Internati o nal  Journal of Ele ctrical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6,  N o .  4 ,   A ugu st  2016 ,  pp .  14 21 ~ 1 433  I S SN :  208 8-8 7 0 8 ,  D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i4.9 704            1 421    Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  A   Feed forward Neural Networ k MPPT Control Strategy  Applied to a Modifi ed Cuk Converter      Mohamed T a har  Makhl oufi, Yassine  A bdessemed, Mohamed Sa l a h Khireddine   Electronics  Dep a rtment,  Batn a  2   University ,  050 00  Algeria      Article Info    A BSTRAC T  Article histo r y:  Received  Dec  14,  201 5  Rev ised   Jun   8 ,   2 016  Accepted  Jun  20,  2016      This   paper  pr es ents   an  in tel lige n t  control   s t rat e g y   th at  us es   a  f eedforwar d   artif icial  neur al  network  in  order  to   improve  the  performance  of  the  MPPT  (Maximum  Po wer  Point  Tracker )  photovo ltaic  (P V)  power  sy stem  based  on  a  modified  Cuk  converter.  Th e  proposed  neural  network  con t rol  (NNC)   strateg y   is  desig n ed  to  produce  regul ated  var i ab le  DC  output  v o ltag e .  Th e  mathematical  model  of  the  Cu k  convert er  is  develop e d  and  an  artif icial  neural  network  algorithm  is  derived.  Th e  Cuk  con v erter  has   s o m e   advant ages   compared  to   other  ty p e s  of  p ower  converters .   However   the  nonlin ear   chara c t e ris t i c   of   the  Cuk   conv ert e r  due   to   the   req u ired  s w it ching   t echniqu e  is   difficu lt  to  b e   handled  b y   conv en tional  contro ller .   To  overcome  th is  problem,  a  neural  network  controller  with   online  learn i ng  back  propag a tio n  algorithm   is  elabor ated .  Th e  designed  NNC  strate g y   tr acks  the  conver t er  voltage  outpu t  changes  and  improves  the  s y stem  dy na mic  perf ormance  regard less  of  the  load  disturban ces  and  supply   v a ri ations.  The  proposed  controller   effectiven ess  dur ing  d y namic  tran sient  r e sponse  is   then  analy z ed  and  verif i ed   using  MATLAB-Sim u link.  Th e  sim u lation  re sults  confirm   the  exc e ll ent   performance  of  the  proposed   NNC  tec hnique  for   the  studied  PV  s ystem. Keyword:  Battery   M a xi m u m   pow er  poi nt   t rac ker   artificial  n eural  n etwork  cont rol l e r   Mo d i f i ed   C u k  co nv er ter   p h o t ovo ltaic  syste m     Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d .  Co rresp ond ing  Autho r :  Mo h a m e d   Tahar   Makh louf i,      El ect roni cs  De part m e nt ,   Batn a  Un iv ersi ty,    0 500 0  A l g e r ia.  Em a il:  ra m ak h l o u fil@yah o o . fr       1.   INTRODUCTION  In   t h e   era   o f   sust ai na bl e  e n ergy   de vel o p m ent ,  pho tov o ltaic  (PV)  tech no lo g y     [1 ]- [3 ]  h a s  sh own  si gni fi ca nt   pot ent i a l   as  a  renewabl e  ene rgy   s o u rce.  O u r  res earch  w o rk  f o c u ses  o n   im pro v i ng  pe rf orm a n ce  and  efficiency  of  a  PV  syste m   throu gh  t h e  u s e  of  an  a p p r op ri at e  al gori t h m   f o r  co nt r o l l i ng  t h e  po wer  i n t e rfac e .   Th e  m a in   o b j ectiv e  is  to   fin d   an   effectiv e  an d   o p tim al  s t rateg y   [4 ],[5 ]  for  ex tractin g   th e  m a x i m u m   av a ilab l e  po we r  f r om   t h e  PV  ge nerat o r.  M o re ove r,   t h e  st u d y ,  desi g n   a nd  si m u l a tion   o f   a  u n i t   co m posed  o f   a n   M PPT   co n t ro l  techn i qu e  and   th e  m a n a g e m e n t   o f   th e  en erg y   tran sm itted   to   th e  lo ad   are  carried   ou t.  Th e  m a in   p a rts  in  out  study    are :   the  m odeling  of  a  P V   system ,  the  t opol ogical  study  of  the  powe r  i n terface,  t h e  study  of  m a xim u m   po w e r  poi nt   t r ac ki ng   (M P P T)   al g o ri t h m s ,  t h e  si m u l a t i on,    t h e   desi g n   of   t h e   M PPT  C u k   [   c o n v e r t e r  an d   t h e  PV  outp u t   vo ltag e   reg u l ation .   In   th i s   in v e stig ation,  an     in tellig ent  co n t ro l  strateg y   (NNC)  [6 ]-[8 ]   is  im pro v ed  a n d  t h e  p r o b l e m   of  l o cal   m a xim a   i n   t h e  po we r  c u r v e  of  t h e  P V   ge nerat o r  occ u r r i n g  du ri n g   part i a l   sha d i n g  i s   p r o cessed  [4] .  