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   20 2 4 ,   p p .   2 6 0 3 ~ 2 6 1 7   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 .i 4 . p p 2 6 0 3 - 2 6 1 7       2603     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Co upled qua dra ti c boo st conv erte r   for stan d - a lo ne    PV  a pplica tions       Su v a m it   Cha k r a bo rt y ,   A m o d C .   Um a rika r   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   I n d i a n   I n st i t u t e   o f   T e c h n o l o g y   I n d o r e ,   I n d o r e ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 4 ,   2 0 2 3   R ev is ed   J u l 2 0 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 2 4 ,   2 0 2 4       Th is  stu d y   f o c u se s  o n   a   sta n d - a l o n e   p h o t o v o lt a ic  (P V)  s y ste m   e m p lo y i n g   a   h ig h   ste p - u p   q u a d ra ti c   b o o st  c o n v e rter  a n d   a   b a tt e ry   m a n a g e m e n t  sy ste m .   Th e   q u a d ra ti c   b o o st  c o n v e rter,  fe a tu rin g   a   tap p e d   in d u c t o r,   fa c il it a t e s  v o lt a g e   b o o st in g   b y   a d ju sti n g   th e   d u ty   ra ti o ,   e n su rin g   lo w  v o l tag e   stre ss   o n   th e   a c ti v e   sw it c h   a n d   e n h a n c in g   o v e ra ll   e ffi c ien c y .   Co o rd in a ti o n   c o n tr o l  tec h n iq u e s  a re   p ro p o se d   f o r  sm o o t h   p o we r  tran sfe r  b e tw e e n   th e   P V  a rra y ,   b a tt e ry ,   a n d   DC - li n k ,   a c c o m m o d a ti n g   v a riatio n s  in   so lar  irrad iatio n ,   a m b ien t  tem p e r a tu re ,   a n d   lo a d s.  De sig n ,   m o d e li n g ,   a n d   sim u latio n   a re   c o n d u c ted   u sin g   th e   P LE XSIM   p latfo rm ,   a n d   a   re a l - ti m e   lab o ra to ry   p r o to t y p e   v a li d a tes   sy ste m   p e r fo rm a n c e .   Th is  i n teg ra ted   a p p ro a c h   e sta b li sh e s  th e   fe a sib i li ty   a n d   e ffe c ti v e n e ss   o f  t h e   p ro p o se d   sy ste m ,   o ffe rin g   a   ro b u st  fra m e wo rk   fo r   o ff - g ri d   o r   ru ra l   e lec tri fica ti o n   a p p li c a ti o n s  with   i ts  a b il it y   t o   o p e ra te  a t  lo w  v o lt a g e   lev e ls,   e fficie n t  p o we r  tra n sfe r,   a n d   sta b l e   p e rfo rm a n c e   u n d e r  u n c e rtain   c o n d it i o n s .   K ey w o r d s :   B atter y   Bi - d ir ec tio n al  DC - DC   C o u p led   in d u cto r   Qu ad r atic  b o o s t   Stan d - alo n e  PV    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 :   Su v am it C h ak r ab o r ty   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   I n d ia n   I n s titu te  o f   T e ch n o lo g y   I n d o r e   I n d o r e ,   I n d ia   E m ail:  p h d 1 5 0 1 2 0 2 0 0 8 @ iiti . ac . in       1.   I NT RO D UCT I O N   No n - co n v en tio n al   en er g y   s o u r ce s   lik e  p h o to v o ltaic  ( PV)   an d   f u el  ce lls   h av e  g ain ed   s ig n if ican t   p o p u lar ity   in   th e  p o wer   g en e r atio n   s ec to r .   Ho wev e r ,   th ese   en er g y   s o u r ce s   ty p ically   o p e r ate  at  lo w  v o ltag e   lev els,  wh ich   n ec ess itate s   v o lt ag e  b o o s tin g   f o r   p r ac tica l  ap p l icatio n s   an d   co m p atib ilit y   with   AC   an d   DC   lo ad s .   Stan d - alo n e  o r   o f f - g r id   s y s tem s   ar e  d esig n ed   to   ca te r   to   v ar io u s   ap p licatio n s   s u ch   as so lar   l an ter n s ,   s o lar   ce lls ,   s tr ee t - lig h tin g   s y s tem s ,   s o lar   wate r   p u m p in g ,   an d   s tan d - alo n e  p o wer   p lan ts   in   r em o te  a r ea s   wh er e  g r i d   elec tr icity   is   n o t  av ailab le  [ 1 ] ,   [ 2 ] .   W h en   it  co m es  to   s tan d - alo n e  PV  s y s tem s ,   d if f er en t  co n f ig u r atio n s   h av e   b ee n   p r o p o s ed   in   th e  liter atu r e  [ 3 ] - [ 6 ] .   T h ese  co n f i g u r atio n s   in teg r ate  PV  p an els,  b atter y   s to r ag e,   an d   lo ad s .   Ho wev er ,   m an y   o f   th ese  s y s te m s   in v o lv e  m u ltip le  co n v er s io n   s tag es,  r esu ltin g   in   a  h ig h er   n u m b er   o f   co n tr o lled   s witch es.  W h ile  s o m e  s in g le - s tag e  co n f ig u r atio n s   h av e   b ee n   r ep o r ted   in   th e   liter atu r e,   m o s t  o f   t h em   d o   n o t   in clu d e  en er g y   s to r ag e  elem e n ts .   T h e  ab s en ce   o f   an   e n er g y   s to r ag e  elem en t  in   t h ese  co n f ig u r atio n s   lim its   th eir   ab ilit y   to   s u p p ly   p o wer   to   d a y - to - d ay   h o u s eh o ld   ap p lian ce s .   T h is   is   b ec au s e  ac h ie v in g   b o t h   m ax i m u m   p o wer   p o in t  t r ac k in g   ( MPPT)   o p er at io n   an d   lo ad   v o ltag e  co n t r o l  b ec o m es  ch allen g in g   with o u t  th e  p r esen ce   o f   an   en er g y   s to r a g e  elem en t,  s u ch   as  a  b atter y .   T h er e f o r e,   t h e   in clu s io n   o f   e n er g y   s to r a g e   elem en ts   b ec o m es  ess en tial  in   s tan d - alo n e  PV  s y s tem s   to   en s u r e  o p tim al  o p er a tio n ,   ef f icien t   p o we r   u tili za tio n ,   an d   th e   ab ilit y   to   m ee t  th e  d em an d s   o f   h o u s eh o ld   ap p lian ce s .   B y   in co r p o r ati n g   en er g y   s to r a g e,   it  b ec o m es  f ea s ib le  to   ac h iev e  MPPT  o p er atio n ,   r eg u late  th e  lo ad   v o ltag e,   an d   p r o v i d e  a  co n tin u o u s   p o wer   s u p p ly ,   ev en   wh en   t h e  PV o u tp u t   f lu ctu ates o r   is   n o t a v ailab le.   T h e   b id ir ec t io n al   c o n v er te r   i n   th e   s y s t em   s er v es   an   im p o r ta n t  r o le   i n   f ac ili tati n g   b i d i r ec ti o n al   p o we r   f l o w   b etw ee n   t h e   PV   s o u r ce   a n d   t h e   b at te r y .   I ts   a b ili ty   to   o p e r ate   as   b o t h   a   b u ck   an d   b o o s t   co n v e r te r   al lo ws  it   t o   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.  1 5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 2 4 :   2603 - 2 6 1 7   2604   ad ap t   t o   t h e   s p e ci f ic   p o w er   f l o w   r e q u i r e m e n ts   o f   th e   s y s te m   at   a n y   g i v e n   t im e.   W h e n   t h e  b att er y   n e ed s   to   b e   ch ar g e d ,   t h e  b i d i r ec ti o n al   c o n v e r t er   o p e r ates   as  a  b o o s t  c o n v e r t er ,   s t e p p in g   u p   th e  v o lt ag e   f r o m   th e  P V  s o u r c e   to   m at c h   t h e  b att er y   v o lt ag e  a n d   d eli v er   p o w er   to   t h e  b a tte r y .   