TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 3, June 20 15, pp. 428 ~ 4 3 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i3.789 4        428     Re cei v ed Ma rch 1 2 , 2015;  Re vised April  26, 2015; Accepte d  May 1 6 , 2015   Bidirectional Battery Charger for PV Using Interleaved  Fourport DC-DC Converter      A. Elamath y * ,  G. Vi ja y a gow ri, V. Ni v e tha   K. S. Rangasa m y  Co lle ge of  T e c hnolog y, T i ruche ngo de, In dia   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : elamath y 2 1 @ gmai l.com       A b st r a ct   In this  pap er, a  four-p ort bi dir e ction a dc-dc  conv erter  is  pr opos ed for  gri d -interactiv e  p h o tovolta i c   (PV) system a pplic atio n. The  fou r-phas e to pol ogy is su ita b le for resi de n t ial pu mpin g, aeros pace  po w e requ ire m e n ts. T he contro l of  battery a nd d i fferent  ca paciti e of  PV mo d u les are natur ally deco u p l ed.   I n   add ition, the  p o rt interface w i th  PV is current type w h ich can i m p l e m e n t maxi mu m po w e r point track i n g   (MPPT ) and s o ft sw itching u nder w i d e  var i ation  of PV  te rmi nal  volta ge.  F i nal ly, si mul a tion r e sults  a r e   prop osed to ve rify the pow er cont rol i n  differe nt operati on  modes.      Ke y w ords : dc- d c converter, i n tegrate d  three - port,  grid- inte ractive, MPPT, soft-sw itching          Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Grid -interacti ve PV syste m s with  batt e ry  have b e e n  rep o rte d  fo r pea k p o wer shavin g   and  ba ckup  p o we r [1 -3]. Rece ntly, it ha s al so  be en  reporte d to  provide a  soluti on to i m prove  the   power qu ality of the grid. The sm all en ergy st o r ag e integrate d  wit h  re sidential  PV systems  can   effectively re duce the ove r  voltage cau s ed by reve rse power flo w  to maintain th e power q uality  of the grid. More over, the battery- integrate d  PV system s ca n  perform a key powe r  qu ality  function, in cl uding rea c tive power co mpen sati on  and ha rmoni c ca ncellatio n  [7-8]. Integrated  multi-po rt bidi rectio nal d c -d c conve r ter h a s b een prop ose d   for  PV system with battery  ba cku p   [9-10]  due  to  the adva n tag e of lo co st and  hig h  effi cien cy. Howe ver, the  pre s e n ted  conve r te rs  are  not a b le  to ch arg e  th e battery f r o m  the g r id.  More over, th e control  of  battery an PV is  cou p led the r efore the o p e r ation of PV and batte ry w ill affect ea ch othe r. In this pa per, a f our- port conve r te r for g r id- i n teractive PV  system  i s  d e velope d ba sed  on a int e rleave d  bo o s bidire ction a dc-dc co nvert e r [11 - 13]. T he four-p ha se interle a ved  topology i s  suitable for  hi gher  MPP-tra ckin g  co nverte rs,   operating  ra n ge h a s to  be  limited to  th e voltage  le ss tha n  th e M PP  voltage  whe n  the o u tput vo ltage o r   cu rre n t co ntrol  is  a c tive [1]. However, a  multip ort  conve r ter i s   compl e x and  there a r e m o re de sig n  ch alleng es, e. g.  The  control  stru cture. Th e advanta g e s  o f   using multi-port structure  is t hat the  primary sou r ce  only nee ds  to be si ze according to   the  averag e po wer con s ume d  by the load for a sp ecif i c  powe r  ap plication, and all  three po rts  are  cap able of bi dire ctional p o w er flo w  so b a ttery  can be  charged fro m  PV and the grid a s  well . In   addition, the  PV port can i m pleme n t MPPT and ach i eve soft switchin g und er  wide va riatio n of  PV voltage. Therefo r e, the  high efficie n cy will be main tained.       