T h e  NNC   a v oi ds   a  m i si nt erpret at i on  o f   t h e   l o cat i on  of  t h e   M PP  u n d er  ra pi dl y   chan gi n g  e n vi r onm ent a l  co nd i t i ons.    In  t h i s   pa per  t h e  C u k  co n v e r t e r  i s   use d   be t w een  t h e  PV  m odul e  panel   and  t h e  S w i t c h.  An d  t h e   b a ttery  is  b e tween   th e  ch arg i n g   ci rcu it  con t ro ller  b a ttery  an d   t h e  Switch .   Th e  o u tlin e  o f   th e  propo sed   syste m   i s  de pi ct ed i n  F i gu re  1.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE    Vo l.  6 ,   N o .  4 ,   Au gu st  2 016   :    14 21   –   1 433  1 422                             Fig u re  1 .   Ou tlin e  o f   th e  p r op osed   system      2.   PV  A RRA Y C H A RAC TER ISTIC S   An  id eal  so lar  cell  m a y  b e   mo d e lled  [1 ]  b y   a  curren t  so urce  con n ected   i n   p a rallel  with   a  d iod e;  t h e   current  s o urce   repres ents  the   gene ra ted   pho to cu rren t  when   th e  sun light  h its  th e  so lar  p a n e l,  and   the  d i o d e   represen ts  th e  p - n   tran sitio n   a r ea  of  the  s o lar  cell.  In  practice  no  s o lar  cell  is  ideal  and  a  s h unt  resista n ce   Rsh  and  a  series  re sistance  Rs  com ponent   are   incorporated  i n   the  m odel  acco rding  to  its  beha viour.  T h e  basic   stru cture  o f   a  PV  cell  is  sh own   i n   Figu re  2 ,   an d   t h e  equiv alen t   circu it  o f   a  so lar  cell  co m p risin g   parasiti  resi st i v e  c o m pone nt s  [1] , [9]  i s  de pi ct ed  Fi g u r e  3.                                  Figure  2.  Basic  struct ure   of  a  PV  cell       Fro m   th e  ab ove  electrical  equiv a len t   circu it  [1 ],[9 ]  o f   so lar  cell  sho w n   i n   Fig u re  3 ,   it  is  ev id en t  th at   the  voltage  across  the  l o ad  re sistance  R  and   th e  curren t   I  wh ich   is  fl o w i ng  th ro ugh   th is  l o ad   can   b e   wri tten   as   equat i o n  ( 1 ) :                                                                                                                                                             ( 1 )     Whe r e  I L  l i g ht   gene rat e d  cu rr ent , i s  t h e  di o d e  cu rre nt  i s  t h e  cu rre nt  w h i c h   i s  sh unt e d  t h r o ug h R s h.   The c u r re n t  di vert e d  t h ro u g h   t h e di ode  i s   gi v e n  by  eq uat i o n  (2 ), a s  f o l l o ws:                                                                                                                                   ( 2 )     Here  T  is  th e  ab so lu te  tem p e r atu r e  i n   Kelv i n .    q   is  th e  charg e   o f   a  electron ,   K  is  th e  Bo ltz m a n n ’ s  con s t a nt ,  n  i s   t h e  di o d e  i d eal i t y   fact or  whi c h  de pe nds  on  t h e  cert a i n   P V     t echnol ogy   a nd  Is  i s   t h e  re verse   satu ration   cu rren t  in   am p e res.  Su b s titu ting   t h ese  in t o   th e  eq u a tion   (1),  pro d u ces  t h e  ch aracteristic  Equatio n   (3),  of  a  typ i cal  so lar  cell,  th is  relates  so lar  cell  p a ram e ters  to   th e  ou tpu t   cu rren t  and   v o l t a g e .    PV  Mod u le  Cuk P o w e r  Con v erter   MPPT   Neural  Net w ork   Battery  Charger  Battery  Sw itc h      Load  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE    I S SN :  208 8-8 70 8      A Feed  f o rw ar d N e ural  N e t w ork M PPT C o n t rol  St r a t e gy  A ppl i e d  t o   a   .. ..  ( M oh ame d   Ta h a r M a k h l o uf i )   1 423                                                                                                          (3)     So m eti mes,  to   si m p lify  th e  mo d el,  th e  effect   o f   th e  shu n t   resistan ce  is  n o t  co n s id ered,  th at  is  Rsh   is   in fin ite,  so   t h e  ex pressi o n   of  (3 ),  sim p lify  to   as  equ a tion   (4).                                                                                                                              (4)     A  PV  pa nel   i s   com posed  of  m a ny   sol a r  cel l s ,  whi c h  are  c o nnected  i n   se ries  and/or  parallel  so  the  out put   c u r r ent   and  v o l t a ge  o f   t h e  PV  panel   a r e  hi g h   e n o u g h   fo r  a  cert a i n   a ppl i cat i o n.  