T h is   c h a r g in g   p r o ce s s   e n a b l e s   en er g y   s t o r a g e  f o r   late r   u s e.   C o n v e r s el y ,   w h e n   t h e   b att er y   is   d is c h ar g i n g   an d   s u p p l y i n g   p o w e r   t o   th e  l o a d ,   t h e   b id ir ec ti o n al   co n v e r te r   o p e r at es   as   a   b u c k   c o n v er te r .   I t   s t ep s   d o w n   t h e   b at t er y   v o l ta g e   t o   m at c h   th e   l o a d   v o lta g e  a n d   d e li v e r s   p o we r   f r o m   t h e  b at te r y   t o   t h e  l o a d .   B y   d y n a m i ca l ly   s wit c h i n g   b e twe en   b u ck   a n d   b o o s t   m o d es ,   t h e  b i d i r ec ti o n al   co n v e r te r   e n a b les   e f f ici e n t b i d ir e cti o n al   p o we r   f l o w,   e n s u r i n g   t h a t  t h e   s y s te m   c a n   e f f e cti v e ly   u t ili ze   t h e  e n er g y   f r o m   th e  PV  s o u r ce   t o   c h a r g e   th e   b a tte r y   an d   d el iv er   p o we r   to   t h e   l o a d   as   n ee d e d .   T h is   f le x i b il it y   an d   c o n t r o l  o v e r   p o we r   f l o w   d ir ec ti o n   a r e   c r u ci al  f o r   t h e   p r o p e r   f u n cti o n i n g   o f   a  s t an d - a lo n e   PV   s y s te m   wit h   b at te r y   s t o r a g e .   I n   s tan d - alo n e  PV  s y s tem s ,   t h e  s o lar   en er g y   g e n er atio n   s o u r ce s   ty p ically   h av e  lo w  o u tp u t  v o ltag e   lev els.  T o   in ter f ac e   th ese  s o u r ce s   with   th e  in v er ter   an d   m ee t  th e  v o ltag e   r eq u i r em en ts   o f   th e  s y s tem ,   h ig h   s tep - u p   DC - DC   co n v er ter s   ar e  n ec ess ar y .   Var io u s   h ig h   s tep - u p   co n v er ter s   h a v e  b ee n   d ev el o p ed   f o r   t h is   p u r p o s e,   in co r p o r atin g   s witch ed   ca p ac ito r s   o r   s witch ed   in d u cto r s   t o   ac h iev e  h ig h   v o ltag e  c o n v er s io n   r atio s .   So m e   ex am p les o f   h ig h   s tep - u p   DC - DC   co n v er ter s   in clu d e:   -   Hy b r id   b o o s t  co n v e r ter   [ 7 ] :  T h is   co n v er ter   u tili ze s   a  co m b i n atio n   o f   in d u cto r s   an d   ca p ac ito r s   to   ac h iev e   h ig h   v o ltag e  co n v er s io n .   T h e  v o ltag e  co n v er s io n   r atio   o f   th e   h y b r id   b o o s t c o n v er ter   is   ( 1 + D) /( 1 - D) ,   wh er e   D  r ep r esen ts   th e  d u ty   r atio .   -   Switch ed - ca p ac ito r - b ased   ac ti v e  n etwo r k   co n v er ter   [ 8 ] :  T h is   co n v er ter   em p lo y s   s witch ed   ca p ac ito r s   to   ac h iev e  h ig h   v o ltag e  co n v e r s io n .   T h e  v o ltag e  co n v er s io n   r atio   o f   th e  s witch ed - ca p ac ito r - b ased   ac tiv e   n etwo r k   co n v er ter   is   ( 3 +D ) /( 1 - D) ,   wh er e  D  is   th e  d u ty   r atio .   -   Z - s o u r ce   a n d   Qu asi  Z - s o u r ce   DC - DC   co n v er ter   [ 9 ] :  T h ese  c o n v er ter s   u tili ze   im p ed a n ce   n e two r k s   ( Z - s o u r ce   o r   Qu asi Z - s o u r ce )   to   ac h ie v e  h ig h   v o ltag e  co n v er s io n .   T h e  v o ltag e  co n v e r s io n   r atio   o f   th e s e  co n v er ter s   is   (1 - D) /( 1 - 2 D) ,   wh e r e  D  r ep r esen ts   th e  d u ty   r atio .   Ho wev er ,   th e   o u tp u t   v o ltag es  o f   th ese  c o n v e r ter s   ar e   f lo atin g ,   m ea n in g   th ey   ar e   n o t   r ef er e n ce d   to   a   f ix ed   p o ten tial.  I n   c o n tr ast,  in   a   p r o p o s ed   s o lu tio n   p r esen ted   i n   [ 1 0 ] ,   th e  q u ad r atic   b o o s t  co n v er ter   is   in tr o d u ce d .   T h is   co n v er ter   o f f er s   lo w  b u f f er   ca p ac ito r   s tr ess   an d   ac h iev e s   a  v o ltag e  co n v er s io n   r atio   o f   1 /( 1 - D) 2 ,   wh er e   D  is   th e  d u t y   r ati o .   T h e  q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter   p r o v id es  a   f ix ed   o u tp u t   v o ltag e   with   a   r e d u ce d   s t r ess   o n   th e   b u f f er   ca p ac ito r .   T h ese  d if f er en t  co n v er te r   to p o l o g ies  an d   co n f ig u r atio n s   en ab l e  h ig h   v o ltag e  co n v er s io n   in   s t an d - alo n e   PV  s y s tem s ,   allo win g   ef f icien t  in teg r atio n   o f   th e  PV  s o u r ce s   with   th e  lo ad   an d   in v er ter   s y s tem s .   I n   th e  co n tex t  o f   ac h iev in g   h ig h   s tep - u p   v o l tag e  g ain   in   s tan d - alo n e  PV  s y s tem s ,   d if f er en t  co n v er ter   to p o lo g ies  h av e  b ee n   p r o p o s ed   in   th e  liter atu r e.   O n e  s u ch   ap p r o ac h   is   th e  co u p led   in d u cto r - b ased   co n v er ter ,   wh ich   o f f er s   h ig h   v o ltag e  g ai n .   Ho we v er ,   it   is   ass o ciate d   with   ch allen g es  s u c h   as  leak ag e  en e r g y ,   in cr ea s ed   s witch in g   lo s s es,  an d   elec tr o m ag n etic  in ter f e r en ce   ( E MI )   is s u es.  T o   m itig ate  th ese  p r o b lem s ,   an   ac tiv e  cla m p   cir cu it  ca n   b e  em p lo y ed .   An o t h er   a p p r o ac h   i s   th e  u s e  o f   two   ca s ca d e   b o o s t  co n v er ter s   t o   ac h ie v e  h ig h   v o lt ag e  g ain .   Ho wev er ,   th is   co n f ig u r atio n   in tr o d u ce s   a d d itio n al  s witch es,  lead in g   to   r ed u ce d   e f f icien cy .     On   th e  o t h er   h an d ,   th e  q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter   is   a  r elia b le  o p tio n   th at  o f f er s   a   wid e  co n v er s io n   r an g e  an d   r e q u ir es  o n ly   a  s in g le  d r iv er   cir cu it  [ 1 ] .   Alth o u g h   s tr u ctu r ally   s im ilar   to   ca s ca d e d   b o o s t  co n v er te r s ,   th e  q u ad r atic  b o o s t  co n v er te r   p r o v id es  im p r o v ed   p er f o r m an ce .   T ap p ed   in d u cto r - b ased   b o o s t  co n v er ter s   h av e   also   b ee n   u tili ze d   f o r   h ig h - g a in   o p er atio n .   W h ile  th ese  co n v er ter s   ca n   ac h iev e  h ig h   v o lta g e  g ain ,   th e y   o f te n   ex p er ien ce   h ig h ly   p u ls atin g   in p u t  cu r r e n t,  esp ec ially   wh e n   th e   tu r n s   r atio   is   h ig h   o r   th e  cu r r en t   is   lar g e.   