y n a m i c   c h a r a c t e r i s t i c   o f   s y s t e m   i s   f o r c e d   t o   m a k e   e v o l u t i o n   b y   f o l l o w i n g   a n   e v o l u t i o n   p a t h .   W i t h   t h e   s e l e c t e d   e v o l u t i o n   p a t h   i s   a n   e x p o n e n t i a l   f u n c t i o n   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ,   t h e   v a l u e   o f   t h e   d y n a m i c   c h a r a c t e r i s t i c   o f   s y s t e m   w i l l   d e c r e a s e   e x p o n e n t i a l l y   t o   z e r o   b y   e q u a t i o n         . m t Y Y o e - =                   ( 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 1   :     1 8 3     1 9 0   1 8 6 w h e r e ,   Y   i s   t h e   d y n a m i c   c h a r a c t e r i s t i c   o f   s y s t e m ,   Y O   i s   t h e   i n i t i a l   v a l u e   o f   Y ,   a n d   m   i s   a   d e s i g n   p a r a m e t e r   s p e c i f y i n g   t h e   r a t e   o f   e v o l u t i o n .             F i g u r e   4 .     D y n a m i c   E v o l u t i o n   p a t h       T h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   f u n c t i o n   o f   t h i s   c o n t r o l l e r   c a n   b e   w r i t t e n   a s         0 ,               0 d Y m Y m d t + = >               ( 7 )     S y n t h e s i s   p r o c e s s   i s   d o n e   t o   o b t a i n   t h e   c o n t r o l   l a w   t h a t   g u a r a n t e e s   t h e   d y n a m i c   c h a r a c t e r i s t i c   o f   s y s t e m   d e c r e a s e   t o   z e r o   b y   f o l l o w i n g   t h e   e v o l u t i o n   p a t h .     I n   c a s e   f u e l   c e l l   b o o s t   D C - D C   c o n v e r t e r ,   t h i s   c o n t r o l   l a w   c o r r e s p o n d s   t o   t h e   d u t y   c y c l e   e q u a t i o n   o f   t h e   c o n v e r t e r .     T h i s   d u t y   c y c l e   e q u a t i o n   α ( v O , V g , i L ) ,   r e p r e s e n t s   α   a s   a   f u n c t i o n   o f   t h e   s t a t e   v O ,   V g   a n d   i L .   T h e   d u t y   c y c l e   e q u a t i o n   α ( v O , V g , i L )   i s   o b t a i n e d   b y   a n a l y z e d   a n d   s u b s t i t u t e d   t h e   d y n a m i c   e q u a t i o n   o f   t h e   c o n v e r t e r   s y s t e m   i n t o   t h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   f u n c t i o n   ( 7 ) .     B a s e d   o n   t h e   s t a t e - s p a c e   a v e r a g e   m o d e l ,   t h e   d y n a m i c s   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t   o f   t h e   f u e l   c e l l   b o o s t   D C - D C   c o n v e r t e r   a r e   g i v e n   b y       [ ] . 1 L F C O d i V L v d d t = + -               ( 8 )       [ ] . 1   O O L d v v C i d d t R = - -               ( 9 )     w h e r e   L   i s   t h e   i n d u c t a n c e ,   C   t h e   c a p a c i t a n c e ,   R   t h e   l o a d   r e s i s t a n c e ,   F C V   t h e   f u e l   c e l l   v o l t a g e ,   L i   t h e   i n d u c t o r   c u r r e n t ,   O v   t h e   o u t p u t   v o l t a g e ,   a n d   d   t h e   d u t y   c y c l e ,   r e s p e c t i v e l y .     R e a r r a n g i n g   ( 6 ) ,   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   o f   c o n v e r t e r   c a n   b e   w r i t t e n   a s :       . L O F C O d i v V v d L d t = + -                 ( 1 0 )     T h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   s y n t h e s i s   o f   t h e   c o n t r o l l e r   b e g i n s   b y   d e f i n i n g   t h e   s t a t e   e r r o r   f u n c t i o n   ( Y ) .   I n   p o w e r   e l e c t r o n i c   a p p l i c a t i o n ,   Y   c a n   b e   s e l e c t e d   a s   a   f u n c t i o n   o f   e r r o r   v o l t a g e   o r   e r r o r   c u r r e n t .   