Ta k i ng  i n t o   acco u n t   t h e  sim p l i f i cat i on  of  e quat i on  (4 ),  t h e  out put   cur r ent - v o l t a ge   charact eri s t i c   of  a  P V   p a n e l   i s   expres se d  by   equat i o n  ( 5 ),  w h ere ,  Np  an d  N s  are t h e  num ber  of   so lar  cells  in   p a rallel  and  series  resp ectiv ely.                                           Figure  3.  E qui valent  cir c uit  of  a  s o lar   cell                        The  p hot ov ol t a i c   sol a r  m odel l ed  wi t h   M a l a b/ Sim u l i nk  i s   de pi ct ed  i n   Fi gu r e   4.                         Fig u re    4.  Pho t o v o ltaic  so lar  m o d e lled   with   Malab / Si m u lin k                                                                                                                (5)      Whe r e  is  th e  parallel  n u m b e r  of  th e  PV  cells,  ns  is  t h e  se ries  num b er  of  t h e  PV  cells,    is  th e  reve rse- saturat i on -cu rre nt,  is   th e  o u t pu t  cu rren t  of  th e  PV  p a n els,  q  is  the  elec tronic  cha r ge,  k  is  B o l t z m a nn’s  g a s  co nst a nt ,    is  th e  cell  te m p eratu r e  of  th e  PV  p a n e ls  an d   A  is  th e  id eality  facto r   o f   t h e  PV  panel s .   Th e  i n ten s ity  o f   so lar  irrad i an ce  is  th e  m o st  d o m in an t  en v i ron m en tal   factor  wh ich  is  stro ng ly   affecting  the  electrical  characteristics  of   sola r  panel  accordi n g  to  the  equation  (5).  T h e  effect  of  the  irra diance   on  t h e  v o l t a g e -cu rre nt   (V -I )  and  vol t a ge - p o we r  (V -P)  charact e ri s t i c s  [10]   o f  sol a r   panel   un de r  vari ou s   irrad i an ce  levels  is    d e p i cted   in   Figu re  5.  Fro m   th is  fi gure  it  is  clear  that  unde r  hi gher  irradia n ce,  t h e  PV  cell  produces   hi ghe r  output  c u rrents  because   the  light  ge ne rated  curre n t  is  prop ortionally  generated  by  the  fl ux  of  ph ot o n s .   T h e  m a xim u m   pow er  p o i n t   (M PP)  decreases  with  decreasing  irradi ance  a n d  thi s  is  indicated  on  eac h  (V -P)   cu r v e  in   Figu re  6.       3.   MA X I MUM  POWER POI N T TRACKI NG  (MPPT)  Usually  there  a r e  two  m a jor  a p proaches  a dopted  f o r  m a xim i zi ng  po wer  ext r act i o n  fr o m   PV  sou r ces .   First  on e  is  th e  m ech an ical  track ing   o f   th e  so lar  p a n e l.   In  th is  case  th e  p a n e l  is  attem p te d   to  p o s ition   i n   an y   t e rrai n  at  an  an gl e o f   ni net y   d e gree  wi t h  t h e  di rect i o n i n c o m i ng ray   of  s u n.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE    Vo l.  6 ,   N o .  4 ,   Au gu st  2 016   :    14 21   –   1 433  1 424               Fi gure  5.   Characteristic  c u rves   curre nt  of   solar                                Figure  6.   Cha r acteristic  cur v e s   powe r  of   s o lar         pa nel , at   di f f e rent  i r ra di anc e  l e vel s  a n d  2 5 °C                         p a nel , at   di f f ere n t  i rra di an ce l e vel s  a n d  2 5   °C       Th is  issu e  is  beyo nd   our   top i c  o f   d i scussion.  Th e  sec o nd  one  is  the  electri cal  MPPT  whe r e  electrical  o p e rating   p o i nt  is  forced   at  t h e  p eak  power  po in t  co n tinuo u s ly  b y   ad ju stin g   th e  du ty  cycle  o f   t h e  DC-DC  con v e r t e r  i n se r t ed  bet w e e n  P V   ar ray   an d  l o ad.  T h e  m e t hods  vary   i n   c o m p l e xi ty ,  sens ors  re qui re d,  t r acki n g  efficiency,  c onverge nce  s p ee d,  c o st,  a n d  i n   ot he r  re spect s.   Som e   of  t h e   w e l l - kn o w n   t ech ni q u es  a r e  Pe rt ur b&  O b serv e  ( P &O )   [2 ], [4 ],   Incr em en tal  Co n d u c tan ce  [ 10],[ 11 ],  Fr action a l  O p en- C ircu it,  Fraction a l  Sh ort- C i rcui t ,  Fuzzy   Logi c  [6]   an d   Neu r al   Net w o r k  [7] , [8] , [1 2] , [ 1 3 ] .  B o t h   pe r t ur b  an d  o b se r v e,  a nd  i n cre m ent a l  conductance ,  a r e  exam ples  of  "hill  clim bing"  m e thods  t h at  can  fi nd  t h e  l o cal  m a xim u m   of  t h e  power  curve   f or   th e  op er atin g  cond itio n   of   th e  PV  arr a y ,   and   so   pr ov i d e  a  t r u e   m a x i m u m   p o w er  po in t.  