Ho wev er ,   it   h as  b ee n   o b s er v e d   th at   tap p e d - b o o s t  co n v er ter s   ex h ib it   lo wer   s witch   v o ltag e  s tr ess   co m p ar ed   to   s tan d ar d   b o o s t  co n v er ter s   f o r   th e  s am e  o u tp u t  v o ltag e.   T o   a d d r ess   th e  p o wer   s u p p ly   is s u e   wh en   PV  p o wer   is   u n av ailab le,   ad d itio n al  co n s id er atio n s   n ee d   to   b e   m ad e.   T o   ef f ec tiv ely   co n tr o l   th e  b atter y   c u r r en t  in   a   q u a d r atic - b o o s t  co n v er ter ,   w h ich   is   cr u c ial  in   a  s tan d - alo n e  s y s tem ,   a  b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er te r   is   in teg r ated   in t o   th e  s y s tem .   T h is   co n v er ter   en ab les  ef f icien t  r eg u lat io n   o f   t h e  b atter y   ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   p r o ce s s es.  I n   s u m m ar y ,   th e   p r o p o s ed   to p o l o g ies  in   th e  r e f er en ce s   co m b i n e  q u a d r atic  b o o s t  co n v e r ter s   an d   tap p e d   in d u cto r   b o o s t  co n v e r ter s   to   ac h iev e  h ig h   v o ltag e  g ai n   in   s tan d - alo n e  P V  s y s tem s .   T h ese  co n f ig u r atio n s   aim   to   o v er c o m e  ch allen g es  r elate d   to   v o ltag e  s tr ess ,   s w itch in g   lo s s es,  an d   in p u t  cu r r en t  p u ls atio n s .   Ho wev er ,   th e  r ef er en ce s   d o   n o t  p r o v id e   d etailed   a n aly s is   r eg ar d in g   p o we r   s u p p ly   in   th e  ab s en ce   o f   PV  p o wer ,   an d   a  b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter   is   in co r p o r ated   to   c o n tr o l th e  b atter y   cu r r en t e f f ec tiv ely .     R u r al  elec tr if icatio n   th r o u g h   P V - b ased   s tan d - alo n e  s y s tem s   is   g ain in g   p o p u lar ity   d u e   to   its   ab ilit y   t o   p r o v id e  i n d ep e n d en t  an d   r elia b le  p o wer   g en e r atio n .   T h ese  s y s tem s   ar e  ty p ically   d esig n ed   with   lo w  v o ltag e  lev els f o r   b o th   th e  PV a r r ay   a n d   th e  b atter y ,   ty p ically   in   th e  r an g e  o f   2 4 - 3 6   V.   Fig u r e   1   s h o ws a  ty p ical  s tan d - alo n e  PV  s y s tem .   Ho wev er ,   to   p r o v id e  a  s u itab le  DC - lin k   v o ltag e  f o r   an   in v er ter   an d   en ab le  a  2 3 0   V  AC   s u p p ly   at  th e  lo ad   ter m in al,   a  h i g h   v o l tag e  g ain   is   r eq u ir ed   f o r   t h e  o v er all  s y s tem .   T h e  d esig n   o f   th e   DC - DC   co n v er ter   p lay s   a  cr u cial  r o le  as  it  d eter m in es  th e  ef f icien c y ,   s ize,   an d   weig h t  o f   th e  co n v er ter .   T h e  l o w  v o ltag e  p r o v id e d   b y   th e  PV  ar r ay   r esu lts   in   h ig h   cu r r en ts   in   th e  p r i m ar y   p a r t  o f   th e  DC - DC   co n v er ter .   T h es e  h ig h   cu r r en ts   lead   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       C o u p led   q u a d r a tic  b o o s t c o n v erter   fo r   s ta n d - a lo n e  P V   a p p li ca tio n s   ( S u v a mit Ch a kra b o r ty )   2605   to   in cr ea s ed   co n d u ctio n   an d   s witch in g   lo s s es   in   th e  s em ic o n d u ct o r   d ev ices,  wh ich   ca n   r ed u ce   th e  o v er all  ef f icien cy   o f   th e  s y s tem .     A d d i t i o n a l l y ,   t h e   r e q u i r e m e n t   f o r   a   l a r g e  v o l t a g e   b o o s t   f ac t o r   p o s e s   a   s i g n i f i ca n t   c h al l e n g e   f o r   t h e   d e s i g n   o f   t h e   D C - D C   c o n v e r t e r .   T o   a d d r e s s   t h es e   c h a l l e n g es ,   t h e   u s e   o f   a   q u a d r a t i c   b o o s t   c o n v e r t e r   w i t h   a   t a p p e d   i n d u c t o r   c a n   b e   b e n e f i c i a l .   T h e   q u a d r a t i c   b o o s t   c o n v e r t e r   o f f e r s   a d v a n t a g e s   s u c h   as   h i g h e r   v o l ta g e   g a i n ,   i m p r o v e d   e f f i c i e n c y ,   a n d   r e d u c e d   s t r e s s   o n   t h e   s e m i c o n d u c t o r   d e v i ce s .   B y   i n c o r p o r a t i n g   a   t a p p e d   i n d u c t o r ,   t h e   c o n v e r t e r   c a n   a c h i e v e   a   h i g h e r   v o l t a g e   g a i n   w h i l e   m i ti g a t i n g   t h e   l o s s es   a s s o ci a t e d   w it h   h i g h   c u r r e n t s .   T h i s   a p p r o a c h   h e l p s   i n   o p t i m i z i n g   t h e   p e r f o r m a n c e  o f   t h e   s t a n d - a l o n e   PV   s y s t e m   a n d   o v e r c o m i n g   t h e   i s s u es   r e la t e d   t o   l o w   v o l t a g e  l e v e l s   a n d   h i g h   v o l t a g e   b o o s t   r e q u i r e m e n t s .   O v e r a l l ,   t h e   u t i li za t i o n   o f   a   q u a d r a t i c   b o o s t   c o n v e r t e r   w it h   a   t a p p e d   i n d u c t o r   p r e s e n ts   a   v i a b le   s o l u t i o n   f o r   r u r a l  e l e ct r i f i c at i o n   t h r o u g h   s t a n d - a l o n e   P V  s y s t e m s ,   o f f e r i n g   i m p r o v e d   e f f i c i e n c y ,   r e d u c e d   l o s s es ,   a n d   e f f e c t i v e   p o w e r   g e n e r a ti o n   i n   ar e a s   wi t h   l i m i t e d   a c ce s s   t o   g r i d   e l e c t r ic i t y .   T h e  b asic  c o n ce p t   o f   th e   m en tio n ed   s ch em e   in co r p o r atin g   a   q u ad r atic   b o o s t  co n v er ter   a n d   its   v e r y   p r elim in ar y   s tu d y   h a ve   b ee n   p r esen ted   in   th e   p a p er   [ 1 ] .   T h is   wo r k   ex p lo r es  th e   u s e  o f   a   q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter   f o r   a   s tan d al o n e  PV   s y s tem .   Fu r th er ,   a  c o n tr o l  al g o r ith m   is   d ev elo p ed   f o r   th is   to p o l o g y   wh ich   is   s im p le  an d   h as  an   ef f icien t  co n tr o l  s tr u ctu r e  en s u r i n g   p r o p e r   o p e r atin g   m o d e   s elec tio n   an d   s m o o th   tr an s itio n   b etwe en   d if f er e n t p o s s ib le  o p e r atin g   m o d es.   T h is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o ll o ws.  I n   s ec tio n   2 ,   th e  b asic  s y s tem   o v er v iew  an d   o p er atio n   p r in cip le  o f   th e  p r o p o s ed   q u ad r atic  b o o s t c o n v er ter   ar e   d escr ib e d .   Sectio n   3   d escr ib es th e  wo r k in g   p r in cip les an d   d if f e r en t   m o d es  o f   o p e r atio n .   