R e f e r   t o   [ 3 ] ,   w i t h   t h e   s e l e c t e d   Y   i s   a   l i n e a r   f u n c t i o n   o f   e r r o r   v o l t a g e   a s   ( 1 1 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l   f o r   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r   ( A h m a d   S a u d i   S a m o s i r )   1 8 7     . e r r Y k v =                   ( 1 1 )     t h e   o b t a i n e d   d u t y   c y c l e   d   i s   g i v e n   b y :     ( 1 ) e r r L e r r r e f F C O d v d i k m k v L V V d t d t d v + - + + - =             ( 1 2 )     T h e   e x p r e s s i o n   f o r   d u t y   c y c l e   α   i s   t h e   c o n t r o l   a c t i o n   f o r   t h e   c o n v e r t e r   c o n t r o l l e r .   D u t y   c y c l e   e q u a t i o n   ( 1 2 )   f o r c e s   t h e   s t a t e   e r r o r   f u n c t i o n   Y   t o   m a k e   e v o l u t i o n   b y   f o l l o w i n g   e q u a t i o n   ( 6 )   a n d   d e c r e a s e   t o   z e r o   w i t h   a   d e c r e a s e   r a t e   m .     F r o m   ( 1 2 ) ,   w e   c a n   a l s o   s e e   t h a t   t h e   f u e l   c e l l   v o l t a g e ,   o u t p u t   v o l t a g e   a n d   i n d u c t o r   c u r r e n t   a r e   i n v o l v e d   i n   c o n t r o l   o u t p u t .   T h e   a d v a n t a g e   i s   t h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   c a n   c o m p e n s a t e   a l l   o f   v a r i a t i o n   i n   t h e   f u e l   c e l l   v o l t a g e   a n d   o u t p u t   v o l t a g e   a l s o   t h e   c h a n g e   o f   i n d u c t o r   c u r r e n t .   I t   c o n t r i b u t e s   t o   t h e   b e t t e r   d y n a m i c   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   c o n t r o l l e d   s y s t e m .   H e n c e   t h e   v o l t a g e   o u t p u t   o f   c o n v e r t e r   c o n v e r g e s   t o   t h e   c o n v e r t e r s   s t e a d y   s t a t e :       O r e f v V =                     ( 1 3 )       3 .   R e s e a r c h   M e t h o d   A   c o m p l e t e   f u e l   c e l l   a n d   D C - D C   c o n v e r t e r   s y s t e m   w i t h   t h e   p r o p o s e d   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   w a s   m o d e l l e d   a n d   s i m u l a t e d   u s i n g   M A T L A B / S i m u l i n k   s i m u l a t i o n   p a c k a g e .   O v e r a l l   S i m u l i n k   m o d e l   o f   t h e   f u e l   c e l l   s y s t e m   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 .   I n   t h i s   w o r k ,   a   6 5 k W ,   4 5 V   P E M   F u e l   C e l l   s t a c k   i s   u s e d   a s   p o w e r   s o u r c e .   N o m i n a l   p a r a m e t e r s   o f   t h e   u s e d   f u e l   c e l l   s t a c k   i n   t h e   s i m u l a t i o n   a r e   g i v e n   i n   T a b l e   1 .       6   k W   4 5   V d c   F u e l   C e l l   S t a c k   C o n t i n u o u s p o w e r g u i v + - o u t T o   W o r k s p a c e S w i t c h S c o p e 2 S c o p e 1 R a m p 1 g 1 2 F u e l F r m + - m + - F u e l F r F u e l   C e l l   S t a c k r a m p F r _ r e g _ i n R a m p _ F r S w F r _ r e g _ o u t F l o w   r a t e   s e l e c t o r C u r r e n t f l o w   r a t e F l o w   r a t e   r e g u l a t o r +   F C -   F C + - D C / D C   C o n v e r t e r i + - >   8 C l o c k < V o l t a g e > < C u r r e n t > D C   b u s   v o l t a g e D C   b u s   c u r r e n t < U t i l i z a t i o n   ( % )   [ O 2 ( Y e l l o w ) ;   H 2 ( M a g e n t a ) ] > < S t a c k   E f f i c i e n c y   ( % ) > < S t a c k   c o n s u m p t i o n   ( l p m )   [ A i r ( Y e l l o w ) ;   F u e l ( M a g e n t a ) ] > F u e l   f l o w   r a t e   ( l p m )     F i g u r e   5 .     O v e r a l l   S i m u l i n k   m o d e l   o f   t h e   f u e l   c e l l   s y s t e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 1   :     1 8 3     1 9 0   1 8 8 T a b l e   1 .   