Th e  p e r tur b   and  o b s erv e   m e th od   can   produ ce  o s cillatio n s   of  p o wer  o u t p ut  aroun d  th e  max i m u m   p ower  po in t   ev en   un d e r  steady  state  irradiance.  T h e  increm en t a l   cond uct a nce  m e tho d   has  t h e  a d vant a g e  o v er  t h e  pert ur b  an d  obs er ve   (P&O)  m e th o d   th at  it  can  d e t e rm in e  th e  m a x i m u m   p o w er  p o i n t   withou t  o s cillatin g   arou nd   t h is  v a lu e  [11 ] .  It  can   perform   max i m u m   p o wer  po in t  track i ng   u n d e r  ra p id ly  v a ryin g  irrad iation   co nd itio ns  with  h igh er  accuracy  t h an  the  pert urb  a n d  obs erve   m e thod.      Howe ver,   the  inc r em en tal  conductanc e  m e thod  ca n  produc e   oscillations  and  can  pe rform   errati cally  under  ra pidly  cha ngi ng  atm o spheric  conditions.  The  com put ational  t i m e   i s   i n creased  d u e  t o   sl o w i ng  d o w n  of  t h e  sam p l i ng  fre que ncy   res u l t i ng  fr om   t h e  highe r  com p l e xi t y   of  t h e   alg o r ith m   co mp ar ed   to   th e  P&O   m e th o d   [2], [ 4 ], [14 ].     The  ML P  neural  m e thod  [8]  i s   base d  on  t h e  estim a ti on  of   t h e  opt i m i s ed  v a l u e  [ 5 ]   of   t h e  dut y   cy cl e   fo r  t r a n sm i t t i ng  t h e  m a xi m u m   power  pr o d u ced   by   t h e   sol a r  pa nel ,  gr een   char ge.   Th e  p o we r  e ffi ci enc y   of  t h i s   syste m   in   th is  case  is  m a x i m u m .   Th e  poin t   of  m a xim u m   powe r   i n   t h i s   case  is  determined  acc urately  rega rdl e ss  o f  t h e  fast  va ry i n g    e x t e r n al  co n d i t i ons  suc h  a s   sol a r  ra di at i on  or  pa nel  t e m p erat ure       4.   THE MODIFIED  CUK  P O WER CO NV ERTER   Th e  Cuk   conver t er   [1 5 ]-[1 8 ]   is  a  typ e   o f   step -do w n / step- u p   conv er ter   [ 9 ] ,   [ 1 9 ]   b a sed   on  a  sw itch i ng   b o o s t  bu ck   topo log y .  Essen tially,  th e  co nv erter  is  co m p o s ed   of  two   sect io n s ,  an   inpu t  stag e  and   an   ou tpu t   stage.  T h e  bas i c  schem a tic  of  the  Cuk  c onverter  is  pr esen ted   in   Figu re  7 ,   wh ere  Vin  is  an   inp u t   vo ltag e   source;  V 0   i s   t h e  out put   v o l t a ge;   L 1   is  an   inp u t   i n du ctor  and   th e  MO SFET  S  is  a  con t rollab l e  switch .   C 1   is  an     energy  transfe r   capacitor,    D 1   is  a  diode,  C 0   and  L 0   are  resp ectiv ely  a  filter  cap acito r  an d   i n du ct or.  Th e  resi st ance  R   i s   t h e  l o ad .  A n   i m port a nt   adv a nt age  of  t h i s   t o pol ogy   i s   a  co n t i nuo us  c u r rent   at   bot h  t h e  i n p u t   an d   th e  ou tpu t  of   th e  conv er ter.  Th e  d isadv antag e s  of   t h e  C uk  c o nve rt er   are  t h e  hi g h   num ber  of  r eact i v e  com pone nt s a n d t h e  hi gh  cu rr ent  st resse s  on   t h e s w i t c h S , t h e  di o d e  D 1 ,  a n d  the  ca pacitor  C 0 .                  Fi gu re  7.   C u k  con v e rt e r       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE    I S SN :  208 8-8 70 8      A Feed  f o rw ar d N e ural  N e t w ork M PPT C o n t rol  St r a t e gy  A ppl i e d  t o   a   .. ..  ( M oh ame d   Ta h a r M a k h l o uf i )   1 425 During   m o d e   1   (Fi g ure    8),  th e  in pu t  vo ltag e   is   app lied   wh en   th e  MOSFET  switch   tran sist o r   S  i s   closed  the n   the  curre nt  through  the  i n duct o r  L 1   rises.  At  t h e  sam e   tim e   the  volta ge  of  capacitor  C 1   re vers e   bi ases  di od e  D 1   and  t u rns  it  off.  The  ca pacit o r  C 1   discha rges  its  energy  to   the  circuit  formed  by  C 1 ,  C 0 ,  L 0   and  th e  lo ad   R.                    Fi gu re  8.  C u k  con v e r t e r  on  st at e      Du ri n g   m ode  2,  t h e  i n put   v o l t a ge  i s   appl i e d  an d  t h e  swi t ch  S  i s   ope n,  t h en  t h e  di o d e  D 1   is  fo rward  biased  and  the   capacitor  C 1   is  charge d  t h rough  L 1   .Th e   en erg y   wh ich   is  stored  in  th e  ind u cto r   L 0   is  tran sferred  to  the  l o ad.  