I n   s ec tio n   4 ,   th e   b asic  co n tr o l  s tr u ct u r e  f o r   th e   p r o p o s ed   q u a d r ati c  b o o s t  s tan d alo n e  co n v er ter   is   p r esen ted ,   a n d   s o m e  p l ac es si m u latio n s   a r e  g iv e n   in   th e   s ec tio n .   T h e   h ar d war e   cir cu it is   d esig n ed ,   an d   s o m e   ex p er im en tal  r esu lts   ar e  also   p r esen ted   f o r   v ali d atio n   in   th is   s ec tio n .   Fin ally ,   s o m e   co n cl u d in g   r em ar k s   an d   co m m e n ts   ar e  g iv en   in   s ec tio n   5 .           Fig u r e  1 .   A  ty p ical  s tan d alo n e   s y s tem       2.   Q UADR AT I C - B O O S T   CO NVER T E R  WI T H   CO UP L E D  I ND UCTOR   I n   th e   f iel d   o f   P V - b as e d   s ta n d a lo n e   s y s t em s ,   tw o   m ai n   c o n v er ter   s tr u c tu r es   h av e   b ee n   wi d el y   e x p l o r e d :   is o l ate d   c o n v er te r s   a n d   n o n - is o la te d   co n v e r t er s .   T h is   p a p er   s p e ci f ic all y   f o c u s es   o n   n o n - is o l ate d   P V  DC   s ta n d - alo n e  s c h em es,  as  t h er e  is   r o o m   f o r   im p r o v em en t  i n   t h is   a r e a.   T h e  b o o s t  co n v e r t er   is   t h e  m o s t  c o m m o n l y   u s e d   ty p e   o f   c o n v er te r   t o   ac h i e v e  v o lt ag e  g a i n   i n   P V  s y s t em s .   H o wev er ,   r esea r ch er s   h a v e   m ad e  m o d i f i ca t io n s   t o   t h e   b o o s t   c o n v er te r   d esi g n   t o   a c h ie v e  e v e n   h i g h e r   v o lta g e  g a in s .   O n e  ap p r o ac h   is   t h e  u s e   o f   c asca d ed   b o o s t   co n v e r te r s ,   w h e r e   t wo   b o o s t   c o n v er te r s   a r e   co n n e cte d   i n   s er ies   t o   p r o v i d e   a   s i g n if i ca n t   s te p - u p   v o lta g e   g ai n .   Ho w ev er ,   t h is   c o n f i g u r ati o n   r e q u ir es  th e  e n g a g e m e n t   o f   tw o   s witc h es ,   wh ic h   ca n   le a d   t o   r e d u ce d   e f f ici e n c y .   I n   co n t r ast,  th e  q u a d r atic  b o o s t c o n v er ter ,   d esp ite  its   b asic sim ilar ity   to   th e  ca s ca d ed   b o o s t c o n v er ter ,   o f f er s   a   m o r e   d e p en d a b le  s o l u tio n   with   a  s in g le   d r iv e r   cir cu it  [ 1 1 ] - [ 1 7 ] .   T h e   q u a d r atic  b o o s t  co n v er ter   [ 1 ]   u tili ze s   a  q u ad r atic   v o ltag e   co n v er s io n   r atio ,   allo win g   f o r   a   wid e  co n v e r s io n   r a n g e.   R esear ch er s   h a v e  f u r th er   im p r o v e d   th e   v o ltag e   g ain   ca p ab ilit y   b y   d ev el o p in g   tap p e d   i n d u cto r - b ased   q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter s   as  s h o wn   i n   Fig u r e  2 .   T h ese  tap p ed   i n d u cto r - b ased   q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter s   h av e   b ee n   t h e  f o cu s   o f   v ar io u s   s tu d ies  an d   r esear ch   ef f o r ts ,   aim in g   t o   e n h an ce   th e   v o ltag e   g ai n   an d   o v er all  p er f o r m an ce   o f   PV - b ased   s tan d alo n e   s y s tem s   [ 1 8 ] .   B y   lev er ag i n g   th ese  ad v an ce m en ts ,   th e  p r o p o s ed   s y s tem   in   th is   p ap e r   aim s   to   ad d r es s   th e  lim itatio n s   o f   ex is tin g   n o n - is o lated   PV  s tan d alo n e  s y s tem s   an d   im p r o v e  th eir   ef f icien cy   an d   v o ltag e  co n v er s io n   ca p ab ilit ies.   I n   Fig u r e   3 ,   a   s em i - tap p ed   q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter   is   d ep icted ,   wh ich   co n s is ts   o f   an   u n tap p ed   in d u cto r   L 1   a n d   a  ta p p ed   in d u cto r   C L .   T h e   p r im a r y   p u r p o s e  o f   th is   co n v er ter   is   to   s tep   u p   th e  ty p ically   lo w   v o ltag e  g e n er ated   b y   t h e  PV  s y s tem   to   a  h i g h er   v o lta g e  le v e l  s u itab le  f o r   i n v er ter s   o r   o t h e r   DC   ap p licatio n s .   T h e  q u ad r atic  b o o s t  c o n v e r ter ,   s im ilar   to   th e  b o o s t  c o n v e r ter ,   u tili ze s   a  s in g le   ac tiv e  s witch   S1 ,   an d   th e   co n v er ter ' s   p er f o r m a n ce   is   ev alu ated   b ased   o n   th e  s witch ' s   co n d itio n .   Du r in g   th e  ON  s tate  o f   th e  s witch ,   d io d e  D2   b ec o m es   f o r war d   b iased   w h ile  d io d es  D 1   an d   D3   b ec o m e   r ev er s e  b iased .   I n d u ct o r   L 1   a n d   ca p ac it o r   C 1   a r 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.  1 5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 2 4 :   2603 - 2 6 1 7   2606   ch ar g ed   b y   th e   s u p p ly   v o ltag e,   wh ile  in d u cto r   C L   is   ch ar g ed   b y   ca p ac ito r   C 1 .   C o n v er s ely ,   d u r in g   th e   OFF  s tate   o f   th e  s witch ,   d io d e  D2   b ec o m es  r ev er s e  b iased ,   an d   d io d es  D1   an d   D3   b ec o m e  f o r war d   b i ased .   C ap ac ito r s   C 1   an d   C 2   ar e   ch ar g ed   b y   t h e  s u p p ly   v o ltag e   an d   th e  i n d u cto r s   ( L 1   an d   C L ) ,   r esp ec tiv ely .   T h e   o p er atio n   co n d itio n s   o f   th e  co n v er te r   ar e  illu s tr ated   in   Fig u r e   4 ,   wh ich   p r o v id es  a   v is u al  r ep r esen tatio n   o f   th e  s witch   s tate s   an d   th e   ch ar g in g / d is ch ar g in g   o f   t h e  v ar io u s   co m p o n en ts   ( in d u cto r s   an d   ca p ac ito r s )   d u r i n g   th e  O N  an d   OFF  s tates  o f   th e  s witch .   Ov er all,   th e  s em i - tap p ed   q u a d r atic  b o o s t  co n v er ter   o f f er s   a  m ea n s   to   s tep   u p   th e   s y s tem ' s   lo w   v o ltag e  o u tp u t,  u tili zin g   a  q u a d r atic  b o o s t  tech n iq u e  an d   a  s in g le  ac tiv e  s witch   f o r   ef f icien t  v o ltag e  co n v er s io n .             Fig u r e   2 .   D u t y   r a t i o   v s  v o l t a g e   g a i n   g r a p h   o f   b o o s t   a n d   q u a d r a t i c   b o o s t   c o n v e r t e r   a n d   w i t h   d i f f e r e n t   v a l u e s   o f   n           Fig u r e  3 .   A  ty p ical  PV - b ased   q u ad r atic  b o o s t c o n v er ter   with   co u p led   in d u ct o r   CL       T h e  r elatio n s h ip s   o f   th e  ca p ac i to r   v o ltag es a r e  g iv en   b y   ( 1 )   a n d   ( 2 ) .     =  ( 1 − 2 )   ( 1 )     2 =  ( 1 − ) 2     ( 2 )     Sin ce   th e  in d u cto r   L 2   is   tap p e d ,   th en   th e   o u tp u t  v o ltag e  b ec o m es  th e  f u n ctio n   o f   th e  t u r n ’ s   r atio   n   o f   th e   tap p ed   in d u cto r ,   an d   it  s ig n if ican tly   b o o s ts   th e   v o ltag e.   T h e  o u tp u t   v o ltag e  Vc2   an d   i n d u cto r   cu r r en t  I L 1   ca n   b e   wr itten   as ( 3 )   an d   ( 4 )   r esp ec tiv ely .     2 =  ( 1 +  ) ( 1 − ) 2   ( 3 )     1 =  = ( 1 +  ) 2 ( 1 − ) 4 =  ( 1 +  ) ( 1 − ) 2   ( 4 )     W h er e  D  is   th e  s h o o t - th r o u g h   d u ty   r atio .   T h e  c u r r en t  r ip p le  Δ I _ L 1   o f   th e   in d u cto r   L 1   ca n   b e  wr itten   as   ( 5 ) .     ∆ 1 =  1   ( 5 )   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       C o u p led   q u a d r a tic  b o o s t c o n v erter   fo r   s ta n d - a lo n e  P V   a p p li ca tio n s   ( S u v a mit Ch a kra b o r ty )   2607   T o   o b tain   t h e  r ip p le  co m p o n e n t f o r   ∆ I _ L 1 ,   th e  in d u ctan ce   o f   L 1   m u s t satis f y   th e  ( 6 ) .     1 >  ∆     ( 6 )     Similar ly ,   to   o b tain   th e  r ip p le  co m p o n en t f o r   ∆I _ C L ,   th e   in d u ctan ce   o f   C L   m u s t satis f y   th e  ( 7 ) .      >  ( 1 − ) ∆    ( 7 )     T h e  leak ag e  in d u ctan ce   L _ k   is   n o t c o n s id er ed   as its   v alu e  is   n eg lig ib le.               Fig u r e   4 .   Qu a d r atic  b o o s t c o n v er ter   wh en   s witch   S1   is   o n   an d   o f f   a n d   wav e f o r m s   in   C C M     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.  1 5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 2 4 :   2603 - 2 6 1 7   2608   3.   P RO P O SE D  SYS T E M   I n   th e   p r o p o s ed   s tan d alo n e  PV   s y s tem   s h o wn   in   Fig u r e  5 ,   t h e  q u ad r atic  b o o s t  c o n v er te r   p lay s   a  cr u cial   r o le  in   b o o s tin g   th e  o u tp u t   v o lt ag e.   T h e  co n v er te r   o p er ates  s im ilar ly   to   th e  o n e   d escr ib ed   in   r ef er en ce   [ 1 ] ,   wh e r e   it  was  o b s er v ed   t h at  th e  o u tp u t  v o ltag e  is   d eter m in ed   b y   th e   tu r n s   r atio   ( n )   o f   th e   co u p led   in d u cto r ,   allo win g  f o r   s ig n if ican t  v o ltag e  am p lific atio n .   On e  m ajo r   ad v a n tag e  o f   th is   co n v er ter   is   its   ab ilit y   to   m ain tain   co n tin u o u s   in p u t  c u r r e n t,  as  t h e  in p u t   in d u cto r   is   n o t   tap p e d .   T h is   en s u r es  s m o o th   p o wer   tr a n s f er   a n d   ef f icien t   o p e r atio n   o f   th e   s y s tem .   T o   i n ter f ac e   th e  b atter y   with   t h e  s y s tem ,   a  b i - d ir ec tio n al  DC - DC   co n v er te r   is   em p l o y ed .   T h is   co n v er ter   en a b les  ef f ec tiv e  b atter y   ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g ,   p r o v id in g   co n tr o l  o v er   th e  b at ter y ' s   en er g y   f lo w.   C ar ef u l  co n tr o l  o f   b atter y   ch a r g in g   an d   d is ch ar g in g   is   ess en tial   to   p r eser v e   b atter y   life   a n d   h ea lth ,   e n s u r in g   o p tim al  p er f o r m a n ce   an d   lo n g ev ity .   Ov e r all,   th e  p r o p o s ed   s y s tem   in teg r ates  PV  m o d u le s ,   a  q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter   f o r   v o ltag e  b o o s tin g ,   an d   a  b i - d ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter   f o r   b atter y   in ter f ac in g .   T h is   d esig n   allo ws  f o r   ef f icien t  p o wer   m a n ag em e n t,  ef f ec tiv e  b atter y   co n tr o l,  a n d   th e  p r o v is io n   o f   s tab le  v o lt ag e  lev els  r eq u ir e d   b y   th e  DC   lo ad s .           Fig u r e  5 .   Pro p o s ed   s tan d alo n e   PV sy s tem   with   b atter y       3 . 1 .   P rinciples   o f   o pera t io n a nd   m o des   a na ly s is   T h e  p o wer   f lo w  o f   th e  s y s tem   in   a  s tan d alo n e   PV  s y s tem   [ 1 8 ] - [ 2 0 ]   ca n   b e  ca teg o r iz ed   in to   th e   f o llo win g   s ce n ar io s :   -   PV  to   lo ad - b atter y   f u lly   c h ar g ed :  I n   th is   s ce n ar io ,   th e  PV  ar r ay   g en er ates  p o wer   a n d   d ir ec tl y   s u p p lies   it  to   th e  lo ad   with o u t  i n v o lv i n g   th e  b atter y .   T h e  b atter y   is   alr ea d y   f u lly   ch ar g ed   an d   n o t  ac tiv el y   in v o lv ed   i n   th e  p o wer   tr an s f er .   -   PV  to   b atter y - n o   lo ad   co n d iti o n ,   b atter y   ch ar g in g :   wh en   th er e  is   n o   lo a d   o r   t h e  lo a d   d e m an d   is   l o w,   th e  s u r p lu s   p o wer   g en e r ated   b y   th e  PV   ar r ay   is   u s ed   to   ch a r g e  t h e  b atter y .   T h e  PV  p o wer   is   d ir ec ted   to war d s   th e  b atter y   to   r ep len is h   its   en e r g y   s to r ag e .   -   PV  to   b o th   lo a d   an d   b atter y - s u r p lu s   PV  en er g y :  wh e n   th e  PV  ar r ay   g en e r ates  m o r e  p o w er   th an   wh at   is   r eq u ir ed   b y   th e  lo ad ,   th e  ex ce s s   p o wer   is   u s ed   to   s im u ltan e o u s ly   s u p p ly   th e  lo ad   an d   ch a r g e  th e  b atter y .   T h is   en s u r es e f f icien t u tili za tio n   o f   th e  s u r p l u s   PV e n er g y .   -   PV  an d   b atter y   t o   lo ad - d ef icit   in   PV  en er g y :  I f   t h e  PV  ar r a y   alo n e  ca n n o t  m ee t  th e  p o we r   d em an d   o f   th e  lo ad ,   th e   b atter y   is   u tili ze d   to   p r o v id e   th e  r em ain in g   p o wer   r eq u ir ed .   T h e   PV  ar r ay   s u p p li es  p o wer   to   t h e  lo ad ,   an d   if   n ec ess ar y ,   t h e  b att er y   also   co n tr i b u tes to   m ee tin g   th e  lo ad   d em an d.   -   B atter y   to   lo ad - in s u f f icien t  P V  p o wer :  I n   s itu atio n s   wh er e   th e  PV  ar r ay   is   u n ab le  t o   g e n er ate  s u f f icien t   p o wer   to   m ee t   th e  lo ad   d em an d ,   th e  b atter y   tak es  o v e r   an d   s u p p lies   p o wer   t o   th e  lo a d .   T h e  b atter y   ac ts   as   an   en er g y   s o u r ce   to   b r id g e  th e   g ap   b etwe en   th e  lo ad   d em an d   an d   th e  a v ailab le  PV p o wer .   -   W o r s t  ca s e   s ce n ar io   -   PV a n d   DC   b u s   to   B atter y : T h is   m o d e   is   ac tiv ated   wh en   th e  b atter y 's  s tate   o f   ch ar g e   ( So C )   is   lo w,   an d   th e   PV  s o u r ce   alo n e  ca n n o t   p r o v id e   th e  r e q u ir ed   ch ar g i n g   c u r r e n t  to   th e   b atter y .   I n   th is   ca s e,   th e  s y s tem   s h u ts   d o wn   a s   th e  PV  p o we r   an d   th e   DC   b u s   p o wer   ar e  u tili ze d   to   ch ar g e  th e  b atter y   a n d   r esto r e  its   en er g y   lev el.   T h ese  p o wer   f lo w   s ce n ar io s   r ep r esen t  d if f er en t   o p er atin g   co n d itio n s   o f   th e  s y s tem   b ased   o n   th e   av ailab ilit y   o f   PV  p o wer ,   lo ad   d em an d ,   a n d   th e  s tate  o f   th e  b a tter y .   T h e  s y s tem   in tellig en tly   m an ag es  th e  p o we r   f lo w  to   en s u r e  ef f icien t  u tili za tio n   o f   th e  PV  en e r g y   a n d   u n in t er r u p ted   p o wer   s u p p ly   to   th e   l o ad .   T h is   is   s h o wn   in   Fig u r e  6.     3 . 2 .   B a s ic  co ntr o l st ruct ure  a nd   m o de  s elec t io n   -   MPPT  m o d e:  I n   th is   m o d e,   th e  s y s tem   u tili ze s   m ax im u m   p o wer   f r o m   th e  PV  ar r ay .   W h en   th e  p o wer   g en er ated   b y   th e  PV  s o u r ce   is   g r ea ter   th an   th e  l o ad   r e q u ir em en t,  th e  ex ce s s   p o wer   is   u s ed   to   s im u ltan eo u s ly   s u p p ly   th e  lo ad   an d   c h ar g e  th e  b atter y .   T h e  p o wer   b ala n ce   eq u atio n   in   MPPT  m o d e  is   g iv en   b y   P_ p v   +  P_ b at  =  P_ lo ad ,   wh er e  P_ p v   r ep r esen ts   th e  p o wer   g en er ated   b y   th e  PV so u r ce ,   P_ b at  r ep r e s en ts   th e  p o wer   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       C o u p led   q u a d r a tic  b o o s t c o n v erter   fo r   s ta n d - a lo n e  P V   a p p li ca tio n s   ( S u v a mit Ch a kra b o r ty )   2609   f lo win g   in t o   th e   b atter y ,   an d   P_ lo ad   r e p r esen ts   th e  p o wer   c o n s u m ed   b y   th e  l o ad .   T h e   s y s tem   r em ain s   in   MPPT  m o d e  u n til  th e   b atter y   cu r r e n t  ( I B )   is   b el o w  a   s p ec if ied   v al u e  d eter m in ed   b y   th e   State  o f   C h ar g e   ( SOC )   o f   th e  b atter y .   T h is   en s u r es th at  th e  b atter y   is   n o t o v e r ch ar g e d .   -   No n - MPPT  m o d e:  W h en   th e   lo ad   d em a n d   is   lo wer   th an   t h e  g e n er ated   p o wer   an d   t h e  b atter y   c h ar g in g   cu r r en t   ex ce ed s   its   lim it,  th e   s y s tem   s witch es  to   n o n - MPPT  m o d e.   I n   th is   m o d e,   th e  p o wer   b alan ce   eq u atio n   P_ p v   +  P_ b at  =  P_ lo ad   s till   h o ld s ,   b u t  P_ b at  b ec o m es  n e g a tiv e,   in d icatin g   th at  th e  b atter y   d is ch ar g es  to   m ee t  th e  lo ad   d e m an d .   T h e  b atter y   ch ar g in g   cu r r en t  is   m ai n tain ed   at  a  p r e d eter m in e d   v alu e  to   p r ev e n t  o v er ch a r g in g .   T h e   o p er atin g   p o in t  in   n o n - MPPT  m o d e   is   g en er ally   o n   th e   d ec r ea s in g   s lo p e  o f   th e   PV  cu r v e,   in d icatin g   a  r e d u ctio n   in   PV p o wer   to   m atch   t h e  lo ad   d em an d .   -   B atter y   m o d e:  I n   th e  ab s en ce   o f   PV  p o wer ,   th e  s tan d alo n e  s y s tem   o p er ates  in   b atter y   m o d e.   T h e  s y s tem   s u p p lies   p o wer   to   th e   lo ad   s o l ely   f r o m   th e   b atter y ,   e n s u r in g   th at  th e   b atter y   is   n o t   o v e r - d i s ch ar g ed .   T h is   m o d e  allo ws  th e  s y s tem   to   m ee t  th e  lo ad   d em an d   w h en   th er e  is   n o   PV  p o wer   av ailab le,   with o u t  r is k in g   ex ce s s iv e  d is ch ar g e  o f   t h e  b att er y .   -   T h e s e   t h r e e  m o d e s   e n a b l e   t h e   s y s te m   t o   o p ti m i z e   p o we r   e x t r a c t i o n   f r o m   t h e   P V  a r r a y ,   p r e v e n t   o v e r c h a r g i n g   o r   o v e r - d i s c h a r g i n g   o f   t h e   b a t te r y ,   a n d   e n s u r e   c o n t i n u o u s   p o w e r   s u p p l y   t o   t h e   l o a d   u n d e r   v a r y i n g   c o n d i t i o n s .           Fig u r e  6 .   Dif f e r en t p o wer   f lo w  o p er atio n   o f   th e   p r o p o s ed   s t an d alo n e  PV sy s tem       3 . 3 .   Co ntr o l o f   s t a nd a lo ne  mo des   I n   th e  p r o p o s ed   s tan d alo n e  s y s tem ,   th e  co n t r o l  s y s tem   is   ess e n tial  f o r   d ete r m in in g   th e  o p er a tin g   m o d e   an d   m an a g in g   p o wer   f lo w.   T h e  co n tr o ller   co n tin u o u s ly   m o n i to r s   th e  s y s tem 's  cu r r en t  s tate  an d   m ak es  d ec is io n s   b ased   o n   p o wer   d em an d   an d   th e  b atter y ' s   s p ec i f ied   s ta te  o f   ch ar g e  ( SOC ) .   Fig u r e  7   illu s tr ates  th e  MP PT  alg o r ith m   u s ed   in   th is   s tu d y ,   wh ich   is   b ased   o n   t h e  p er t u r b   an d   o b s er v e  m eth o d .   I n   MPPT  m o d e,   as  d ep icted   in   Fig u r e  8 ,   th e  c o n tr o ller   ad j u s ts   th e  d u ty   r atio   to   en s u r e  m ax im u m   p o wer   ex t r ac tio n   f r o m   t h e  PV  ar r ay . T h e   MPPT  b lo ck   g e n er ates  a  r e f er e n ce   cu r r en t  ( I p v - m p p )   b ased   o n   th e  d esire d   o p er atin g   p o in t   o f   th e  PV  ar r ay .   T h is   r ef er en ce   c u r r en t  is   co m p ar ed   with   th e  ac tu al  PV  cu r r en t,  an d   th e  er r o r   is   p ass ed   th r o u g h   a   PI  co n tr o ller .   T h e   o u tp u t   o f   th e  PI   co n t r o ller   is   th e  d u ty   r atio   ( Dsh )   f o r   th e  s witc h   o f   th e   q u a d r atic  b o o s t  co n v er ter ,   wh ich   r eg u lates  th e  PV c u r r en t to   tr ac k   th e  m a x im u m   p o wer   p o in t.   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.  1 5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 2 4 :   2603 - 2 6 1 7   2610   T o   co n tr o l  th e  DC - lin k   v o ltag e,   th e  v o ltag e  ac r o s s   th e  ca p ac ito r   C 1   is   m ea s u r ed   an d   co m p ar ed   with   th e  d esire d   v alu e.   T h e  er r o r   i s   th en   f ed   in to   a  PI  co n tr o ller ,   wh ich   g en er ates  a  cu r r en t  r e f er en ce   ( I r e f ) .   