2. Rese arch  Metho d   Figure 1  sh o w s the top o lo gy of multiph a se   interl eav ed fou r-p ort  dc-dc convert e r. Thi s   conve r ter  wa s propo sed in  [14] with detailed de sc ript ion of open -lo op ope ration  prin ciple. In this  pape r, this converte r is a pplied to grid -inter active PV system to achi eve integ r ated MPPT and  bidire ction a l  battery ch arge/di scha rg e func tion.  Thre e-p h a s e  Y-Y type  high frequ ency  transfo rme r are  u s ed  to b oost th e PV v o ltage  and  provide g a lvani c i s olatio n b e t ween  g r id  si de  and PV/batte ry side. T he  battery is  co n necte d to th e  prima r y sid e   dc lin k. Th e voltage of b a ttery  cha nge slo w ly, so the p r imary si de d c -link volt ag e can keep  co nstant. The PV is conn ecte to  the curre n t so urce low volta ge dc p o rt.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bidire ctional  Battery Charger for PV Using Inte rlea ve d Fourport DC-DC  Con v e r ter (A. Elam athy)  429     Figure 1. Top o logy of multipha se  interl e a ved one -po r t dc-d c conve r ter        Figure 2. Modes of vario u s  ope ration fo r pro p o s ed m e thod       All of the three port s  are bi dire ctional  an d a  diod e is a dded to the P V  port for p r o t ection.  Becau s e  the  termin al volt age  of PV a rray va rie s   q u ickly an d freque ntly with  differe nt sol a irra diation lev e l, the dc lo w voltage p o r t with  curren t source h a s the advanta ge to implem ent  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  428 – 43 430 both MPPT   and  soft  swi t ching.  The r e a r e t w o  control  varia b l e of thi s  in tegrated  d c -dc  conve r ter. Du ty  cycle D  i s  use d   to reali z e MPPT  cont rol of PV, a n d  pha se  shift angle  φ  is used   to regul ate th e total po wer by PV and b a ttery. T he P V  and b a ttery power  cont rol are  natu r al ly  decoupl ed, which  will be f u rthe r de scri bed in the fo l l owin g. Figure 2 sh ows th e three  sele cted   typical o peration mo de s of   the g r id-i nteractive PV  s ystem with batt e ry. In mode I, when the solar  irra diation is l o w, the powe r  gene rated b y  PV c annot satisfy the load power req u irem ent so that  the battery  wi ll discha rg e a nd p r ovide  p o we r to th e l oad. Th e p o w er flow is  shown in  (i),  where   Pload =P pv +Pbat. Figure 2 (v)  gives the powe r flow of mode III that there i s  no  power  gene rated  by  PV at night  or  clou dy day , and o n ly ba ttery sup p o r ts the  load, i. e. Pload  = P bat.    There a r e mo re mo de s for  grid -conn ecte d co mbine d  o peratio n. Fo example, the  battery can b e   charged during night when  the pric e of utility electricity is low.   Additionally, the PV can   provide  po wer to b a ttery , load o r  g r id dep endi ng  on the  different cond ition. Figure 3  sho w s th e propo sed  c ont rol algorith m  o f  grid- inte ra ctive PV system  usin g a thre e  port d c -d converte r. The  output cu rre n t Io of dc-d c converte r i s  controll ed  b y   pha se shift angle  φ , and  duty cycle is used to real ize  MPPT. For the sta nd-alone mo de,  the  pha se shift  a ngle  φ  is  co n t rolled by volt age  controller and b a ttery curre n t Ibat is dete r min e d  by  the PV powe r  and l oad  re quire ment. When the PV  pow er i s  lo w, the battery  discha rge s  a nd  provide s   part  of power to  th e load.  