T h us,  t h e  diode  D 1  an d t h e  swi t c h S  p r o v i d e a s y nch r o n ous  co nve rt er  swi t c hi ng  act i o n  ( F i g u r e  9).                      Fi gu re  9.  C u k  con v e r ter  in  the  off-state      The  rel a t i ons  b e t w een  o u t p ut   and  i n put  c u rre nt s a n d  v o l t a ge s are  gi ve n i n  t h e  fol l o wi n g :                                                                                                                                               (6)                                                                                                                                        (7)     Thu s   th e  ratio n  o f   the  inp u t   and   ou tpu t   vo ltages  for  th e    b u c k - bo o s t  co nv erter  is  th e  sam e   as  th e  ratio  of  t h e  i n p u t   an d  o u t p ut   cu rre nt s  f o r  t h e  C uk  converte r.  T h e  adva ntage  of  th e  m odi fi ed  C uk  c o n v e rt e r    [1 6]   i s   th at  th e  i n pu t  an d  ou tpu t  i n du ctor s  c r eat e  a   sm oot h  c u r r e n t   at   bot h  si de s  o f   t h e  c o n v e r t e r  whi l e   t h e  buc k,   bo ost   an d  b u ck -b o o st   have  at   l east   one  si de  wi t h   p u l s ed  cu rre nt .  The  si m u l a t i on  m odel   wi t h   M a t l a b/ Si m u li n k   of  the  overall  Cuk  converter  bases  PV  system   is  prese n ted  in  Figure  10.                 Fi gu re  1 0 . M a t l ab/ S im ul i nk si m u l a t i on m ode l  of  t h e C u k  co nve rt er         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE    Vo l.  6 ,   N o .  4 ,   Au gu st  2 016   :    14 21   –   1 433  1 426 5.   BATTERY MATHEMATICAL  MODEL   B a t t e ry   m odel   can  us ual l y   be  di vi ded  i n t o   ex pe ri m e n t al   m odel ,  elect roc h em i c al  m odel   an d   equi val e nt   ci rc ui t   m odel .  The   equi val e nt   ci r c ui t   m odel   i s   m o st   sui t a bl e  fo r  dy nam i c  sim u l a t i on.  B a se d  o n   she p h r ed  bat t e ry   m odel ,  re fer e nce    p r ese n t s   a  gene ri c  b a ttery  m o d e l  fo r  dyn amic  si m u la tio n ,   wh ich   assu m e s  th at  th e  b a ttery  is  co m p o s ed   of  a  con tro lled - v o ltag e   so ur ce   and  a  series  re sistance,  s h own  as   Figure   11.  Thi s   gene ri c  bat t e ry  m odel  con s i d e r s t h e  st at e o f   c h arge  (SOC)  a s   the  only  state  va riable.                Fi gu re  1 1 .   A  g e neri c  bat t e ry   m odel      The e x pressi on  o f  t h e  co nt r o l l e d  vol t a ge  s o u r ce i s :                                                                                                                (8)     Whe r e,  Eb  is  n o -l oad  v o ltage  (V );  E 0   i s   bat t e ry   co nst a nt   vol t a ge  ( V);   K  i s   pol a ri zat i on  vo l t a ge  (V );   Q  is  b a ttery  cap acity  (Ah ) ;  A  is  ex pon en tial   zo n e   am p litu d e   (V);  B  is  expo n e n tial  zon e   ti m e   co n s tan t   i n v e rse  (A h- 1) 。 .  Th is  m o d e l  assu m e s  th e  in tern al  resistan ce  o f   the  b a ttery  is  k e p t   co nstan t   du rin g   bo th   ch arge  an d  di scha rge  pa he s.  Al l   param e ters  are  de d u ce d  fr om   t h e  di schar g e  an d  ass u m e d  t o   be  sam e   for  cha r ge.   Fi gu re   1 2   is  d i sch a rge  ch aracteristics  of  th e  b a ttery  at  rated  di sc ha rge   cu rre nt ,   an d  al l   param e t e rs  can   be   cal cul a t e d  b y   th ree  po in ts  m a rk ed   i n   th e  figu re,  n a m e l y   fu lly  ch arg e d   vo ltag e   (E fu l l ) ,   th e  end   of   ex pon en tial  zone  ( E exp ,  Q exp ), t h e e n d  of  n o m i nal  zon e  (E nom , Q nom ).          f ul l E  ex p ex p , EQ , nom no m EQ     Figure  12.  Dis charge  c h aracteristics  curve  of  th e   battery   at  the  rate d  disch a rge   cu rre nt  ( V -Q )       Use  MATLAB /Si m u lin k   to   mo d e l  th e  b a ttery,  as  sh own   in  Fig u re  13 .  The  b a ttery  d i scharg e  cu rv es  at  di ffe re nt  di s c har g e c u r r e n t s   ar e  ob tain ed,  sh own   in  Figur e  14 .                                            Fig u re  13 .  Th e  b a ttery  m o d e l  in   MALTAB/Si m u lin k             Figure   14.  