T h is   cu r r en t r ef er e n ce   is   co m p ar ed   with   th e  b atter y   cu r r en t ( I b ) ,   a n d   th e   r esu ltin g   er r o r   is   u s ed   t o   g en e r ate  th e   d u t y   r atio   ( Db )   f o r   th e  b id ir ec tio n al   co n v e r ter .   T h e  b id i r ec tio n al  c o n v er ter   allo ws  p o wer   f lo w  b e twee n   th e  PV  ar r ay   an d   th e  b atter y ,   co n tr o llin g   th e  b atter y   ch a r g in g   o r   d is ch ar g i n g   p r o ce s s .   W h en   th er e   is   n o   PV e n e r g y   a v ailab le,   th e   co n tr o ller   s h if ts   th e  s y s tem   to   b atter y   o n ly   m o d e  to   s u p p l y   p o wer   to   th e   lo ad   s o lely   f r o m   th e  b atter y .   T h e  co n tr o ller   m u s t  co n tin u o u s ly   m o n ito r   th e  cu r r en t  s tate  o f   th e   s y s tem ,   ev alu atin g   p ar am eter s   th at  in d icate   p o wer   ex ce s s   o r   d ef icit.  B ased   o n   th ese  p ar am eter s ,   th e  co n tr o ller   d eter m in es  th e  ap p r o p r iate  m o d e  o f   o p er atio n   f o r   th e  s y s tem .   Ov er all,   th e  co n tr o l  s y s tem   in   th e  p r o p o s ed   s tan d alo n e  s y s tem   en s u r e s   ef f icien t  p o wer   m an a g em en t,  o p tim al  MPPT  o p er atio n ,   b atter y   ch ar g in g / d is ch ar g in g   co n tr o l,  an d   s ea m less   p o wer   s u p p ly   to   th e  lo ad   u n d er   v ar y i n g   co n d iti o n s .       M e a s u r e   V p v ,  I p v Y E S I p v _ o l d = I p v _ n e w P o l d = P n e w P n e w   > P o l d NO d I r e f =  -   d I r e f I p v _ n e w =  I p v _ o l d + d I r e f I n i t i a l i ze   P & O E v a l u a t e   P n e w I p v _ n e w =  I p v _ o l d   +  d I r e f W a i t   T s     Fig u r e  7 .   Flo wch ar t  o f   th e   P& O  MPPT  alg o r ith m       T h e  co n tr o l  s tr ateg y   f o r   th e  p r o p o s ed   s tan d alo n e  s y s tem   in v o lv es  m o n ito r in g   an d   c o n tr o llin g   th e  s y s tem   in   th r ee   d if f er e n t  m o d es:  MPPT  m o d e,   n o n - MPPT  m o d e,   a n d   b atter y   o n ly   ( B O)   m o d e.   T h e  s y s tem   is   d esig n ed   to   s h if t  b etwe en   th ese  m o d es  b ased   o n   th e  o p er at in g   co n d itio n s .   I n   th e  n o n - M PP T   m o d e  s h o wn   in   Fig u r e  9 ,   th e  r ef er en ce   cu r r e n t  I r ef   is   s u b tr ac ted   f r o m   th e  m ax im u m   b atter y   cu r r en t  I b m ax   to   g en er ate  th e   r ef er en ce   PV  cu r r e n t  I p v r ef .   T h is   r ef er en ce   cu r r en t  is   u s ed   to   r e g u late  th e   v o ltag e  ac r o s s   th e  ca p ac ito r   V C 1 ,   en s u r in g   its   m ain ten an ce   with in   a  ce r tain   v o ltag e  r an g e.   I f   th er e  is   a  s u d d en   ch an g e  in   th e   lo ad ,   ca u s in g   VC 1   to   f all  b elo w  a  s p ec if ied   v o ltag e,   th e  co n tr o ller   au to m atica lly   s h if ts   f r o m   th e  n o n - MPPT  m o d e  to   th e  MPPT   m o d e  to   o p tim ize  p o wer   ex t r a ctio n   f r o m   th e  PV  ar r a y .   T h is   tr an s itio n   allo ws  th e  s y s tem   to   ad ap t  t o   v ar y in g   lo ad   co n d itio n s   an d   im p r o v e  o v er all  p er f o r m an ce .   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       C o u p led   q u a d r a tic  b o o s t c o n v erter   fo r   s ta n d - a lo n e  P V   a p p li ca tio n s   ( S u v a mit Ch a kra b o r ty )   2611   V pv I pv M P P T I pv r e f + - I pv PI D s h VC 1 r e f + - VC 1 PI I br e f + - PI Db Ib   D s h PI VC 1 r e f + - VC 1 PI I pvr e f + - I pv S O C I bm a x Vb Ib + - PI Ib Db     Fig u r e  8 .   Pro p o s ed   o p er atio n   m o d e  in     th e  MPPT  m o d e     Fig u r e  9 .   Pro p o s ed   o p er atio n   m o d e  in     th e  n o n - MPPT  m o d e       W h en   th er e  is   n o   PV   en er g y   av ailab le,   th e  s y s tem   en ter s   t h e  b atter y - o n ly   ( B O)   m o d e  as  s h o wn   in   Fig u r e  1 0 .   I n   th is   m o d e,   th e  b atter y   b ec o m es  th e   s o le  p o wer   s o u r ce   an d   is   r esp o n s ib le  f o r   s u p p ly in g   th e   en tire   lo ad .   T h e  o p e r atio n   in   MPPT  m o d e  an d   B O  m o d e  is   s im il ar ,   with   th e  ex ce p tio n   th at  th e  MPPT  co n tr o ller   r em ain s   id le  in   B O  m o d e.   T h e  s y s tem   m ain tain s   s tab l e  o p e r atio n   in   th e  B O  m o d e  to   e n s u r e  an   u n in ter r u p ted   p o wer   s u p p l y   in   th e  a b s en ce   o f   PV e n er g y .   T o   f ac ilit ate  th e   co n tr o l  o f   d i f f er en t   m o d es,   f o u r   c o n tr o l   s ig n als,  M,   NM ,   B O,   an d   No n - B O,   ar e   g en er ated .   W h en   M= 1   an d   N M= 0 ,   th e   co n tr o ller   o p er ates  t h e  PV  in   MPPT  m o d e,   with   th e  b atter y   m ain tain in g   th e  DC - lin k   v o ltag e.   I f   th e  l o ad   r ed u ce s   o r   s o lar   r ad iati o n   i n cr ea s es,  ca u s in g   th e  b atter y   cu r r en t  I B   to   r ea ch   I b m ax   as sp ec if ied   b y   t h e  s tate  o f   ch a r g e  ( SOC ) ,   NM   is   s et  to   1   an d   M  is   s et  to   0 .   T h e  c o n t r o ller   th en   o p er ates   th e  b atter y   in   a  c o n s tan t  cu r r e n t  m o d e,   m ain tain in g   th e   b att er y   ch ar g in g   cu r r en t  at  I b m ax ,   wh ile  th e  PV  ar r ay   tak es r esp o n s ib ilit y   f o r   m ain ta in in g   th e  DC - lin k   v o ltag e.   Fo r   B O= 0   an d   n on - B O= 1 ,   th e   co n tr o ller   o p e r ates  th e  PV  ar r ay   in   eith er   MPPT  m o d e  o r   n o n - MPPT   m o d e,   d e p en d in g   o n   th e  s tatu s   o f   M  an d   NM .   W h en   B O= 1   an d   n on - B O= 0 ,   in d icatin g   th e  ab s en ce   o f   PV  en er g y ,   th e  co n tr o ller   s h if ts   to   th e  b atter y - o n l y   m o d e,   wh er e   th e  b a tter y   m ain tain s   th e  DC - lin k   v o ltag e  an d   s u p p lies   p o wer   to   t h e  lo ad .   T h is   co n tr o l  s tr ateg y   s h o wn   in   Fig u r e  1 1   allo ws  th e  s y s tem   to   ad ap t  to   ch an g in g   o p e r atin g   co n d itio n s   an d   en s u r es e f f icien t o p er atio n   in   all  th r ee   m o d es,  n am ely   MPPT  m o d e,   n o n - M PP T   m o d e,   an d   B O  m o d e.   T h e  co n tr o l  s ig n als  M,   NM ,   B O,   an d   n on - B O  en ab le  th e  s y s tem   to   s witch   b etwe en   th ese  m o d es  an d   d is ab le  th e  m o d es  t h at  ar e   n o t   r eq u ir ed   b ased   o n   th e  p r ev ail in g   co n d itio n s .   