I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em s   ( I J P E DS)   Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 4 ,   p p .   2 3 9 7 ~ 2 4 0 8   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 5 . i4 . p p 2 3 9 7 - 2 4 0 8       2397     J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Ro bust ada ptive s liding  mo de cont r o l of a bidirec tion a l DC - D C  co nv erte r  feeding  a resis tive a nd  C PL bas ed on  PS O       J uli us   Der g he  Cha m 1 ,   F ra ncis   L én ine  Dj a nn a   K o f f i 1 ,   Ale x a nd re   T epla ira   B o um 2 ,   Ambe H a rr is o n 3   1 Te c h n o l o g y   a n d   A p p l i e d   S c i e n c e s   La b o r a t o r y   ( LA TS) ,   U n i v e r si t y   o f   D o u a l a ,   D o u a l a ,   C a m e r o o n   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   EN S ET ,   U n i v e r si t y   o f   D o u a l a ,   D o u a l a ,   C a m e r o o n     3 D e p a r t m e n t   o f   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   C o l l e g e   o f   Te c h n o l o g y ,   U n i v e r si t y   o f   B u e a ,   B u e a ,   C a mer o o n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   2 3 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Au g   2 0 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   2 9 ,   2 0 2 4       A  DC - DC  c o n v e rter  f u n c ti o n in g   i n   b id irec ti o n a l  (tw o - wa y )  m o d e   i s  a   c ru c ial   c o m p o n e n t  o f  d irec t  c u rre n t   (DC)  m icro g rid s  si n c e   it   a ll o ws   e lec tri c i ty   t o   fl o w   in   b o t h   d irec ti o n s.  H o we v e r,   b e c a u se   o f  l o a d   c h a n g e s  a n d   o th e r  f a c to rs,  th e   DC - b u s  v o lt a g e   m ig h t  b e c o m e   u n sta b le.  Th is  re se a rc h   p ro p o se s   a   ro b u st   a d a p ti v e   c o n tro l ler  fo r  a   h a lf - b ri d g e   two - wa y   DC - DC  c o n v e rter  fo u n d e d   o n   p a rti c le sw a rm   o p ti m iza ti o n   (P S O ).   Us in g   a   DC - DC  h a lf - b ri d g e   b i d irec ti o n a l   c o n v e rter,  t h e   e ffe c ti v e n e ss   o f  v a rio u s  c o n v e n ti o n a l  a n d   p r o p o s e d   c o n tr o l   tec h n iq u e s  is  i n v e sti g a ted .   I n   c o m p a riso n   t o   a   c o n v e n ti o n a l   slid i n g   m o d e   c o n tro ll e r  (CS M C),   it   is  f o u n d   t h a t  a   P S O - b a se d   sli d in g   m o d e   c o n tr o l  with   a n   a d a p ti v e   law   is   th e   o p ti m a l  c o n tr o l  a p p r o a c h   f o r  a   b id irec ti o n a l   h a lf - b rid g e   DC - DC  c o n v e rter.  T h is  is  b e c a u se   m in ima l  ste a d y - sta te  e rro r  a n d   t h e   sh o rtes t   risin g   a n d   se tt li n g   ti m e s  a re   g u a ra n tee d .   Th e   b e n e fit s   o f   r o b u stn e ss ,   c h a tt e rin g   re d u c ti o n ,   a n d   sim p le   d e sig n   a re   c o m b in e d   i n   th e   s u g g e ste d   c o n tr o ll e r,   wh ich   is  e sp e c ially   b e n e ficia l  wh e n   d e a li n g   w it h   lo a d   a n d   i n p u t  v o lt a g e   c h a n g e s.  Th e   c o n tro ll e r  e n su re s  r o b u stn e ss   a n d   sta b il it y   i n   t h e   fa c e   o f   p a ra m e ter  c h a n g e s.   Nu m e rica l  sim u latio n s c o n d u c ted   in   a   M AT LAB - S imu li n k   e n v i ro n m e n t  o n   a   DC - DC  h a lf - b rid g e   c o n v e rter  o p e ra ti n g   i n   b i d irec ti o n a l  m o d e   sh o w  th e   c o n tro ll e r' s imp ro v e d   p e rf o rm a n c e   o v e r  it s e x isti n g   c o u n ter p a rt.   K ey w o r d s :   B id ir ec tio n al  h alf - b r i d g e     DC - DC   co n v er ter   C o n s tan t p o wer   lo ad   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   R o b u s t a d ap tiv e  co n tr o ller   R o b u s t c o n tr o ller   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   J u liu s   Der g h e  C h am   T ec h n o lo g y   an d   Ap p lied   Scien ce s   L ab o r ato r y   ( L AT S),   U n iv er s ity   o f   Do u ala   P.O.   B o x ,   7 2 3 6   Do u ala,   C am er o o n   E m ail:  ju liu s . ch am @ y ah o o . c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   Sin ce   th ey   m ak e  it  p o s s ib le  to   em p lo y   r e n ewa b le  en er g y   s o u r ce s   lik e  win d ,   s u n ,   an d   f u el,   d ir ec t  cu r r en t   ( DC )   m icr o g r i d   in s tallatio n ,   co n tr o l,   an d   ex p l o itatio n   h av e  g ar n e r ed   in cr ea s in g   atten tio n   in   th e   wo r ld .   I n   ad d itio n ,   DC   m icr o g r i d s   h av e   s ev er al  ad v an tag es  o v e r   alter n atin g   cu r r en t  ( AC )   g r id s ,   in clu d in g   p h ase  an d   f r eq u e n cy   m an ag e m en t,  m in i m al  co n v er s io n   tim es,  an   ea s y - to - m a n ag e  co n tr o l  s tr u ctu r e ,   an d   th e  ab s en ce   o f   r ea ctiv e  p o wer   co m p e n s atio n   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   A   p o s s ib le  alter n ativ e  f o r   e n er g y   s u p p l y   is   DC   m icr o g r id s ,   wh ic h   ar e   k n o wn   f o r   th eir   ex ce llen t  r eli ab ilit y   an d   s to r ag e  ca p ac ity   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   DC   m icr o g r id s   h av e  m an y   u s ef u l  f ea tu r es,   b u t  th e y   s till   h av e   s o m e   d r awb ac k s   th at  n e ed   t o   b e  ad d r ess ed ,   lik e  c o n s tan t  p o wer   l o ad   ( C PL)   an d   p u ls ed   p o wer   lo ad   ( PP L )   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   T h e  ten d e n cy   o f   p o we r   elec tr o n ic  lo ad s   t o   co n s u m e   co n s tan t  p o wer   w h e n   clo s ely   r e g u lated   lead s   to   n eg ativ e  in cr em en tal   im p ed an ce   ch ar ac te r is tics ,   w h ich   lo wer   th e  d am p in g   co e f f icien ts   an d   cr ea te  in s tab ilit y   in   th e  DC   b u s   v o lta g e  [ 7 ] .   