Wh en  the  PV po we r is  high, th exce ss  po we r will  cha r ge th e   battery. For  the grid -con necte d PV system, the ba ttery curre n t  Ibat is more flexible a nd  determi ned  b y  state of cha r ge  (SO C ) m anag ement. I f   the battery i s  fully charge d, the extra P V   power  will se nd ba ck to th e grid. T he a v erage  mod e l  of the co nverter is  develop ed to an alyze  its  steady  state  and  dynam ic p e rfo r man c e. Be ca u s e  ea ch p h a s e of p r op osed top o logy  is  symmetri c al  [11], the m o d e ling  of three - pha se  c onve r ter ca b e   treated as  the model of sing le- pha se half-bri dge d c -d c co nverter.       Figure 3. Flow Dia g ra m of Increm ental  Con d u c tan c e  Algorithm       The state va riable s  are the dc in du ctor cu rrent iL d c , the primary  side d c - link  voltage  Vd, and the o u tput voltage vo. The state equatio n is gi ven as,     L   V i n D V d          ( 1 )       Cd   D ildc i o1            ( 2 )       C Φ  Φ   V Φ /R l i Φ 1           ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bidire ctional  Battery Charger for PV Using Inte rlea ve d Fourport DC-DC  Con v e r ter (A. Elam athy)  431 Since the po wer of ea ch p hase is:     P0 V d2 Φ 4 Φ              ( 4 )     The average  value of io1 referred to the  primary  side  is,    i01 P0/V d Φ 4 Φ             ( 5 )     Since the d c -link voltag e kee p con s ta nt le vel, accordin g to Equation (2 ), the output   power Po i s  j u st  relate d to  the  pha se  shift angle.  Th e termi nal vol t age of  PV chang es in  wid e   rang e un der  different am b i ence, and th e duty cycl D in ste ady  state. Un der  different sola irra diation  an d tempe r atu r e, the PV volt age  of maxim u m po we poi nt Vpm i s  diff erent. T he  du ty  cycle D i s  reg u lated by MPPT controll er  usin increm ental con d u c tance method  [15] to achieve  Vpm and MPP. The flow chart of MPPT controll er  is presented  in Figure 3. For the battery   power, Pb at  can  be  exp r e s sed  by, Pbat  = VbatIbat Vbat (Vb a t-V d ) /  Rb at = V bat DV pv / Rbat.  Since Po = Ppv + Pbat = Vpv Ipv + Vb at Ibat = f (  φ  ), the total p o we r of PV and battery ca n be   controlled by  pha se shift angle  φ     3. Results a nd Analy s is  Simulation in  Matlab -Simu link i s  u s e d  t o  verify the  perfo rman ce   of pro p o s ed   system.  The integ r ate d  MPPT function and batt e ry ch arg e /d i s charge o peration, as  well  as the sy ste m   transi ents b e t ween differe nt modes a r e sele ct ed i n  simulatio n  and experi m ental re sult to   evaluate the  controlle r pe rforman c e. Fi gure  6 and  F i gure  7 sh ow the simulatio n  re sults in t he  con d ition of varied  sola r irra diation. Th e PV  1 pane l has the foll owin g sp ecifi c ation s : und er  1000 W/m2 i r radiation, the  maximum po wer point i s  V m  = 5 4 .7V an d Im = 5.5 8 A; the ope n ci rcuit  voltage Voc i s  64.2V and  sho r t circuit  curre n Isc is 5.96A. 5*66  PV panels a r e co nne cted  in   parall e l to g e nerate d  p o wer u p  to 3K W an d the P V  2 pan el ha s the foll owin g sp ecifi c atio ns:   unde r 100 0W/m2 irradi atio n, the maximum power  poi nt is Vm = 54.7V and Im =  5.58A; the open  circuit voltage  Voc is 64.2V  and sh ort ci rcuit  cu rrent Isc is 5.96A. 5* 66 PV panel s are conn ecte in pa rallel  to  gene rated  po wer up  to 3K W. Th e b a ttery