F u e l   C e l l   N o m i n a l   P a r a m e t e r s   P a r a m e t e r   V a l u e   S t a c k   P o w e r :               N o m i n a l               M a x i m a l     5 9 9 8 . 5   W   8 3 2 5         W   F u e l   C e l l   R e s i s t a n c e   0 . 0 7 8 3 3   o h m s   N e r s t   v o l t a g e   o f   o n e   c e l l   ( E n )   1 . 1 2 8 8     V   N o m i n a l   U t i l i z a t i o n :             H y d r o g e n   ( H 2 )             O x i d a n t     ( O 2 )     9 9 . 5 6   %   5 9 . 3       %   N o m i n a l   C o n s u m p t i o n :             F u e l               A i r         6 0 . 3 8   s l p m   1 4 3 . 7   s l p m   E x c h a n g e   c u r r e n t   0 . 2 9 1 9 7   A   E x c h a n g e   c o e f i c i e n t   0 . 6 0 6 4 5       0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 ( 2 2 5 , 3 7 ) S t a c k   v o l t a g e   v s   c u r r e n t V o l t a g e   ( V ) C u r r e n t ( A ) 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 0 2 4 6 8 1 0 ( 8 . 3 2 5 k W ) S t a c k   p o w e r   v s   c u r r e n t P o w e r   ( k W ) C u r r e n t ( A )   F i g u r e   6 .     V - I   a n d   P - I   C h a r a c t e r i s t i c   o f   t h e   u s e d   F u e l   C e l l     0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 D e m a n d e d   L o a d   C u r r e n t t im e   ( t ) C u rr e n t   (A )     F i g u r e   7 .     T h e   d e m a n d e d   L o a d   C u r r e n t           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l   f o r   F u e l   C e l l   D C - D C   C o n v e r t e r   ( A h m a d   S a u d i   S a m o s i r )   1 8 9   0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 F u e l   C e l l   V o l t a g e F u e l   C e l l   V o l t a g e   a n d   C u r r e n t 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 t i m e   ( s ) F u e l   C e l l   C u r r e n t     F i g u r e   8 .     V o l t a g e   a n d   C u r r e n t   o f   F u e l   C e l l       0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 0 5 0 1 0 0 1 5 0 V o l t a g e     O u t p u t   a n d   C u r r e n t O u t p u t   V o l t a g e   ( V ) 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 t i m e   ( s ) O u t p u t   C u r r e n t   ( A )     F i g u r e   9 .     O u t p u t   V o l t a g e   a n d   L o a d   C u r r e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   1 ,     A p r i l   2 0 1 1   :     1 8 3     1 9 0   1 9 0 I n   t h i s   w o r k ,   t h e   p e r f o r m a c e   o f   f u e l   c e l l   c o n v e r t e r   s y s t e m   i s   t e s t e d   u n d e r   s t e p   l o a d   c h a n g e   c o n d i t i o n .   T h i s   t e s t   a i m s   t o   s e e   t h e   a b i l i t y   o f   t h e   f u e l   c e l l   c o n v e r t e r   t o   r e g u l a t e   o u t p u t   v o l t a g e   d u r i n g   a   s u d d e n   l o a d   c h a n g e   c o n d i t i o n .   H e r e   t h e   s i t u a t i o n   w h e r e   t h e   i n i t i a l   l o a d   i s   s e t   t o   2 0 A .   A t   t i m e   i s   8   s e c o n d ,   t h e   l o a d   d e m a d   i s   s u d e n t l y   c h a n g e s   t o   4 0 A .   T h i s   l o a d   c h a n g e   c o n d i t i o n   i s   d o n e   b y   c l o s i n g   t h e   l o a d   s w i t c h   o n   t h e   s i m u l a t i o n   m o d e l .   T h e   c o n t r o l   g o a l   i s   t o   r e g u l a t e   o u t p u t   v o l t a g e ,   V O = 1 0 0 V .     T h e   r e f e r e n c e   v o l t a g e   i s   s e t   a t   1 0 0 V   d u r i n g   t h e   o p e r a t i o n .         4 .   S i m u l a t i o n   R e s u l t   A   c o m p r e h e n s i v e   s i m u l a t i o n   a n a l y s i s   w a s   c o n d u c t e d   t o   v e r i f y   t h e   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r   s y s t e m   p e r f o r m a n c e .   