T h e  p u ls ed   p o wer   lo ad ,   w h ich   h as a   ten d e n cy   to   d r aw   a  lar g e  q u an tity   o f   p o wer   in   a  b r ie f   len g t h   o f   ti m e,   is   an o th e r   p r o b lem   with   DC   m icr o g r id s .   P u l s e d   p o w e r   l o a d   b e h a v i o r   is   c o m m o n l y   o b s e r v e d   o n   m i c r o g r i d s ,   s u c h   a s   t h o s e   f o u n d   i n   e l e c t r ic   v e h i c l es ,   s h i p s ,   a n d   a ir p l a n e s .   A   s y s t e m   b e c o m e s   u n s t a b l e   w h e n   a   m ic r o g r i d   i s   m o v e d   f a r   f r o m   a   f i x e d   o p e r a t i o n a l   p o i n t   b y   a   p u l s e d   p o w e r   l o a d   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2397 - 2 4 0 8   2398   Ad d itio n ally ,   th e   n o n li n ea r   b e h av io r   o f   DC   m icr o g r id s   with   C PL  p o s es  s ig n if ican t  ch allen g es  to   th e   ap p licatio n   o f   lin ea r   c o n tr o l  in   an   ef f o r t  to   r e g u late  th e  s y s tem   [ 8 ] .   T h e  p r im ar y   co m p o n en ts   o f   DC   m icr o g r id s   th at  s er v e  as   in ter f ac es  b etwe en   m icr o g r id s   an d   en er g y   s o u r ce s   o r   b etwe en   two   m ic r o g r i d s   with   v a r y in g   b u s   v o ltag es  ar e  two - way   DC - DC   co n v er ter s   [ 5 ] .   Fu r t h er m o r e,   p o wer   ca n   f lo w  in   two   d ir ec tio n s   with   b id ir ec tio n al   DC - DC   co n v er ter s ; n ev e r th ele s s ,   th er e  ar e   co n ce r n s   r eg ar d in g   th eir   r eg u latio n   in s id e  th e   D C   m icr o g r id .   Ma n y   r esear ch er s   h av e   d ev el o p ed   lin ea r   o r   n o n lin ea r   c o n tr o l   alg o r ith m s   in   th e   liter atu r e  t o   s o lv e  s o m e  o f   th ese  is s u es  with   DC   m icr o g r id s   th at  ar e  f ed   b y   o r   r ec eiv e  p o wer   f r o m   DC   p o wer   co n v e r ter s .   A  n o n lin ea r   d o u b le - in te g r al   b ac k s tep p in g   s lid in g   m o d e  co n tr o ller   was e x ten s iv ely   s tu d ied   an d   u tili ze d   to   s tab ilize  th e  DC   b u s   v o ltag e  o f   a  DC - DC   co n v er ter   co n n ec te d   to   a  C PL  [ 9 ] .   T h e   b o o s t  co n v er ter   th at  f ee d s   C PLs  with   m in im al  s tead y - s tate  tr ac k in g   er r o r   an d   q u ick   tr an s ien t  r ea ctio n s   e n s u r es  DC - bus   v o ltag e   s tab ilit y   ev en   in   th e   f ac e  o f   s ig n if ican t  d is tu r b an ce s ,   ac co r d in g   to   th e  co n tr o ller .   I n   o r d er   t o   in cr e ase  th e  DC   b u s   v o ltag e  s tab ilit y   in   a  r en ewa b le   en er g y - b ased   DC   m icr o g r id ,   a  two - way   DC - DC   co n v er t er   is   co n tr o lled   b y   a   p r o p o r tio n al  in teg r al   ( PI )   co n tr o ller ,   wh ich   is   p r esen ted   in   [ 1 0 ] .   Ho wev er ,   in   th e  ev e n t  o f   p ar am eter   f lu ctu atio n s ,   a   PI  co n tr o ller   is   n o t   r o b u s t  [ 1 1 ] .   A  n ew  c o n tr o l  a p p r o ac h   f o r   DC   m icr o g r i d s   f ee d in g   a  s tead y   p o wer   lo ad   was  d ev elo p ed   b y   th e   au th o r s   in   [ 7 ] .   I n   ad d itio n   to   s tab iliz in g   th e  s y s tem   as  a  wh o le,   th e  b u ck   c o n v er te r   was  ad j u s ted   to   ig n o r e  t h e  im p ac ts   o f   o u ts id e  u n ce r tain ties   an d   d is tu r b an ce s .   A  b u ck   co n v er ter   p r o v id i n g   a  co n s ta n t  p o wer   lo ad   was  s u g g ested   to   h av e  a   s tr o n g   n o n s in g u lar   ter m in al  s lid in g   m o d e  co n t r o l in   [ 1 ] .   T h ey   lo o k ed   in to   h o w   to   s tab ilize  th e  b u s   v o ltag e  in   a  DC   m icr o g r id   ( MG )   th at  s u p p lies   a  C PL.   I n   th eir   s tu d y ,   th e y   u s e  a   n o n s in g u lar   ter m in al   r o b u s t  s lid in g   m o d e  c o n tr o lle r   to   s tab ilize  th e  m ain   DC   b u s 's  o u tp u t  v o ltag e.   T h is   co n tr o ller   elim in ates  th e   s in g u la r ity   is s u e  th at  h ap p en s   with   tr ad itio n al  ter m in al  s li d in g   m o d e  c o n tr o ller s .   W h ile   two - way   DC - DC   co n v er ter s   f ee d in g   C PLs  h av e  b ee n   th e  s u b ject  o f   a  f ew  s tu d ies,  o n e - d ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter s   h av e  r ec eiv ed   th e  m aj o r ity   o f   p r o p o s ed   wo r k s '   atten tio n .   A  r esil ien t  s lid in g   m o d e   co n t r o ller   was  s u g g ested   b y   th e   au th o r s   in   [ 1 2 ]   f o r   a   two - wa y   DC - DC   co n v er ter   th at   in ter f ac es  with   a  s to r a g e  u n it  in   a   DC   m icr o g r id   th at  is   d o m in ate d   b y   C PLs.  T h e  s u g g ested   co n tr o ller   g u a r an tees  tig h t  r estrictio n s   o n   DC   b u s   v o ltag e  r eg u latio n .   T h e  wr iter s   o f   [ 5 ]   an d   [ 1 3 ]   p r o v id e  an   o v er v iew  o f   two - way   DC - DC   co n v er ter   a d v an ce d   co n tr o l  tec h n iq u es  in   DC   m icr o g r id s   an d   en u m er ate  th e  b est - ad v an ce d   co n tr o ller s   f o r   th ese   ty p es  o f   co n v er ter s .   T h e  r e v i ew  d is cu s s ed   a  n u m b er   o f   co n tr o l  s tr ateg ies,  ea ch   with   p r o s   an d   co n s ,   in clu d in g   m o d el  p r e d ictiv e  co n tr o l,  b ac k s tep p in g   co n tr o l,  s lid in g   m o d e   co n tr o l,  p ass iv ity - b ased   co n tr o l ,   o b s er v e r /est im atio n - b ased   tech n iq u es,  an d   in te llig en t  co n tr o l.  A  two - way   DC - DC   co n v er ter   with   a  d y n am ic  C PL  was  co n s tr u ct ed   with   s lid in g   m o d e  c o n tr o l   ( SMC )   in   [ 2 ] .   I n   co m p ar is o n   to   th e  c o n v e n tio n al  PI   co n tr o ller   an d   in teg r al  p r o p o r t io n al  in teg r al  d er iv ativ e  ( I PID )   co n tr o ller ,   th e  s u g g ested   co n tr o ller   tu r n ed   o u t  to   b e  m o r e  r eliab le.   