Disc harge  c h aracte r istics  curve s  of  t h e                                        battery  a t   diffe re nt  disc har g e  c u r r e n t  ( V - Q )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE    I S SN :  208 8-8 70 8      A Feed  f o rw ar d N e ural  N e t w ork M PPT C o n t rol  St r a t e gy  A ppl i e d  t o   a   .. ..  ( M oh ame d   Ta h a r M a k h l o uf i )   1 427 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 -20 10 -15 10 -10 10 -5 8 E poc hs T r ai ni ng-B l ue P e rf orm anc e  i s   1. 74171e- 024,  G oal  i s  0 6.   DESCRIPTI ON OF  THE  PROP OSE D  TECHNI QUE   The  M PPT  st rat e gy   pr o pos ed  here  c o n s i s t s   of  a  com b i n at i o n  o f   a  neural   net w o r k  an d  P & O   tech n iqu es  fo r  th e  im p le m en tatio n   of   the  duty  cycle  regulator.  Whe n   s o lar  rad i ation   ch ang es  slowly,  th e  sy st em   cont rol s   t h e  DC - D C   c o n v e r t e r  usi n g  t h e  P& O,  an d  t h e  neu r al   net w or k  l ear ns  si m u l t a neo u sl y   t h e   M PP  fo u nd  by   t h e  P&O  [ 2 ] .  H o w e ver  i f  t h e  s o l a r  ra di at i on  va ri es  t oo  ra pi dl y   [4] ,  t h e  neu r al   net w o r k  co nt r o l l e r   tracks  the  MPP  rapi dly  and  adjusts  th e  duty  cycle  of  the   DC-DC  converte r  [ 1 ] .  Ne u r al   net w o r ks  us ual l y   require  inde pe nde nt  and  ide n tically  distribut ed  sam p les  to  ens u re  s u cces s f ul  on-line  learning.  Here ,  howeve r ,  sim i l a r t r ai ni ng sam p l e s are  use d  by  t h e  art i ficial  neural  netw ork  (ANN).  The  architectur e  of  the  ANN  use d   is  o f   t h e  m u lti-la yer  p e rcep t r on   (MLP)  typ e .  Th e  m a in   id ea  of   th e  learn i n g   alg o rith m   is  th at  th e  n e u r al  n e t w ork  learns   each  sa m p le  online  be cause  it  is   diffi cult  to  store   al l  learning  samp les  in  sm all  devices.  In  Fi gure  15,  the  ANN  lea r ning  technique  i s  a  m e m o ry-ba sed  one  a n d  a llows  t o   estim a t e  at  any  instant   the  re quire d  optim a l  duty  cycle  ’D’  [1].  Eve n   wit h   sparse   data  in  a  m u ltidi m e n sional  m easur e m ent  space,  t h e  al gorithm   provide s   sm oot h  t ransi t i ons   f rom   one  e s t i m a t e d  val u e  of  D  t o   an ot he r.  T h e  AN N  c o nsi s t s   o f  a n   i n p u t   l a y e r  (P p v ) ,  t wo   h idd en  layer s   w ith   resp ectively  f iv e   n e ur on s  an d  two   n e u r on es  an d  an  ou tpu t  layer   w h ich   co n s ists  o f   one  neu r one  w h i c h  has  t h e   o u t p ut  t h e c o n v e rt e r  dut y   rat i o   D s h ow n i n  t h e    fol l owi n g  fi gu re:                             Fi gu re  1 5 . T r ai ni n g  e r r o r  usi n g t h e  ne u r al  ne t w o r k  M L P       7.   R ESU LTS AN D ANA LY SIS    Fi gu re  16   sh o w s  t h e   P V   si m u l a t i on  sy st em     u nde r  M A TL AB / S i m ul i nk/ Sim powe r  Sy s t em s  i n   or de r   to   v a lid ate  th e  o n -lin e  learn i ng   ANN,  ad equate  si m u l a t i ons  t e st s ha ve  bee n  i m pl em ent e d an d ca rri ed  o u t .      Fig u re  16 .  Simu latio n   system   in   MATLAB/Si m u lin k       B a sed  on   t h e   a b o v e  m odel s   a n d   co nt r o l   m e tho d s,   th e  grid-co n n ected  h ybrid   PV/Battery  g e n e ration  syste m   can   b e   i m p l e m en ted   in   MATLAB/Si m u lin k ,   as  sh own   in   Figure  1 6 .  In   th is  stu d y ,  t h ree  simu latio n  cases  are   consi d ere d ,  nam e ly:  a.    Sim u latio n   i n   stan d a rd  normal  en v i ro n m en tal  con d ition s ;  b.   Si m u l a t i on  wi t h  t h e  occ u r a nce  of  t w o  di f f ere n t  di st ur ba nces;   c.    Sim u latio n   with   co nstan t   step   ch ang e s  o f   th e  PV  so lar  rad i atio n .   D  Ppv  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE    Vo l.  6 ,   N o .  4 ,   Au gu st  2 016   :    14 21   –   1 433  1 428 7. 1.   Operation in  Standard  E n vironmental Conditi ons   The  Fi g u re s  1 7 ,  1 8   an d  1 9   bel o w  al l o w  u s   t o   vi sual i ze  t h e  out put   P V   panel   cur r e n t ,   vol t a ge  an d   p o wer  using   the  ANN  con t ro llers  in   stan d a rd   atm o sp h e ric  co nd itio ns  (100 0W/m 2 ,   25 °C ).  