T h e   p e r f o r m a n c e   o f   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   u n d e r   s t e p   l o a d   c o n d i t i o n   i s   t e s t e d   t h r o u g h   s i m u l a t i o n   b y   u s i n g   M A T L A B   S I M U L I N K .   T h e   V - I   a n d   P - I   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   t h e   u s e d   f u e l   c e l l   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   6 ,   w h e r e a s   t h e   d e m a n d e d   l o a d   c u r r e n t   f o r   a   p e r i o d   o f   t i m e   i s   i n   F i g u r e   7 .   T h e   s i m u l a t i o n   w a v e f o r m   o f   f u e l   c e l l   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   8 ,   w h i l e   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   a n d   l o a d   c u r r e n t   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   9 .   T h e   s i m u l a t i o n   w a v e f o r m   s h o w n   t h a t   w h e n   t h e   s t e p   l o a d   c h a n g e s   c o n d i t i o n   o c c u r e d ,   t h e   f u e l   c e l l   a n d   l o a d   c u r r e n t   a r e   i n c r e a s e ,   b u t   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   i s   s t i l l   m a i n t a i n   i n   t h e   s a m e   l e v e l .   T h i s   c o n d i t i o n   i n d i c a t e s   t h a t   t h e   c o n t r o l l e r s   a c c o m p l i s h   t o   r e g u l a t e   t h e   c o n v e r t e r   o u t p u t   v o l t a g e   k e e p   o n   s t e a d y - s t a t e   a t   1 0 0 V   r e f e r e n c e .   I n   t h e   p r e v i o u s   r e s e a r c h   [ 3 ] ,   [ 4 ] ,   t h e   c o n t r o l l e r   a l s o   h a s   s u c c e s s f u l l y   c o n t r o l l e d   b i d i r e c t i o n a l   D C - D C   c o n v e r t e r   f o r   i n t e r f a c i n g   u l t r a c a p a c i t o r   e n e r g y   s t o r a g e   t o   f u e l   c e l l   s y s t e m .   T h e r e f o r e ,   t h e   c o n t r o l l e r   c a n   b e   e m p l o y e d   a s   a l t e r n a t i v e   c o n t r o l   f o r   D C - D C   c o n v e r t e r .       5 .   C o n c l u s i o n   T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   f o r   f u e l   c e l l   D C - D C   c o n v e r t e r .   T h e   p e r f o r m a n c e   o f   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   u n d e r   s t e p   l o a d   v a r i a t i o n   c o n d i t i o n   h a s   b e e n   t e s t e d .   F r o m   t h e   s i m u l a t i o n   t h a t   h a v e   b e e n   d o n e ,   t h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   s h o w n   t h e   a d v a n t a g e s   s u c h   a s   f a s t   r e s p o n s e   a n d   g o o d   t r a n s i e n t   p e r f o r m a n c e .   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   s h o w   t h e   d y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   l a w   i s   i n s e n s i t i v e   t o   t h e   i n p u t   a n d   p a r a m e t e r   v a r i a t i o n s .   T h e   c o n t r o l l e r   a c c o m p l i s h e s   t o   r e g u l a t e   t h e   c o n v e r t e r   o u t p u t   v o l t a g e   k e e p   o n   s t e a d y - s t a t e   a t   1 0 0 V   r e f e r e n c e .       R e f e r e n c e s     [ 1 ] .   D w a r i   S,   Pa r s a   L .   N o v e l   H i g h   Ef f i c i e n c y   H i g h   Po w e r   I n t e r l e a v e d   C o u p l e d - I n d u c t o r   B o o s t   D C - D C   C o n v e r t e r   f o r   H y b r i d   a n d   F u e l   C e l l   El e c t r i c   Ve h i c l e .   Ve h i c l e   P o w e r   a n d   Pr o p u l s i o n   C o n f e r e n c e .   2 0 0 7 ;   1 :   3 9 9 - 4 0 4 .   [ 2 ] .   X u   H ,   W e n   X ,   Q i a o   E ,   G u o   X ,   Ko n g   L .   