A  co n tin u o u s - tim e  m o d el  p r ed ictiv e  co n tr o l  o f   C PL  s tab ilit y   in   D C   m icr o g r id s   was  d esig n ed   by  Alid r is s i  et  a l.   [ 1 4 ] .   T h eir   s im u latio n   f in d in g s   s h o w  th at  th ey   p er f o r m e d   well  with   r eg ar d   to   tr an s ien t   r esp o n s iv en ess ,   s tab ilit y ,   an d   o p tim al  tr ac k in g .   Mo d el  p r ed i ctiv e  co n tr o l  ( MPC )   d o es  h av e  a  p r o b lem   with   a   lar g e  co m p u tatio n al  b u r d e n .   Mo r eo v er ,   th e  wh o le  p lan t  m o d el  w as  n ee d ed   f o r   th e  s y s tem   d esig n ,   wh ich   m ig h t  n o t  alwa y s   b e  av ailab le  [ 5 ] .   B ec au s e  o f   its   u n it  p r o p er ties ,   wh ich   in clu d e  en h a n ce d   d y n a m ics  an d   r o b u s tn ess   f o r   n o n - lin ea r   s y s tem s ,   th e  S MC  s tan d s   o u t  as   a  p o p u lar   co n tr o l   ap p r o ac h ,   as  d escr ib e d   in   th e   liter atu r e   m en tio n ed   ab o v e.   Ho wev e r ,   wh en   th e  c o n tr o ller ' s   g ain s   ar e  f ix ed ,   SMC   ex p er ien ce s   ch a tter in g   p r o b lem s   an d   p er f o r m s   m o d er ately   in   th e  p r esen ce   o f   s ig n if ican t  d is tu r b an ce s .     I n   an   ef f o r t  to   less en   th e   ch atter in g   ef f ec t,   its   b o r d er   lay er   jeo p ar d izes  tr ac k in g   r o b u s tn ess   an d   p er f o r m an ce   [ 1 5 ] .   W h ile  th e  s ec o n d - o r d er   SMC   p r o v id es  s ig n if ican t  s o lu tio n s   f o r   h ig h - f r eq u en cy   c h atter in g ,   th e  co n tr o l  s y s tem   m u s t  p er f o r m   n u m er ical   d if f e r en tiatio n ,   wh ich   is   n o t   alwa y s   a  r elia b le  p r o ce d u r e  [ 1 6 ] .   Kap lan   an d   B o d u r   [ 1 7 ]   p r o p o s ed   a n   SMC   wi th   a  s u p p er - twis tin g   alg o r ith m   f o r   a  s tep - d o wn   co n v e r ter   with   C PL.   Pre v io u s   wo r k s   h av e  f o c u s ed   o n   u s in g   d if f er en t  tech n iq u es  o f   o p tim izatio n   to   am elio r ate  th e  p er f o r m a n ce   o f   th e   SMC   in   DC - DC   p o wer   c o n v er ter s .   Am o n g   th e   m eth o d s   f o r   o p tim izatio n   a r e  p ar ticle  s war m   o p tim izatio n ,   g en etic  alg o r ith m s ,   an d   h o n ey   b ee   o p tim izatio n   alg o r ith m s   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] .   Alth o u g h   t h e  p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PSO )   alg o r ith m   h as  d em o n s tr ated   its   wo r th   as  an   o p tim izatio n   to o l  in   s ev er al  DC - DC   p o wer   co n v er ter s ,   its   ap p licatio n   is   l im ited   to   h al f - b r i d g e  DC - DC   co n v er ter s   o p er atin g   in   b id ir e ctio n al  m o d es  wit h   ad ap tiv e  s lid in g   m o d e  co n tr o l  ( ASMC)  [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   T h is   p ap er   p r o p o s es  a  PS O   f o r   b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter   f ee d in g   r esis tan ce   an d   C P L   b ased   o n   ASMC  m an ag em en t  with   a   m o d if ied   s lid in g   s u r f ac e.   B y   en ab lin g   th e   o u t p u t  v o ltag e  to   r e m ain   co n s tan t  at   th e   tar g eted   C PL  p o we r   v al u es,  th e  s u g g ested   c o n tr o ller   wi ll  en s u r e  r o b u s tn ess   an d   s tab ilit y   f o r   th e  DC   m icr o g r id .   Nu m er ical  s im u latio n   is   u s ed   to   im p lem en t  th e  s u g g ested   co n tr o ller   in   a  MA T L AB - Simu lin k   co n te x t.  T h e  f o llo win g   ar e   th is   p ap er ' s   m ain   co n tr ib u tio n s :   -   T o   co n tr o l  th e  b u s   v o ltag e  in   a  h alf - b r i d g e  two - way   DC - D C   co n v er ter   u s ed   in   DC   m icr o g r id   ap p licatio n s ,   a  s lid in g   m o d e  co n tr o ller   with   an   ad ap tiv e   law  en h a n ce d   b y   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( ASMCP SO)   was   p r o p o s ed .     -   I t h as b ee n   d em o n s tr ated   t h at  s lid in g   m o d e  c o n tr o l e x is ts   an d   is   s tab le.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       R o b u s t a d a p tive  s lid in g   mo d e  co n tr o l o f a   b id ir ec tio n a l D C - DC   co n ve r ter fee d in g   …   ( Ju liu s   Derg h e  C h a m )   2399   -   Usi n g   n u m er ical  s im u latio n   in   a  MA T L A B - Simu lin k   en v ir o n m en t,  th e  co n tr o ller ' s   p er f o r m an ce   h as  b ee n   v er if ied .   -   T h e  co n tr o ller ’ s   r o b u s tn ess   h as  b ee n   d em o n s tr ated   u n d er   wid e  v ar iatio n s   in   s o u r ce   v o lt ag e,   C PL  p o wer ,   an d   r ef e r en ce   v o ltag e  in   b u ck   as we ll a s   b o o s t m o d es o f   o p er atio n .   T h is   p ap er   co n tin u es a s   f o llo w s   f o r   th e   r em ain d er   o f :  i)   T h e  b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v e r ter   to p o l o g y   u n d er   c o n s id er atio n ,   al o n g   wi th   its   m ath em atica l  m o d elin g ,   is   p r o v id ed   in   s ec tio n   2 ;  ii)   T h e  d esig n   o f   t h e   s u g g ested   co n tr o ller   an d   th e  SMC   ar e  co v er ed   in   s ec tio n   3 ;  iii)   T h e  p r o p o s ed   co n tr o ller   an d   th e  co n v en tio n al   s lid in g   m o d e  co n tr o ller ' s   s im u latio n   r esu lts   ar e  ex p lain e d   an d   co n t r asted   in   s ec tio n   4 ;  an d   iv )   T h is   p ap er   co n clu d es with   a  d is cu s s io n   o f   p o ten tial f u tu r e  d ir ec tio n s   in   s ec tio n   5 .       2.   M E T H O DO L O G Y   2 . 1 .   Descript io n o f   t he  a do pte d m et ho do lo g y   I n   o r d er   to   d esig n   an   id ea l  c o n tr o l  s o lu tio n   f o r   a  two - way   DC - DC   co n v er ter ,   th is   r esear ch   tak es  a  th o r o u g h   a n d   m et h o d ical  a p p r o ac h .   