pack’ s volta ge i s  5 0 V an d outp u t volta ge  is 58.89V. At  first, when th e irradi ation is low,  both PV and provid e powe r  to the load, i.e. mode   I. When th e i rra diation i s   high, the p o wer g ene ra ted  by PV not on ly supp ort s  th e load  but al so  charges the  battery, whi c is m ode  II. During cl oudy  day or night,  Pp v is  0, and  battery provides   all the  po we r to the  loa d For th grid -conne cted  sy stem, the b a ttery  curre n t can b e   cont rol l ed   by SOC man ageme n t. In Figure 6, wh en the battery  is almost f u ll, the curre n t decrea s e s  to  1.5A. The  exce ssive  po we r fro m  PV i s   sent ba ck  to  th e g r id. Th e th ree - ph ase bi d i rectio nal  dc-dc  conve r ter is u s ing  ATMe ga  micro  digital   controlle r. Th e pa ram e ters of PV a r ray  are: Vp = 4 0 V,  Voc = 48V, Imp=5 * 5.4A, Isc  = 5*5.8A. The prim ar y side d c  link i s  con n e c ted  to a 12V battery  pack.  Figu re 6  sho w the experim ental results  of mo de ch ang e. The Po is fixed 50W. Th e PV  power i s  from  50W d o wn to 0W a nd b a ttery is  from  chargi ng mo d e  to discha rgi ng mod e . It can   be se en that,  the total output power i s  provide d  by  b a ttery and th e output current is not affe cted   durin g the m ode tra n si ent . Figure  7 shows the  experim ental re sults  wh en t he PV termi nal  voltage  cha n ges from  4 0 0 V  to 50 0V, i.e. the  so l a r i r radiatio n i s  from 2 0 0 W /m2  to 1 000 W/m 2 The power from PV will increase  and that from battery will de crease.  When the PV power i s   highe r than  requireme nt, the battery i s  cha r ge d by PV. Figure 8  and 9  sho w s expe riment al  results  of the   load  ch angin g  with  differe nt PV volt age . The  experim ental results il lustrate  that t h e   power ex cha nge  can  be realized am on g three  po rt s and o u tput  power i s  not  affected by t he  dynamic p o wer  distri bution  between  PV and  batte ry  sin c e it  is co ntrolled  by  p hase  shift a n g le.    For fo ur-po r conve r ter, th e switche s   can al so   s a t i sf y  t he ZV S   co ndit i on s if   sm all d c  in du ct o r are  utilize d  a nd the volta g e on b o th  sides  of  the transfo rme r  a r e matched.  The p a ra met e rs  use d  for simu lating the pro posed algo rit h m. The sim u lation re sult s are obtai ne d as follows (e.g.  Figure 6, 7, 8, 9)      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  428 – 43 432   Figure 6. Irra dian ce, Input & Output power  grap h for PV panel   Figure 7. Irra dian ce, Input & Output Voltage  graph with time in s e c o nds             Figure 8. Input voltage an d curre n t for motor  with time in sec o nds  Figure 9. Cha r acte ri stics of motor sp eed  and  torque       In this se ction ,  it is explained the re sults  of  rese arch a nd at the sam e  time is given the       4. Conclusio n   In this pape r, a four-port dif f erent ca pa cities  of PV system with batte ry using inte rl eaved  bidire ction a l dc-dc  conve r ter wa s pro p o se d.  The hi gh frequ en cy transfo rme r s provide voltage  boo st capa bili ty and g a lvan ic i s olatio n. PV and  batte ry  interfa c ing  wi th different  type of  port s   ca reali z e MPPT  and  soft switchin g un der  wide va riatio n of PV voltage. The t w control vari ab les,   duty cycl an d ph ase  shift  angl e,  can  b e  contro lled  i ndep ende ntly to reali z e  M PPT and  po wer  flow between  energy source s and lo a d .  