H i g h   Po w e r   I n t e r l e a v e d   Bo o s t   C o n v e r t e r   i n   F u e l   C e l l   H y b r i d   El e c t r i c   V e h i c l e .   I EEE  I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   E l e c t r i c   M a c h i n e s   a n d   D r i v e s .   2 0 0 5 ;   1 : 1 8 1 4 - 1 8 1 9 .   [ 3 ] .   Sa m o s i r   AS ,   Y a t i m   AH M .   D y n a m i c   e v o l u t i o n   c o n t r o l   o f   b i d i r e c t i o n a l   D C - D C   c o n v e r t e r   f o r   i n t e r f a c i n g   u l t r a c a p a c i t o r   e n e r g y   s t o r a g e   t o   F u e l   C e l l   El e c t r i c   Ve h i c l e   s y s t e m .   P o w e r   En g i n e e r i n g   C o n f e r e n c e .   Au s t r a l i a .   2 0 0 8 ;   1 : 1 - 6 .   [ 4 ] .   Sa m o s i r     AS,   Y a t i m     AH M .   I m p l e m e n t a t i o n   o f   D y n a m i c   E v o l u t i o n   C o n t r o l   o f   Bi d i r e c t i o n a l   D C - D C   C o n v e r t e r   f o r   I n t e r f a c i n g   U l t r a c a p a c i t o r   En e r g y   St o r a g e   t o   F u e l   C e l l   Sy s t e m .   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t r i a l   El e c t r o n i c s .   2 0 1 0 ;   5 7 ( 1 0 ) :   3 4 6 8 - 3 4 7 3 .   [ 5 ] .   M a g g i o   G ,   R e c u p e r o   V,   P i n o   L .   M o d e l i n g   p o l y m e r   e l e c t r o l y t e   f u e l   c e l l s :   a n   i n n o v a t i v e   a p p r o a c h .   J o u r n a l   o f   Po w e r   S o u r c e s .   2 0 0 1 ;   1 0 1 ( 2 ) :   2 7 5 2 8 6 .     [ 6 ] .   F r i e d e   W ,   R a e l   S,   D a v a t   B.   M a t h e m a t i c a l   m o d e l   a n d   c h a r a c t e r i z a t i o n   o f   t h e   t r a n s i e n t   b e h a v i o u r   o f   a   PE M   f u e l   c e l l .   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   Po w e r   E l e c t r o n i c s .   2 0 0 4 ;   ( 9 ) :   1 2 3 4 1 2 4 1 .   [ 7 ] .   L e e   J M ,   C h o   BH .   d y n a m i c   M o d e l   o f   a   PEM   F u e l   C e l l   S y s t e m .   APEC   2 0 0 9   c o n f e r e n c e ,   2 0 0 9 ;   1 :   7 2 0 7 2 4 .   [ 8 ] .   H a m e l i n   J ,   Ag b o s s o u   K,   L a p e r r i è r e   A,   L a u r e n c e l l e   F ,   Bo s e   T K.   D y n a m i c   b e h a v i o r   o f   a   PE M   f u e l   c e l l   s t a c k   f o r   s t a t i o n a r y   a p p l i c a t i o n s .   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   H y d r o g e n   En e r g y .   2 0 0 1 ;   2 6 ( 6 ) :   6 2 5 6 2 9 .   [ 9 ] .   T h o u n t h o n g   P,   R a e l   S,   D a v a t   B.   C o n t r o l   St r a t e g y   o f   F u e l   C e l l   a n d   S u p e r c a p a c i t o r s   As s o c i a t i o n   f o r   a   D i s t r i b u t e d   G e n e r a t i o n   Sy s t e m .   T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t r i a l   El e c t r o n i c s .   2 0 0 7 ;   ( 1 2 ) :   3 2 2 5 3 2 3 3 .   [ 1 0 ] .   N e h r i r   M   H ,   W a n g   C ,   Sh a w   R .   F u e l   c e l l s :   p r o m i s i n g   d e v i c e s   f o r   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n .   I E EE  Po w e r   En e r g y   M a g a z i n e .   2 0 0 6 ;   4 ( 1 ) :   4 7 5 3   [ 1 1 ] .   Sa m o s i r   S ,   An w a r i   M ,   Y a t i m   H   M .   s i m p l e   PE M   F u e l   C e l l   Em u l a t o r   u s i n g   El e c t r i c a l   C i r c u i t   m o d e l .   I n t e r n a t i o n a l   P o w e r   a n d   En e r g y   C o n f e r e n c e .   Si n g a p o r e .   2 0 1 0 ;   1 :   8 8 1 8 8 5 .   [ 1 2 ] .   F a r z a d   Ab d o u s .   F u e l   C e l l / D C - D C   C o n v e r t o r   C o n t r o l   b y   Sl i d i n g   M o d e   M e t h o d .   W a s e t   J o u r n a l .   2 0 0 9 ;   4 9 :   1 0 1 2 - 1 0 1 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.