Fig u r e   1   s h o ws   b lo ck   d ia g r am ,   w h ich   g r ap h ically   d ep icts   th e   m eth o d o l o g ical  s tr u ctu r e,   a n d   p r o v id es   a  clea r   an d   s u cc in ct   s u m m ar y   o f   th e   wh o le   p r o ce d u r e.   Usi n g   n u m er ical   s im u latio n s   an d   im p lem en tati o n s   in   th e  en v ir o n m en t  o f   MA T L AB /S im u lin k ,   we  v er i f y   th e  s tab ilit y   an d   ef f icac y   o f   th e  s u g g ested   co n tr o l  s y s tem s .   W e  ca n   m o d el,   a n aly ze ,   an d   o p tim ize  co m p lic ated   co n tr o l  s y s tem s   with   th is   s im u lati o n   p latf o r m ' s   f lex ib le  an d   p o ten t   to o l k it,  wh ich   en ab les  u s   to   th o r o u g h ly   ass ess   th e  ef f ec tiv en ess   o f   o u r   s u g g ested   s o lu tio n s   in   a   r a n g e  o f   o p er atio n al  s ce n ar io s .   T h e   p r o c ed u r e   s tar ts   with   a   th o r o u g h   m ath e m atica l  m o d e lin g   o f   th e  ad o p ted   co n v er te r   th at  tak e s   in to   co n s id er atio n   its   two   d if f er en t  o p er atin g   m o d es,  b o o s t ,   an d   b u ck .   T h is   m o d elin g   s tag e  is   e s s en tial  b ec au s e  it  e s tab lis h es   th e  f r am ewo r k   f o r   co m p r eh e n d in g   th e  b eh a v io r   o f   th e  d y n am ic  s y s tem   an d   p in p o in tin g   th e  cr u cial  v ar i ab les  th at  af f ec t  its   f u n cti o n ality .   W e  d esig n   t h e  c o n tr o ller s   f o r   ea c h   m o d e  o f   o p er atio n   af ter   th e  m o d elin g   s tag e.   W e  p ain s tak in g ly   d esig n ed   th ese  co n tr o ller s   to   ad d r ess   s p ec if ic  is s u es  r elate d   to   th e  co n v er ter ' s   n o n lin ea r   d y n am ics.  T h e  n ex t   s tep   af ter   d esig n   is   o p tim izatio n   wh en   s o p h is ticated   m eth o d s   lik e  p ar ticle  s war m   o p tim izati o n   a r e  u s ed   to   ad ju s t  th e  co n tr o ller   p ar am eter s   f o r   t h e  b est  r esu lts .   Ultim ately ,   t h e  r eg u lated   s y s tem   is   p u t  in to   p r ac tice  with in   th e   en v ir o n m en t  o f   MA T L AB /Si m u lin k   th r o u g h   ex ten s iv e  test in g   in   a  v ar iety   o f   s ce n ar io s .   T h ese  test s   en ab le  u s   to   f u lly   ex a m in e  th e  s y s tem ' s   ca p ab ilit ies b y   v ar y i n g   th e  s o u r ce   v o ltag e,   C PL,   an d   th e  d esi r ed   o u t p u t v o ltag e.           Fig u r e  1 .   A   th o r o u g h   e x p lan at io n   o f   t h e  r esear ch   m eth o d s       2 . 2 .   Descript io n o f   a   DC  m icro g r id   R esear ch   is   b ein g   d o n e   o n   a   two - way   DC - DC   co n v e r ter ,   w h ich   is   o n e  o f   th e   k e y   co m p o n en ts   o f   a   DC   m icr o g r id   th at  s u p p lies   C PLs.  T h e  b asic  d esig n   o f   a  DC   m icr o g r id   th at   s u p p lies   b o th   DC   an d   alter n atin g   c u r r e n t   ( AC )   lo ad s   is   s h o wn   in   Fig u r e   2 .   I n   th e   m ea n tim e,   Fig u r e   3   s h o ws  th e  an alo g o u s   cir cu it  o f   a  h al f - b r i d g e  two - way   DC - DC   co n v er ter   th at   ca n   f u n ctio n   in   b o th   b o o s t  an d   b u ck   m o d es   wh en   f ed   C PL.   A  b atter y   o r   s to r ag e   u n it,  a  two - way   DC - DC   co n v er ter   th at  c o n n ec ts   th e   g r id   a n d   th e   b atter y ,   an d   a  DC   m ic r o g r id   m ak e   u p   th e   s y s tem .   T h e  o b jectiv e  is   to   h av e  th e  two - way   DC - DC   co n v er ter   r u n   in   b o th   b o o s t  an d   b u ck   m o d es  wh ile   m ain tain in g   a  s tead y   DC   b u s   v o ltag e.   T h e  b atter y   ab s o r b s   an d   s to r es e x ce s s   p o wer   f r o m   t h e  d is tr ib u ted   p o wer   s o u r ce .   T h e  s to r ag e   u n it   d is ch ar g es  to   k ee p   th e  DC   m icr o g r id ' s   p o wer   b alan ce   wh en   th e  g r id ' s   elec tr icity   is   in s u f f icien t   [ 2 ] .     2 . 3 .   M o dellin g   o f   bid irec t io na l D C - DC  co nv er t er   R ef er en ce s   [ 1 2 ]   p r o v id e  th e  s tr u ctu r e  o f   th e  two - way   DC - DC   co n v er ter   s u p p ly in g   th e  C PLs  th at  n ee d   to   b e  m o d eled   an d   m an a g ed .   Fig u r e  3   illu s tr ates th e  eq u i v alen t c ir cu it sch em atic  o f   th e   co n v er ter   b ased   o n   th e   two   m o d es  o f   o p er atio n :  Fig u r e  3 ( a)   f o r   b u ck   m o d e   an d   Fig u r e  3 ( b )   f o r   b o o s t  m o d e ,   r esp ec tiv ely .   T h e   eq u iv alen t  cir cu it  o f   th e  c o n v e r ter   u s ed   f o r   ch ar g in g   a n d   d is ch ar g in g   th e   b atter y   is   p r esen te d   i n   Fig u r e  3   b ec au s e  th e  s witch es  ar e  co m p l e m en tar y ,   m ea n in g   th at  wh en   o n e  is   o n ,   th e  o th er   is   o f f ,   an d   v ice  v er s a  [ 1 2 ] .   As  a  r esu lt,  th e  co n tr o l  in p u t  d   is   d esig n e d   as  d   ∈   {0 , 1 }  wh en   it  is   o n   a n d   o f f ,   r esp ec tiv ely .   I n   th is   s y s tem ,   th e  co n v er t er   lo wer s   th e  DC   b u s   v o ltag e  t o   c h ar g e  t h e  b atter y   an d   in c r ea s es  th e  b atter y   v o ltag e  to   s u p p l y   t h e  lo ad s   c o n n ec ted   to   th e  DC   b u s .   A  r esis tan ce   lin k ed   in   p ar allel  to   a  C PL  r ep r esen ts   th e  lo ad   in   ea c h   m o d e.   B u ck   m o d e   as  in   ( 1 )   an d   b o o s t  m o d e  as  in   ( 2 ) ,   wh i ch   ca n   b e  f o u n d   in   [ 2 2 ] ,   p r o v i d e  th e  a v er ag e  m ath em atica l  m o d el  o f   th e  ci r cu it  f o r   ea ch   m o d e   o f   o p er atio n   w h en   s o u r ce   i n ter n al  r esis tan ce s   ar e  d is r eg ar d ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2397 - 2 4 0 8   2400   { L     =   d  − 2 2 2  = − 2 − 2   ( 1 )     { L     = − ( 1 −   d ) 1 −  1 1  = ( 1 − ) − 1 − 1   ( 2 )     Fig u r e  2   s h o ws      is   th e  v o lta g e  f r o m   th e  DC   m icr o g r id   s u p p ly in g   th e  c o n v e r ter ,     d en o te s   th e   cu r r en t  in   t h e  in d u ct o r ,   1   an d   2   ar e  th e  v o ltag es  ac r o s s   th e  ca p ac ito r s   1   an d   2   r esp ec tiv ely   o f   th e  c o n v er ter   o p er atin g   i n   s tep - u p   a n d   s tep - d o wn   m o d es.  