Th e  n e x t   fo llo wi n g   Fi gu res  2 0 ,  2 1   a n d   2 2   sh o w   t h e   C u k  c o nve rt er  [ 1 ]   o u t put   c u r rent ,  v o l t a ge  a n d  po wer   usi n g   t h e   A N N   cont rol l e rs  i n   s t anda rd  at m o sphe ri c  co n d i t i ons :   we  ha ve  o b t a i n ed  a  t r ai ni ng  e r r o r  o f   ab o u t   1. 0e -19 .T he  out put   bat t e ry   vol t a ge   duri ng  t h e  c h a r gi ng  pe ri o d   i s   prese n t e d  i n   Fi gu re  2 3 .  The  c o r r es po n d i n g  st at e  of  char ge  of  t h e   bat t e ry  i s  p r ese n t e d i n  Fi gu re  24 .       0 0. 01 0. 0 2 0. 0 3 0. 0 4 0. 0 5 0. 06 0. 07 0. 08 0. 0 9 0. 1 -2 0 2 4 6 8 10 Ti m e ( s e c Curr e n t ( A ) Ip v 0 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 3 0. 04 0. 0 5 0. 06 0. 0 7 0. 08 0. 0 9 0. 1 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 Ti m e ( s e c ) V o l t ag e(V ) Vp v       Figure  17.  T h e   output  P V   panel  cur r ent                                     Fi g u re   18 . T h e  o u t p ut   PV  pa nel  v o l t a ge       0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 09 0. 1 -1 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 Ti m e ( s e c ) Po w e r(W ) Pp v 0 0. 0 1 0. 0 2 0. 03 0. 0 4 0. 05 0. 0 6 0. 0 7 0. 0 8 0. 0 9 0. 1 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 Ti m e ( s e c ) Po w e r ( W ) Po u t       Fi gu re  1 9 . T h e  o u t p ut  P V  pan e l  po we r                   Fi gure  2 2 .  The   C u k  c o nve rt er  o u t p ut   po we r                          w i t h   T h e   A N N   c o n t r o l l e r       0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 09 0. 1 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Ti m e ( s e c ) C ur r ent ( A ) Io u t 0 2 4 6 8 10 12 x 1 0 4 47. 1986 47. 1986 47. 1986 47. 1986 47. 1986 47. 1986 47. 1986 Ti m e ( s e c ) Vo l t a e ( V) V bat       Fi gu re  2 0 . T h e  C u k c o n v ert e r  o u t p ut       Fi gu re   2 3 .  Th e o u t p ut  bat t e r y  vol t a ge                                c u rre nt wit h   AN N c o ntr o ller            du rin g   c h ar gin g   Pe rio d                                      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE    I S SN :  208 8-8 70 8      A Feed  f o rw ar d N e ural  N e t w ork M PPT C o n t rol  St r a t e gy  A ppl i e d  t o   a   .. ..  ( M oh ame d   Ta h a r M a k h l o uf i )   1 429 0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 0 4 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 0 9 0. 1 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 Ti m e ( s e c ) V ol t age ( V ) Vo u t 0 2 4 6 8 10 12 x 1 0 4 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 Ti m e ( s e c ) SO C S t at e o f  c har g e                   Figu r e   21 .  Th e  C u k  conv er ter   o u t p u t   vo ltag e                           Figure    24.  T h e  state  of  c h arge  of  batt ery                    with  Th e  ANN  con t ro ller            with   ANN  contro ller      7. 2.   Simulati on w i th  Distur banc es                                   In  Fi g u res  25 - 3 1 ,  t w o  di ffe r e nt   di st u r ba nc es  are  ass u m e d  as  i n p u t   i n   t h e  i rra di an ce  of  P V   panel   (usi ng  si g n al   b u i l d er  bl oc  o f   sim u l i nk).  T h e   fi rst   one  ‘ d 1 ’ c o r r e pon ds  to   a  su dd en   step   in cr ease  o f   1000W /m 2   in   th e  so lar  radiatio n   wh ich  occu rs  at  0 . 02 8s    and   th e  second   o n e   ‘d 2 ‘  is  a  sudde n   ste p   de crease  of  1000W /m 2   whi c h  ha ppe n s   at   0.0 68s .  T h e  A NN  c ont r o l l e r  ad just s  t h e  d u t y   cy cl e  of  t h e  C u k  con v e r t e r  t o   p r od uce   m a xim u m  pow er t o  char ge t h e bat t e ry . The r e sp onse t i m e of t h e sy st em  at   t h e st art  i s  shor t  about  1 0 m s ,  whi l e   i t   i s   about   6 0 m s  for  ot he r  sy st em s  [3] .   The  o u t p ut   l o ad  v o l t a ge  d u ri ng  t h e  bus/ b at t e ry   com m u t ati on  i s   p r esen ted  in   Fig ure  32 .      0 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 3 0. 0 4 0. 0 5 0. 0 6 0. 0 7 0. 08 0. 0 9 0. 1 -2 0 2 4 6 8 10 Ti m e ( s e c ) Cu r r e n t ( A ) Ip v 0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 0 6 0. 07 0. 08 0. 09 0. 1 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 Ti m e ( s e c ) Vo l t a g e ( V) Vo u t           Fi g u r e   2 5 .  