The benefit of bidirectio nal power flo w  is helpful t o   manag e the  SOC of battery in grid con n e c ted m ode. Simulati on and exp e r imental  resu lts   verified the principl es.         Referen ces   [1]    Yen-Mo  Che n ,  Ale x  Q Hu an g ,  Xu n w e i  Yu.  A Hig h Step-U p  T h ree-Port D C –DC  Co nvert e r for Stand- Alone PV/Batter y  Po w e r S y st ems.  IEEE  Transactions on Power Electronics .  2013; 28( 11): 504 9-50 62.   [2]    Josep h  Carr, Juan C a rlos Ba lda, Ala n  Mant oot h. A High  Freque nc y   Lin k  Multiport Co nverter Utilit Interface for Ren e w a ble E nerg y  R e so ur ces  w i th Inte grated E nerg y  Storage.  IEEE Jo u r na l  of  Photovo l taics.  201 0: 354 1-35 48.   [3]    Dan w e i   Liu, H u i Li. A Z VS Bi-Directi on al  DC–D C  Co nve r ter for Multipl e  Ener g y  St orage El eme n ts .   IEEE Transactions on Power  Electronics.  20 06; 21(5): 1 513 -151 7.  [4]    Gui-Jia S u , F ang P e n g . A Lo w   Cost, T r ip le-Voltag e  Bus DC-D C  Conv erter fo r Automotiv e   Appl icatio ns.  IEEE Journal of  Photovoltaics.  200 5: 101 5-10 21.   [5]    Z han W a n g , H u i L i . An Integr ated T h ree-Por t  Bidirecti ona DC–D C  C onve r ter for PV App licatio n o n   a   DC Distrib utio n  S y stem.  IEEE Transactions on Power Electronics.  20 13; 28 (10): 461 2-4 6 2 4 [6]    Quan Li, Pete r W o lfs. A Revie w  of the Si ngl e Phas e Photovo l taic Mo dul e Integrate d  Conv ert e r   T opologi es  w i t h  T h ree Differ ent DC  Link  C onfig uratio ns.  IEEE Transactions on Power  Electronics.   200 8; 23(3): 13 20-1 333.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bidire ctional  Battery Charger for PV Using Inte rlea ve d Fourport DC-DC  Con v e r ter (A. Elam athy)  433 [7]    Oscar Luc ia, I gor  Cvetkovic,  Hector  Sar n a go, D u sh an  B o ro yev i ch, P a olo  Mattave lli,  Fred  Lee.   Desig n  of Hom e  Appli anc es for a DC-Base d  N ano grid S y stem: An Induction Ra nge Stud y Cas e IEEE   Journ a l of Eme r gin g  and S e le cted T opics in  Pow e r Electron ics.  2013; 1(4):  315-3 26.   [8]    Chihc h i ang  H u a, Jon g ro ng  Li n, Ch ihmi ng  S hen.  Imp l eme n tation  of  a D SP-Contro lle Photovo l tai c   S y stem  w i th P eak Po w e r T r a cking.  IEEE Transacti ons o n  Industri a l Electr onics.  19 98; 45 (1): 99-10 7.  [9]    Chu anh on g Z hao, Simon D  Rou nd, Joh a n n  W  Ko lar. An Isolated T h ree-Port Bidir e cti ona l DC-D C   Conv erter  w i t h  Deco up led  Po w e r F l o w   Ma n agem ent.  IEEE  T r ansacti ons  on P o w e r Elec tronics.  2 008 ;   23(5): 24 43- 24 53.   [10]   A li Bidr am, Ali  Davou d i, Ro b e rt S Balog. C ontrol a nd C i rc uit T e chniqu es  to Mitigate Pa rtial Sha d i n g   Effects in Photovolta ic Arra ys .  IEEE Journal of Photovolt a ic s.  2012; 2(4): 5 32-5 46.   [11]    Aarton J oha n  Lub is, Er w i n  Susa nto, Un ang  Sun a r y a.   Impleme n tati on of M a ximu m Po w e r  Poi n t   T r acking on  Ph otovolta ic Us in g F u zz Lo gic  Algorit hm.  TELKOMN I KA Te le comm un i c a t ion  Com p u t ing  Electron ics an d Contro l .  201 5; 13 ( 1): 32- 4 0 [12]    Ding y u e  C hen,  Xia L i , Liha o Che n , Yong hui  Z hang, Li Ya ng, Songs on g Li.   Basal Study  on Po w e r   Contro l Strate g y  for F u el  Ce ll/Batter y  H y b r i d  Ve hicl e.  T E L K OMNIKA T e leco mmu n icati o n C o mputi n g   Electron ics an d Contro l .  201 5; 13 ( 2): 42 1- 431.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.