R   s tan d s   f o r   t h e  r esis tiv e  lo ad   an d     r ep r ese n ts   th e  s tead y   o r   co n s tan t  p o wer   lo a d   o n   th e  l o w  an d   h ig h   v o ltag e  s id es.  T h e  v o ltag e  ac r o s s   th e  ca p ac ito r   is   id en tical  to   th e   o u tp u t  v o ltag e  in   ea c h   m o d e  o f   o p er atio n .           Fig u r e  2 .   T y p ical   DC   m icr o g r i d   s y s tem   ar ch itectu r e           ( a)   ( b )     Fig u r e  3 .   E q u iv alen t c ir c u it o f   two - way   DC - DC   co n v er ter :   ( a)   b u ck   m o d e   an d   ( b )   b o o s t  m o d e       2 . 4 .   Co ns t a nt  po wer   lo ad   T h r o u g h   t h e  h alf - b r id g e,   two - way   DC - DC   co n v er ter ,   t h e  D C   b u s   is   d ir ec tly   co n n ec ted   to   th e  lo ad   i n   th e  DC   m icr o g r i d ,   with   t h e  p o wer   tak en   b y   th e  l o ad   b ein g   co n s tan t,  wh ich   is   co n s id er ed   a  C PL  as  f o u n d   i n   [ 2 2 ] .   I t is  p er ce iv ed   th at  w h en   th e  p o wer   d r aw n   b y   th e   lo ad   i s   co n s tan t,  th e   v o ltag e   in cr ea s es wh ile  th e  cu r r en t   r ed u ce s ,   wh ic h   lead s   t o   n o n lin ea r   b e h av io r   an d   n ec ess itates  a  n o n - lin ea r   co n tr o ller .    = 2   o r    = 1   d ep en d i n g   o f   th e  m o d e  o f   o p e r atio n .       3.   CO NT RO L L E RS D E SI G N   3 . 1 .   Sli di ng   m o de  co ntr o ller  des ig n f o r  cha rg ing   ( bu ck)   mo de  o f   o pera t i o n   T h e  g e n er ic  SMC   law,   as  s tated   in   r ef er en ce   [ 2 2 ]   a n d   g iv en   i n   ( 3 ) ,  is   p r o v id e d   b y   a d o p tin g   a  s witch in g   f u n ctio n   ap p r o p r iate  f o r   th is   s y s tem   th at  g u ar an tees  r ea ch ab i lity   an d   th e  p r esen ce   o f   a  s lid in g   m o d e  co n tr o ller .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       R o b u s t a d a p tive  s lid in g   mo d e  co n tr o l o f a   b id ir ec tio n a l D C - DC   co n ve r ter fee d in g   …   ( Ju liu s   Derg h e  C h a m )   2401   = 1 2 ( 1 +  ( ) ) = ( ) = { 1 ,    > 0 0 ,    < 0   ( 3 )     Ad o p tin g   a  s lid in g   s u r f ac e  f r o m   [ 2 1 ]   g iv e n   b y   ( 4 ) .     = 1 1 + 2   ( 4 )     W h er e  1   is   th e   g ain   o f   th e  SM C .   C o n s id er in g   2   as  th e  ac t u al  o u tp u t   v o ltag e   an d     as  th e  d esi r ed   o u tp u t   v o ltag e,   th e  c o r r esp o n d in g   s tate  v ar iab les  1 an d   2   m ay   b e   ex p r es s ed   as  ( 5 ) .     1 = − 2 ,  2 = 1  =   − 2  = − 2 2   ( 5 )     T h e  tim e  d er iv ativ e   o f   ( 4 )   m a y   b e  g i v en   b y   ̇ =   1 1 ̇ + 2 ̇   w ith   (6 ).   Su b s titu tin g   ( 6 )   in to   ( 7 ) ,   we  o b tain   ( 8 ) .     2 = 1 ̇ =  − 2   b u t  1 =   = ∫  − 2    (6 )     2 = − 2 + 2 2 + 2 2   (7 )     2 = − 1 2 ( ∫  − 2  ) + 2 2 + 2 2   (8 )     Der iv in g   ( 8 ) ,   we  g et   (9 ).     2 ̇ =   2 2 −  2 + 2 2 2 − 2 2 2 2   2   (9 )     T h e  eq u iv ale n t c o n tr o l la w  is   o b tain ed   b y   s o lv in g   ̇ = 0 ,   th is   b r in g s   u s   to   ( 1 0 )   a n d   ( 1 1 ).      =    [ − 1 + 1 2 − 2 2 2 ] 2 + 2    ( 1 0 )     B u t ,   as in   ( 1 0 ) ,   w ith   =  ( )     =  +   ( 1 1 )     3 . 2 .   ASM C  des ig n f o r  cha rg ing   m o de  o f   o pera t io n.   T h e  ad ap tiv e  s lid in g   s u r f ac e  la w  is   ch o s en   as f o u n d   in   [ 2 0 ]   by   ( 1 2 ).     = + ta n h   ( ) ∫  0   (1 2 )     ̇ = ̇ +    as  b ein g   th e  d er iv ativ e  o f   th e  m o d if ied   s lid in g   s u r f ac e  as  f u r t h er   d ef in e d   in   ( 1 3 )   an d   b y   s u b s titu tin g   ( 9 )   in   ( 1 3 )   b r in g s   u s   to   ( 1 4 ) .       = ̇ 1 1 ̇ + 2 2 ̇   +    1 1 + 2   ( 1 3 )     = ̇   1   2 + 2 2   −    2   + 2 2   +   2 2 2 2 +     1   1   +   2   ( 1 4 )     B y   s o lv in g   ̇ = 0   to   o b tain   th e  e q u i v alen t c o n tr o l g iv en   in   ( 1 5 ) .      =   2  [ ( 1   − 1 2   +   2 2 2 + ) 2   +   2 2   +   1 1 ]   ( 1 5 )     T h e   ( 1 6 )   p r o v id es th e  d is co n ti n u o u s   p o r tio n   o f   th e   s u g g ested   s lid in g   m o d e  c o n tr o l la w.     = 2 ta n h   ( )   ( 1 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2397 - 2 4 0 8   2402   Ho wev er ,   =   2 2 ;  b u t  = + ,   i n   o r d er   to   m in im ize  ch atter in g ,   as  in s p i r ed   b y   r ef e r en ce   [ 2 2 ]   th e   co n tr o l la w  is   s elec ted   as  ( 1 7 ) .     =  + 3 ta n   ( )   ( 1 7 )     T h en   th e  a d ap tiv e  co n tr o l la w  b ec o m es   ( 15 )   an d   ( 1 8 ) .     =    + 2 ta n h   ( )   ( 1 8 )         T o   en s u r e  co n d itio n s   o n   th e  co n tr o l  law  wh ich   will  m o v e  th e  s y s tem   s tate s   to   th e  s lid in g   m an if o ld   s u ch   th at   M= 0 ,   a  ca n d i d ate  L y ap u n o v   f u n ctio n     is   ch o s en   as g iv en   i n   [ 2 3 ]   a n d   d e f in ed   b y   ( 1 9 ).     = 1 2 2   ( 1 9 )     T h e  d er iv ativ e   o f   th e   ab o v e  L y ap u n o v   f u n ctio n   with   tim e  ca n   b e  ca lcu lated   a n d   is   g iv e n   b y   ( 2 0 )   t h at  is   ̇ < 0 .         ̇ =   ̇   ( 2 0 )     T h e  ( 1 4 )   an d   ( 1 8 )   ar e  r ep lace d   in   ( 2 0 )   to   g u ar a n tee  th e  s y s tem ' s   s tab ilit y   an d   th e  attr ac tiv en ess   o f   M,   wh ich   b r in g s   u s   to   ( 2 1 ) .           ̇ = M ( 0 − 2  2  ℎ ( ) ) =   2  2  ℎ ( ) < 0   with   > 0 ,   wh er e   2 > 0     ( 2 1 )     T h is   co n d itio n   ca n   b e  v er if ie d   b y   d esig n in g   th e  n o n lin ea r   co n tr o l  s ch em e  as  = 2 ta n h   ( ) ,   with       ̇   b ein g   th e  d er iv ativ e  o f     r esp ec t  to   tim e,   wh ich   m u s t  b e  n eg ativ ely   d e f in ite.   Hen ce ,   th e  ad ap tiv e  co n tr o ller   g u ar an tees   co n v er g en ce   an d   th e  s tab ilit y   o f   th e  s y s tem ,   ac co r d in g   to   L y ap u n o v .     3 . 3 .   SM C  de s ig n f o r  dis cha rg ing   ( bo o s t )   mo de  o f   o pera t io n   C o n s id er in g   1   r ep r esen ts   th e  ac tu al  v o ltag e  at  th e   o u t p u t  an d     th e  d esire d   v o ltag e  at  th e   o u t p u t  o f   th e  c o n v e r ter   o p er atin g   i n   b o o s t  m o d e,   th e  co r r esp o n d in g   s tate  v ar iab les  1 an d   2   m ay   b e  e x p r ess ed   as  ( 2 2 ).     1 = − 1 ,  2 = 1  = − 1  = − 1 1   ( 2 2 )     Selectin g   a  s lid in g   s u r f ac e  o f   ( 2 3 ).      = 1 1 + 2   ( 2 3 )     Fro m   ( 2 ) ,   we  f o u n d   ( 2 4 ).     = ∫ ̅  − 2    ( 2 4 )     W ith   ̅ = 1 −       T h e  d er iv ativ e   o f   ( 2 2 )   is   g iv en   in   ( 2 5 ).     B u t  2 ̇ = ̅ 1 1 −  1 + 2 1 2 1 − 2 1   ( 2 5 )     T h e  d er iv ativ e   o f   th e   s lid in g   s u r f ac e  is   s tated   in   ( 2 6 )     ̇ =   1 1 ̇ + 2 ̇   ( 2 6 )     T h e  eq u iv ale n t c o n tr o l is o b tai n ed   b y   s o lv in g   ̇ = 0   wh ich   is   g iv en   in   ( 27 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       R o b u s t a d a p tive  s lid in g   mo d e  co n tr o l o f a   b id ir ec tio n a l D C - DC   co n ve r ter fee d in g   …   ( Ju liu s   Derg h e  C h a m )   2403    = 1 [ 1 − 1 1 + 1 2 1 ] 2 −  + 1 1   ( 2 7 )     T h e   ( 2 8 )   g iv e s   th e   d u ty   r atio ,     0 < = < 1   ( 2 8 )     C o m p ar in g   ( 2 7 )   an d   ( 2 8 ) ,   th e  co n tr o l sig n al  b ec o m es   ( 29 ) ,   w ith   = 1 .     = 1 [ 1 − 1 1 + 1 2 1 ] 2 −  + 1   ( 2 9 )     3 . 4 .   ASM C  des ig n f o r  dis c ha rg ing   m o de  o f   o pera t io n    I n   th e   b o o s t  m o d e  o f   o p er ati o n ,   a  p r o p o r tio n al - in te g r al  ( P I )   ty p e  f u n ctio n   o f   th e   s lid in g   s u r f ac e  is   ad o p ted   f r o m   r ef er e n ce   [ 2 4 ]   a n d   d ef i n ed   as   ( 3 0 ).     = + ta n h   ( ) ∫ | |  0   ( 3 0 )     W h er e  H  is   th e  f u n ctio n   o f   s lid in g   f u n ctio n ,   ‘ tan h ’   r ep r esen ts   a  s m o o th   h y p er b o lic  tan g e n t  f u n ctio n ,   an d   > 0   is   a  s ca lar .   T h e  ex is ten ce   o f   s l id in g   m o d es  is   elab o r ated   in   r ef er en ce   [ 2 4 ]   as  well  as  m o r e   in f o r m atio n   o n   th e  ad ap tiv e  co n tr o l  law.   T h e  ASMC  o f   th e  co n v er ter   o p er atin g   in   ch ar g in g   m o d e  is   o b tain ed   b y   s o lv in g   ̇ =0 .   T h e   d er iv ativ e  o f   ( 3 0 )   is   d ef in e d   in   ( 3 1 )     = ̇ 1 ̇ 1 + 2 ̇ 2 + 1 1 +   2 2 = 0   ( 3 1 )     T h e  co n tr o l la w  b ec o m es   ( 3 2 ) .      =   L 1 1 [ ( 1 − 1 1 + 1 2 1 + ) 2 + 1 1 ] −  + 1   ( 3 2 )     T h e  lo a d   ca n   b e   esti m ated   as  R =   1   an d   th e   p a r am eter     ca n   b e   tu n ed   ac co r d in g   to   th e   lo ad   with   = 1 1   m ak in g   th e   s lid in g   m o d e  co n t r o ller   to   b ec o m e  ad ap ti v e  to   lo ad   v ar iatio n   w h ich   ca n   f u r th e r   b e  s ee n   in   [ 2 4 ] .     3 . 5 .   O ptim iza t io n o f   t he  ASM C  g a ins   T h e  s u g g ested   co n tr o l  law  d e p en d s   o n   ce r tain   co n tr o l  p ar a m eter s ,   p ar ticu lar ly   an d ,   as  s h o wn   in   ( 1 0 )   an d   ( 1 5 ) .   T h e r ef o r e ,   th ese  c h a r ac ter is tics   s h o u ld   b e   cr u cial  t o   th e  co n v er ter ' s   co r r ec t  an d   o p tim al  p er f o r m an ce   u n d er   t h e  co n tr o ller ' s   co o r d in a tio n .   I t  is   cr u cial  th at  th ese  p ar am eter s   b e  d esig n ed   as  o p tim ally   as  p o s s ib le.   T h is   p ap er   r ec o m m en d s   an   o f f lin e   m o d if ic atio n   u tili zin g   p ar ticl e  s war m   o p tim izatio n   to   o p tim ally   id en tify   th ese  v alu es.  On e  p o p u lar   s to ch asti c  o p tim izatio n   a p p r o ac h   is   PS O  [ 1 9 ] .   I t  is   a  m em b er   o f   th e  m etah eu r is tics   class   o f   o p tim izatio n .   PS O  h as  p r o v en   to   b e  an   ef f ec tiv e  o p ti m izatio n   tech n iq u e  an d   h as  b ee n   u s ed   in   m an y   en g in ee r in g   an d   co n tr o l  s y s tem   ap p licatio n s   [ 2 1 ] ,   [ 2 5 ] .   As  a  r esu lt,  PS O   is   u s ed   to   tu n e  a n d   ch an g e  th e  g ain s   u n til th e  id ea l tim e  r esp o n s e  p er f o r m a n ce   is   r ea ch ed .       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   W ith in   th e  MA T L AB - Simu lin k   e n v ir o n m en t,   a  h alf - b r id g e ,   two - way   DC - DC   co n v er ter   s im u latio n   m o d el  is   co n s tr u cted .   T o   d em o n s tr ate  th e  ad v an tag es  o f   th e   s u g g ested   co n tr o ller   o v e r   th e   cu r r en t  co n tr o ller ,   th e  ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   m o d es  o f   t h e  co n v er ter   a n d   th e  im p ac t  o f   t h e  co n t r o l  tech n i q u es  ar e  ex am i n ed .   T h e  p ar a m eter s   o f   th e  b id ir ec t io n al  h alf - b r id g e  D C - DC   co n v er ter   an d   th e   co n tr o l  tech n iq u es  ar e  p r esen ted   in   T ab les  1 - 3 ,   r esp ec tiv ely   [ 2 6 ] ,  [ 2 7 ] .   T h e  in p u t  v o ltag e,   p o wer   ab s o r b ed ,   a n d   r e f er en ce   v o lta g e  ar e  all  ad ju s ted ,   in   o r d e r ,   to   e v alu ate  h o w  r o b u s tly   th e  v ar io u s   co n tr o l te ch n iq u es h o ld   u p .   T h e   r e f e r e n c e   i s   s e t   t o   2 4   v o l t s ,   a n d   t h e   s i m u l at i o n   l as ts   f o r   0 . 1   s e c o n d s .   