The  o u t p ut  P V   panel  c u rre nt   wi t h  t h e               Fi g u r e  29 .  The  C u k c o n v e rt er  out put   v o l t a ge              wi t h  t h e   occu ra nce  of t h e t w o   di st ur b a nces             occ u ra nce  of  t w o s o l a r i r r a di ance  di st u r b a nces       0 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 3 0. 0 4 0. 0 5 0. 0 6 0. 0 7 0. 08 0. 0 9 0. 1 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 T i m ( se c) V o l t a ge( V) Vp v 0 2 4 6 8 10 12 x 1 0 4 47. 1 986 47. 1 986 47. 1 986 47. 1 986 47. 1 986 47. 1 986 47. 1 986 Ti m e ( s e c ) Vo l t a e ( V) Vb a t        Fi gu re  2 6 . T h e  out put   PV  p a nel  v o l t a ge  wi t h  t h e        Fi g u re  3 0 .  T h e  out put   bat t e ry  v o l t a ge  wi t h  t w o        occ u ra nce  of  t w o  sol a r i r rad i ance   di st ur ba nces               di st ur ba n ces d u ri ng  t h e  C h ar gi n g  Pe ri o d       d 1   d 1   d 2   d 2   d 2   d 1   d 1 d 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE    Vo l.  6 ,   N o .  4 ,   Au gu st  2 016   :    14 21   –   1 433  1 430 0 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 3 0. 0 4 0. 0 5 0. 0 6 0. 0 7 0. 08 0. 0 9 0. 1 -1 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 Ti m e ( s e c ) Pow e r ( W ) Pp v 0 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 3 0. 0 4 0. 0 5 0. 0 6 0. 0 7 0. 0 8 0. 0 9 0. 1 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 Ti m e ( s e c ) P o w e r(W ) Po u t                   Figu r e   27 .  Th e  ou tpu t   PV   p a n e l  po w e r   with                             Fi gur e 3 1 .  The  C u k  con v e rt e r  out p u t                  t h e  occ u ra nce  of  t h e t w o  di st ur bance s                  p o w er  wi t h  t w o  di st u r ba nces       0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 09 0. 1 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Ti m e ( s e c ) C u rre n t (A ) Io u t 0 0. 0 5 0. 1 0. 15 0. 2 0. 2 5 0. 3 0. 3 5 0. 4 0 10 20 30 40 50 60 Ti m e ( s e c ) Vol t age( V) Vb u s                   Figure   28.   The  C u k  conve r ter  out put  c u rr ent                          Fi gu re  3 2 . T h e  o u t p ut  l o a d   vol t a ge  du ri n g  t h e                   with  the  occura nce  of   the   two  dist ur bances                                                                      bus/ battery  com m utation      7. 3.   Si mul a ti on w i th  Ra pi d S t ep   Ch an ges  of  S o l a r R a di ance   More ove r,  in  orde r  to  prove  t h e  efficiency  of  th e  ANN-MPPT  on -lin e  co ntro ller,  we  h a ve  si m u lated   in   Figur es  3 3-4 0  a  co n ti n uou s  step   in cr eases  of   so la r  rad iatio n .   Th e  ANN  con tro ller  shows  th at  it   track s  con v e n i e nt l y   the  m a xim u m   powe r  p o i n t ,   i n   or der  t o   a voi d  havi ng  t o   m o v e   rapi dl y   t h e  o p erat i o n  p o i n t   whe n   t h e  sol a r  ra di at i on  i s   va ry i ng  qui c k l y   or   w h e n   a  di st u rba nce   or   dat a   readi n g  er r o r  occ u r re n ce  [ 1 ] .  T h e  fi gu re s   ab ov e  m e n tio ned   sh ow  t h at  th e  MPP  con tro l  track s   th e  ch arg ing   o f   th e  b a ck -up   b a ttery  qu ick ly  when   the  sha d i n g  o f   t h e   PV  pa nel   cha nge s  co nsi d era b l y   an d  q u i c kl y .  It   can  be  se en  t h at   a  hi g h   cont rol   preci si on  a n d   stab ility  in   ch arg i n g   fro m   th e  state  o f   ch arg e   o f   th e  b attery  as  d e p i cted   i n   Fi g u re  40 ,  are  o b tain ed .       0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 09 0. 1 -1 0 1 2 3 4 5 6 Ti m e ( s e c ) C u rre n t (A ) Ip v 0 0. 0 1 0. 02 0. 0 3 0. 0 4 0. 05 0. 0 6 0. 07 0. 0 8 0. 0 9 0. 1 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ti m e ( s e c ) V o l t ag e( V) Vo u t              Fi g u re  3 3 .   The  o u t p ut  P V   panel  c u rre nt   wi t h           Fi g u r e  37 .  The C u k  co n v e r t e r  out put   v o l t a ge  wi t h                                           a  s t ep  cha n ge  of   irra diance                             a  ste p   c h ange  of  ir radi ance       d 2 d 1 d 2   d 1 d 2     d 1   Bus/Battery     Co m m utation    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.