Fig u r e   1 2   s h o ws  th e  alg o r ith m   t o   id en tify   an d   s witch   b etwe en   d i f f er en t m o d es.       VC 1 r e f + - VC 1 PI D s h     Fig u r e  1 0 .   Pro p o s ed   o p er atio n   m o d e  in   th e  b atter y - o n l y   m o d e       V pv I pv M P P T I pvm pp + - MP PI VC 1 r e f + - VC 1 PI I r e f X X X X N on - MP N on - MP MP + + I pv + - PI Db + + Ib I br e f S O C I bm a x Vb Ib I pvr e f D s h VC 1 r e f + - VC 1 PI BO X X + + N on - BO X N on - BO D s h D s h Db     Fig u r e  1 1 .   Ov er all  co n tr o l stra teg y   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.  1 5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 2 4 :   2603 - 2 6 1 7   2612   S t a r t S e n s e   V c 1 , B a t t e r y   V o l t a g e C h e c k I b r e f < I b i n F r o m   S O C S e t   M P = 0 N o n - M P = 0 I r e f > I b m a x F r o m   S O C S e t   M P = 1 N o n - M P = 0 S e t   M P = 0 N o n - M P = 1 V c 1 > 3 6 R e t u r n N o N o N o Y e s Y e s     Fig u r e  1 2 .   Pro p o s ed   o p er atio n   m o d e  id e n tific atio n   s tr ateg y       4.   SI M UL A T I O N  A ND  E XP E RIM E N T AL   R E S UL T S   4 . 1 .   Sim ula t io n r esu lt   o f   pro po s ed  co nv er t er   T h e  th eo r etica l  ass u m p tio n s   wer e  v alid ated   t h r o u g h   b o th   s im u latio n   an d   ex p er im en tal  s e tu p s   o f   t h e   q u ad r atic  b o o s t  co n v er ter   with   a  tap p ed   in d u ct o r .   T esti n g   was  co n d u cte d   f o r   b o th   MPPT  an d   n o n - MPPT  m o d es   u n d er   r ated   lo ad   an d   v ar ia b le  lo ad   co n d itio n s   to   en s u r e   th e   p er f o r m an ce   o f   t h e  s y s tem   in   d if f er en t   o p e r atin g   s ce n ar io s .   T h e   d esig n ed   s y s tem   was  im p lem e n te d   u s in g   th e  s im u latio n   s o f twar e   PLE C S,  with   a  ch o s en   s witch in g   f r eq u en c y   o f   2 0   k Hz.   T h e  PV  o p er atin g   r an g e  was  s et  b etwe en   1 7   to   2 2   v o lts ,   with   an   o p en   cir cu it   v o ltag e  o f   2 2   V  an d   an   MPP  v o ltag e  o f   th e  s elec ted   PV  p an el  at  1 7 . 6   V.   T h e  b atter y ' s   n o m in al  v o ltag e  was   tak en   as  2 4   V.   Fo r   MPPT  o p er atio n ,   th e   p er tu r b   &   o b s er v e  ( P& O)   m eth o d   was   em p l o y ed   to   ex tr ac t  t h e  m ax im u m   p o wer   f r o m   th e  s o lar   p an el.   T h is   alg o r ith m   p er io d ically   p e r tu r b s   th e   PV  cu r r en t  with   a   s m all  in cr em en tal  s tep   an d   co m p ar e s   th e  r esu ltin g   p o wer   with   th e   p r e v io u s ly   d eliv er ed   p o wer ,   a llo win g   th e   s y s tem   to   tr ac k   th e  m ax im u m   p o wer   p o in t.  Fig u r e   1 3   s h o ws  th e  MPPT  tr ac k in g   b y   th e  q u a d r atic  b o o s t  co n v er ter   th r o u g h   th e   Ap lab   s o lar   em u l ato r .   T o   r eg u late  th e  b atter y   cu r r en t,   a  co n v en tio n al  p r o p o r tio n a l - in teg r al   ( PI)   co n tr o ller   was  u s ed   in   th e  b atte r y   co n tr o ller .   T h is   PI  co n tr o lle r   en s u r es  th at  th e  b atter y   ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   cu r r en ts   ar e  c o n tr o lled   with in   th e  s p ec if ied   lim its ,   th er eb y   p r o tectin g   th e   b atter y   a n d   m ai n tain in g   its   s tate  o f   ch ar g e  ( SOC ) .   T h e  tap p e d   in d u cto r   u s ed   in   th e  s y s tem   h as  a   tu r n s   r atio   o f   1 . 5 ,   wh ich   c o n tr ib u tes  to   ac h iev in g   th e  d esire d   h i g h   v o ltag e  g ain .   B y   co n d u ctin g   s im u latio n s   an d   ex p e r im en tal  test s ,   th e  p er f o r m an ce   an d   f u n ctio n ality   o f   th e   p r o p o s ed   s y s tem   wer e  e v alu ated   an d   v ali d ated .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr a te  th e  ef f ec tiv en ess   o f   th e   q u a d r atic  b o o s t  co n v er t er   with   a  ta p p ed   in d u ct o r   to p o lo g y   in   ac h iev in g   th e  d esire d   p o wer   co n v er s io n   an d   co n tr o l o b jectiv es.     4 . 2 .   E x perim ent a l r esu lt   o f   pro po s ed  co nv er t er   T o   ex p e r im en tally   v ali d ate  th e  p r o p o s ed   s y s tem ,   a  lab o r at o r y   p r o to ty p e  was  d ev el o p ed   s h o wn   in   Fig u r e  1 4 .   T h e  s witch in g   f r eq u en cy   o f   th e  co n v er ter   was c h o s en   as 2 0   k Hz,   c o n s id er in g   th e  tr ad e - o f f   b etwe en   p o wer   d en s ity   a n d   ef f icien cy .   T h e   b atter y   b a n k   was  co n s tr u cted   b y   c o n n ec tin g   two   1 2   V,   2 6   Ah   b atter ies  in   s er ies.  T h is   co n f ig u r atio n   p r o v id ed   th e   n ec ess ar y   v o ltag e  a n d   ca p ac ity   f o r   th e  s y s tem ' s   en er g y   s to r ag e.   T o   em u late  th e  s o lar   ar r ay ,   an   Ap l ab SAS1 2 0 /1 0   ODI V  s o lar   ar r ay   s im u lato r   was  u tili ze d .   T h is   s im u lato r   g en er ates  th e  P - V  ( p o wer - v o ltag e)   an d   I - V  ( cu r r en t - v o ltag e)   ch ar ac ter is tics   o f   th e  PV  a r r ay   b a s ed   o n   f o u r   in p u t   p ar am eter s :  Vm p p   ( m ax im u m   p o wer   p o in t  v o ltag e) ,   Vo c  ( o p en - cir cu it  v o ltag e ) ,   I m p p   ( m ax im u m   p o wer   p o in t   cu r r en t) ,   an d   I s c  ( s h o r t - cir cu it   cu r r en t )   o f   th e  PV  m o d u le.   T h ese  p ar am eter s   allo w  th e  s im u lato r   to   m im ic  th e   b eh av io r   o f   a  r ea l  s o lar   ar r ay .   T h e  lo ad s   co n n ec ted   to   th e  co n v er ter   o u tp u t  wer e  r h eo s tats ,   w h ich   ca n   b e  ad ju s ted   to   v ar y   t h e  lo a d   c o n d itio n s   an d   ev alu ate   th e   s y s tem ' s   p er f o r m an ce   u n d er   d if f er en t   s ce n ar io s .   T h e   s em ico n d u cto r   d ev ices e m p lo y e d   in   th e  la b o r ato r y   p r o to ty p e   in clu d e:   i)   Qu ad r atic  an d   b i - d ir ec tio n al  s witch es: I R FP 4 6 6 8 Pb F  ( MO SF E T ) ; ii)   Dio d e  f o r   PV  p an el,   Dp v : M B R 1 5 3 5 C T ; a n d   iii)  Qu ad r atic - d i o d e,   D:  R HR G3 0 1 2 0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.