T h e   c o n v e r t e r   is   s i m u la t e d   u s i n g   b o t h   t h e   s u g g e s t e d   c o n t r o l l e r   an d   t h e   c l ass i c al   s l i d i n g - m o d e   co n t r o l l e r .   T h e   r es u lt s   a r e   s h o wn   i n   Fi g u r e   4 .   I t   is   c l e a r   t h at   b o t h   c o n t r o l l e r s   k e e p   t h e   o u t p u t   v o l t a g e  c o n s i s t e n t   w it h   t h e   r e f e r e n ce   v o lt a g e ,   a l t h o u g h   t h e  r e c o m m e n d e d   c o n t r o l l e r   p e r f o r m s   f a s t e r   t h a n   t h e   c o n v e n t i o n a l  c o n t r o l l e r .   F i g u r es   3 ( a )   a n d   3 ( b )   d e m o n s t r a t e   h o w  m u c h   f a s t e r   t h e   r e c o m m e n d e d   c o n t r o l l e r   i s   t h a n   t h e   t r a d i t i o n a l  o n e   w i t h   t h e   c o n v e r t e r   o p e r a tin g   i n   b u c k   m o d e .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2397 - 2 4 0 8   2404   T ab le  1 .  Half - b r id g e   two - way   DC - DC   co n v er ter   s im u latio n   p ar am eter s   P a r a me t e r s   S y mb o l   V a l u e   I n p u t   v o l t a g e      48   V   R e f e r e n c e   v o l t a g e   2   24   V   I n d u c t a n c e   L   10 0   H   C a p a c i t a n c e   1   5   m F   C a p a c i t a n c e   2   5   m F   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   Fs   20   K H z       T ab le  2 .   Desig n   p ar am eter s   o f   v ar io u s   co n tr o l  s tr ateg ies o f   b u ck   m o d e   T ab le  3 .   Desig n   p ar am eter s   o f   v ar io u s   co n tr o l  s tr ateg ies o f   b o o s t m o d e     C S M C   A S M C P S O   1 = 2 5 0 0   1 = 5 . 2478 3   2 = 5 0 0 0   2 = 1 . 7724 4     C S M C   A S M C P S O   1 = 3 500   1 = 5 . 484 3 , 3 . 289 + 03   2 = 1 000   2 = 2 . 3095 4 , 5 . 318e + 03           ( a)   ( b )     Fig u r e  3 .   C o m p a r in g   s im u lati o n   r esu lts   o f   th e   p r o p o s ed   co n tr o ller   with   its   co n v en tio n al  co u n ter p ar t:    (a )   o u t p u t v o ltag e   an d   (b )  l o ad   cu r r en t       4 . 1 .   Ro bu s t ne s s   t ests by   s im ula t i o n   A  co m p ar ativ e   in v esti g atio n   o f   th e   p er f o r m an ce   o f   n o n - li n ea r   co n tr o ller s   o n   a  two - way   DC - DC   co n v er ter   is   u s ed   f o r   v er if icati o n .   T h is   is   ac h iev e d   b y   test in g   th e  co n tr o ller s '   r o b u s tn ess   ag ain s t f lu ctu atio n s   in   p ar am eter s .   T h e  C SMC   an d   th e  r ec o m m en d e d   co n tr o l ler   ( A SMC P SO) ,   ar e  th e  co n tr o ller s   u n d er   in v esti g atio n .     4 . 1 . 1 .   Va ria t io n  o f   re f er ence   in bu ck   m o de  ( 1 st   s ce na rio )   I n   th e  f i r s t   s ce n ar io ,   th e  r e f er e n ce   v o ltag e  is   ch a n g ed   s tep - by - s tep   f r o m   2 4   to   2 0   v o lts   an d   f r o m   2 0   to   3 0   v o lts   at  t=0 . 0 4   an d   t=0 . 0 7   s ec o n d s ,   r esp ec tiv ely ,   wh ile  th e  p o wer   an d   in p u t  v o ltag e  r em ain   f ix ed .   T h e   co n v er ter   is   co n tr o lled   b y   C SMC   an d   ASMPSO ;   Fig u r e  4   d is p lay s   th e  lo ad   c u r r en t   an d   o u tp u t  v o ltag e   d ata.   As   ca n   b e  o b s er v ed ,   ev er y   co n tr o l   s tr u ctu r e  p er f o r m s   n o ticea b ly   well  in   f o llo win g   th e   r ef er e n ce   v o ltag e.   Ho we v er ,   f r o m   Fig u r e  4 ( a) ,   it  is   ev id en t  th at  th e  s u g g ested   co n tr o ller   r esp o n d s   m o r e  q u ick ly   t o   ch an g es  in   th e  r ef er en ce   v o ltag e.   V o ltag e  f l u ctu atio n s   ca u s e  th e   co n tr o l  s tr u ctu r es  to   r esp o n d   d if f er en tly ;   h o w ev er ,   th e   s u g g ested   co n tr o ller   s h o we d   th e  f astes t  r esp o n s e  tim e  in   r etu r n in g   th e  o u tp u t  v o ltag e  o f   th e  DC - DC   co n v er ter   to   its   r esp ec tiv e  r ef er e n ce   v alu es.  I n   co m p a r is o n   to   th e   alter n ativ e  co n tr o ller ,   th e  s u g g ested   co n tr o ller   th u s   attain s   th e  m ax im u m   co n tr o l tr ac k in g   ac cu r ac y .           ( a)   ( b )     Fig u r e  4 .   C o m p a r in g   s im u lati o n   r esu lts   o f   th e   p r o p o s ed   co n tr o ller   with   its   co n v en tio n al  co u n ter p ar t    (1 st   s ce n ar io ) :   ( a )   o u tp u t v o ltag e   an d   ( b )   l o ad   cu r r en t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       R o b u s t a d a p tive  s lid in g   mo d e  co n tr o l o f a   b id ir ec tio n a l D C - DC   co n ve r ter fee d in g   …   ( Ju liu s   Derg h e  C h a m )   2405   4 . 1 . 2 .   Va ria t io n  o f   a bs o rbed  po wer   in bu ck   m o de  ( 2 nd   s ce na rio )   I n   th e   s ec o n d   s ce n ar i o ,   th e  s y s tem   is   d is r u p ted   wh en   th e   p o wer   s u d d e n ly   c h an g es   f r o m   o n e  v alu e   to   an o th er .   Po wer   s u p p lies   f o r   p o wer   elec tr o n ics,  o r   DC - DC   co n v er ter s ,   ty p ically   n ee d   to   r ea c t  as  f ast  as  p o s s ib le  to   p o wer   f lu ctu atio n s   in   th e  lo ad .   T h e  lo a d   ad m its   a  s u d d e n   ch an g e  f r o m   1 0   w  to   5   w  at  t=0 . 0 3   s ec o n d s   an d   f r o m   5   w  to   2 0   w  at  t=0 . 0 7   s ec o n d s ,   r esp ec tiv ely .   Fig u r e  5   d is p lay s   th e  s tep   ch an g es  in   th e  o u tp u t  p o wer ,   an d   th e  s im u latio n   r esu lts   f o r   th e   d if f er en t   co n tr o l  m eth o d s   ar e   s h o wn   in   Fig u r e s   6 ( a )   an d   6 ( b ) .  T h e   f ig u r e s   s h o w  th at  all  co n tr o l  s y s tem s   p er f o r m   as  th e  lo ad   is   ch an g ed ,   wit h   th e  ASMC PS O  o u tp er f o r m i n g   th e  co n v e n tio n al   co n tr o ller   as it is c ap ab le  o f   r e m o v in g   th e  n e g ativ e  cu r r en t a s   in d icate d   in   F ig u r e  4 ( b ).           Fig u r e  5 .   Step   c h an g es in   t h e  o u tp u t  p o wer   o f   th e  c o n v er te r   o p er atin g   i n   b u c k   m o d e           (a )   (b )     Fig u r e  6 .   C o m p a r in g   s u g g ested   co n tr o ller   s im u latio n   r esu lts   with   its   co n v en tio n al  co u n ter p ar t ( 2 nd   s ce n ar io ) :  ( a )   o u t p u t v o ltag e   an d   ( b )  l o ad   cu r r en t       4 . 1 . 3 .   Va ria t io n  o f   inp ut  v o lt a g e  in bu ck   mo de  ( 3 rd   s ce na r io )   Fig u r e  7   r ep r esen ts   th e   s tep   c h an g es  in   th e   in p u t  v o ltag e   o f   th e  co n v er ter   o p er atin g   in   b u ck   m o d e ,   wh ile  Fig u r e s   8 ( a)   a n d   8 ( b )   d ep ict  th e  r esu lts   o b tain ed   with   th e   co n v er ter   co n tr o ls   b y   th e  class ical  an d   th e   s u g g ested   co n tr o ller s .   As  s h o wn   in   Fig u r e s   8 ( a)   an d   8 ( b ) ,   th e  th ir d   s ce n ar io   i n v o lv es  s e ttin g   th e  r ef er e n ce   v o ltag e  to   2 4   v o lts   an d   1 0   W   C PL.   Ho wev er ,   th e  s y s tem   i s   s u s ce p tib le  to   ab r u p t  ch an g es  in   in p u t  v o ltag e,   wh ich   ca n   r an g e   f r o m   4 8   v o lts   to   4 0   v o lts   at  t   =   0 . 0 3 s   a n d   f r o m   4 0   v o lts   to   6 0   v o lts   at  t   =   0 . 0 7 s .   T h e  r esu lts   s h o w  th e  r o b u s tn ess   o f   th e  tw o   co n tr o l  s tr ateg ies,  as  s h o wn   in   Fig u r e  8 ,   with   ASMCP SO  s u r p ass in g   th e  o th e r   co n tr o l stra teg y   i n   ter m s   o f   p e r f o r m a n ce   s tab ilit y   an d   s p ee d .             Fig u r e  7 .   Step   c h an g es in   t h e  i n p u t v o ltag e  o f   th e  co n v er ter   o p er atin g   i n   b u c k   m o d e     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2397 - 2 4 0 8   2406       ( a )   ( b )     Fig u r e  8 .   C o m p a r in g   s im u lati o n   r esu lts   o f   th e   p r o p o s ed   co n tr o ller   with   its   co n v en tio n al  co u n ter p ar t    (2 nd   s ce n ar io ) :  ( a )   o u tp u t v o ltag e   an d   ( b )  l o a d   cu r r en t       4 . 1 . 4 .   Va ria t io n  o f   a bs o rbed  po wer   in bo o s t   m o de  ( 4 th   s ce na rio )   I n   th e  f o u r th   s ce n ar io ,   t h e  in p u t a n d   r e f er en ce   v o ltag es a r e  f ix ed ,   an d   th e  co n v er ter   is   n o w   r u n n i n g   in   b o o s t  m o d e.   T h e   s y s tem   is   d is r u p ted   wh en   th e   ab s o r b ed   p o wer   ch an g es  s u d d en ly   f r o m   o n e  v al u e  to   an o th er .   T h e  p o wer   ch a n g es  f r o m   1 0   w atts   to   5   watts  a t  t   =   0 . 0 2   s ec o n d s   an d   f r o m   5   watts  to   2 0   watts   at  t   =   0 . 0 6   s ec o n d s .   T h e  o u tp u t  v o ltag e   s im u latio n   r esu lts   f o r   th e   d if f er en t  co n tr o l  s tr ateg ies  ar e   illu s tr ated   in   Fig u r e  9 ( a ) .   Fig u r e  9 ( b )   r ep r esen ts   th e   p er f o r m an ce   o f   all  t h e  c o n tr o l   s tr ateg ies,  wh er e   th e   ASMCP S O  p er f o r m s   b etter   t h a n   th e  o th er   c o n tr o ller   w h en   th e  l o ad   is   ad ju s ted .           ( a)   ( b )     Fig u r e  9 .   C o m p a r in g   s im u lati o n   r esu lts   o f   p r o p o s ed   co n t r o ll er   with   its   co n v en tio n al  co u n ter p ar t :   ( a)   v ar iatio n   o f   ab s o r b ed   p o wer   (4 th   s ce n ar i o )   an d   ( b )   v ar iatio n   o f   in p u t  v o ltag e   (5 th   s ce n ar io )       4 . 1 . 5 .   Va ria t io n  o f   inp ut  v o lt a g e  in bo o s t   mo de  ( 5 th   s ce na rio )   I n   th e  f if t h   s ce n ar io ,   t h e  co n v er ter   o p e r ates  in   b o o s t  m o d e,   s ettin g   th e  o u tp u t  at  1 0   wa tts   an d   th e   r ef er en ce   v o ltag e  at   4 8   v o lts .   Ho wev er ,   th e   s y s tem   is   s u s ce p tib le  to   ab r u p t  c h an g es  i n   in p u t  v o lta g e,   wh ich   o cc u r   at  t   =   0 . 0 4   an d   t   =   0 . 0 8   s ec o n d s ,   r esp ec tiv ely ,   g o in g   f r o m   2 4   v o lts   to   2 0   v o lts   an d   2 0   v o lts   to   3 0   v o lts .   ASMC PS O  o u tp er f o r m s   th e   o th er   co n tr o l  tech n i q u e  in   ter m s   o f   p er f o r m a n ce   s tab ilit y   an d   s p ee d ,   as  s h o wn   in   F ig u r e  9 ( b ) ,   wh ich   illu s tr ates  t h e  r o b u s tn ess   o f   th e   two   co n tr o l  s tr ateg ies.  T ab le s   4   a n d   5   p r esen t   a  co m p ar is o n   o f   th e  r esu lts   o b tain e d   f r o m   C SMC   an d   ASMC PS O.       T ab le  4 .   C o m p a r is o n   o f   r esu lts   o b tain ed   f r o m   C SM C   an d   ASMCP SO   in   b u ck   m o d     S i mu l a t i o n s    = 48   ,  = 24   , = 10        20        0 . 07       C o n t r o l   st r a t e g y   C S M C   A S M C P S O   S e t t l i n g   t i me   ( ms)   3 . 4   1 . 7   R i se   t i me   ( ms)   1   0 . 9   O v e r sh o o t   ( %)   0   0   I A E   0 . 0 2 7 1 4   0 . 0 1 6 1 2   I S E   0 . 6 2 0 8   0 . 2 8 8 3   SSE   0 . 0 0 0 3 5 2 9   7 . 6 6 9 e - 5     T ab le  5 .  C o m p a r is o n   o f   r esu lts   o b tain ed   f r o m   C SM C   an d   ASMCP SO   in   b o o s t m o d e   S i mu l a t i o n s    = 24   ,  = 48   , = 10        20        0 . 03       C o n t r o l   st r a t e g y   C S M C   A S M C P S O   S e t t l i n g   t i me   ( ms)   1 0 . 9   1 0 . 5   R i se   t i me   ( ms)   7 . 7 2   7 . 7 2   O v e r sh o o t   ( %)   0   0   I A E   0. 1 8 3   0. 1 8 1 8   I S E   4 . 9 9 3   4 . 9 9 3   SSE   0. 0 4 1 1 5   0 . 0 0 5 8 3         5.   CO NCLU SI O N   T h is   s tu d y   ex a m in ed   t h e  in s ta b ilit y   o f   a   two - way   DC - DC   co n v er ter   with   a  r esis tiv e  an d   C PL  ca u s ed   b y   n e g ativ e  in c r em en tal  im p ed an ce .   C o n v en tio n al   lin ea r   co n tr o ller s   ar e   n o t   ab le  to   s tab ilize  s u ch   p o wer   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.