Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic system using Non-Linear Controllers

Abstract

La creixent demanda energètica, l’esgotament dels combustibles fòssils i l’augment de l’escalfament global a causa de l’emissió de carboni ha donat lloc a la necessitat d’un sistema energètic alternatiu, global i respectuós amb el medi ambient. L’energia solar es considera una de les formes d’energia més inesgotables d’aquest univers, però té el problema de la baixa eficiència a causa de les diferents condicions ambientals. El panell solar presenta un comportament no lineal en condicions climàtiques reals i la potència de sortida fluctua amb la variació de la irradiació solar i la temperatura. El canvi de les condicions meteorològiques i el comportament no lineal dels sistemes fotovoltaics suposen un repte en el seguiment de diferents PowerPoint màxims. Per tant, per extreure i lliurar contínuament la màxima potència possible del sistema fotovoltaic, en determinades condicions ambientals, s’ha de formular l’estratègia de control de seguiment del punt de potència màxima (MPPT) que funcioni contínuament el sistema fotovoltaic al seu MPP. Es necessita un controlador no lineal robust per garantir el MPPT mitjançant la manipulació de les línies no lineals d’un sistema i el fa robust contra les condicions ambientals canviants. El control de mode lliscant (SMC) s’utilitza àmpliament en sistemes de control no lineals i s’ha implementat en sistemes fotovoltaics (PVC) per rastrejar MPP.

SMC és robust contra les pertorbacions, les incerteses del model i les variacions paramètriques. Representa fenòmens indesitjables com el xerramec, inherent al fet que provoca pèrdues d’energia i calor.

En aquesta tesi, en primer lloc, es formula un controlador SMC d’ordre sencer per extreure la màxima potència d’un sistema solar fotovoltaic en condicions climàtiques variables que utilitzen l’esquema MPPT de pertorbació i observació (P \ & O) del sistema fotovoltaic autònom proposat. El sistema proposat consta de dos esquemes de bucles, a saber, el bucle de cerca i el bucle de seguiment. P&O MPPT s’utilitza al bucle de cerca per generar el senyal de referència i un controlador SMC de seguiment s’utilitza a l’altre bucle per extreure la màxima potència fotovoltaica. El sistema fotovoltaic es connecta amb la càrrega mitjançant el convertidor d’alimentació electrònic DC-DC de potència. Primer es deriva un model matemàtic del convertidor d’augment i, basat en el model derivat, es formula un SMC per controlar els impulsos de la porta del commutador del convertidor d’augment. L’estabilitat del sistema de bucle tancat es verifica mitjançant el teorema d’estabilitat de Lyapunov. L’esquema de control proposat es prova amb diferents nivells d’irradiació i els resultats de la simulació es comparen amb el controlador de derivades integrals proporcionals clàssiques (PID).

El SMC clàssic representa fenòmens indesitjables com el xerramec, inherent al fet que provoca pèrdues d’energia i calor. A la següent part d’aquesta tesi, es discuteix el disseny del controlador de mode lliscant adaptatiu (ASMC) per al sistema fotovoltaic proposat. El control adoptat s’executa mitjançant un ASMC i la millora s’actualitza mitjançant un algorisme d’optimització MPPT de mètode de cerca de patrons millorats (IPSM). S’utilitza un MPPT IPSM per generar la tensió de referència per tal de comandar el controlador ASMC subjacent. S’ha dut a terme una comparació amb altres dos algoritmes d’optimització, a saber, Perturb \ & Observe (P&O) i Particle Swarm Optimization (PSO) amb IPSM per MPPT. Com a estratègia no lineal, l’estabilitat del controlador adaptatiu es garanteix mitjançant la realització d’una anàlisi de Lyapunov. El rendiment de les arquitectures de control proposades es valida comparant les propostes amb la del conegut i àmpliament utilitzat controlador PID.

La creciente demanda de energía, el agotamiento de los combustibles fósiles y el aumento del calentamiento global debido a la emisión de carbono han hecho surgir la necesidad de un sistema energético alternativo, de eficiencia general y respetuoso con el medio ambiente. La energía solar se considera una de las formas de energía más inagotables de este universo, pero tiene el problema de la baja eficiencia debido a las diferentes condiciones ambientales. El panel solar exhibe un comportamiento no lineal en condiciones climáticas reales y la potencia de salida fluctúa con la variación de la irradiancia solar y la temperatura. Las condiciones climáticas cambiantes y el comportamiento no lineal de los sistemas fotovoltaicos plantean un desafío en el seguimiento de la variación máxima de PowerPoint. Por lo tanto, para extraer y entregar continuamente la máxima potencia posible del sistema fotovoltaico, en determinadas condiciones ambientales, se debe formular la estrategia de control de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) que opere continuamente el sistema fotovoltaico en su MPP. Se requiere un controlador no lineal robusto para asegurar MPPT manejando las no linealidades de un sistema y haciéndolo robusto frente a condiciones ambientales cambiantes. El control de modo deslizante (SMC) se usa ampliamente en sistemas de control no lineales y se ha implementado en sistemas fotovoltaicos (PVC) para rastrear MPP.

SMC es robusto contra perturbaciones, incertidumbres del modelo y variaciones paramétricas. Representa fenómenos indeseables como el parloteo, inherentes a él, que provocan pérdidas de energía y calor.

En esta tesis, en primer lugar, se formula un controlador SMC de orden entero para extraer la máxima potencia de un sistema fotovoltaico solar en condiciones climáticas variables empleando el esquema MPPT de perturbar y observar (P&O) para el sistema fotovoltaico autónomo propuesto. El sistema propuesto consta de dos esquemas de bucles, a saber, el bucle de búsqueda y el bucle de seguimiento. P&O MPPT se utiliza en el bucle de búsqueda para generar la señal de referencia y se utiliza un controlador SMC de seguimiento en el otro bucle para extraer la máxima potencia fotovoltaica. El sistema fotovoltaico está conectado con la carga a través del convertidor elevador DC-DC electrónico de potencia. Primero se deriva un modelo matemático del convertidor elevador y, en base al modelo derivado, se formula un SMC para controlar los pulsos de puerta del interruptor del convertidor elevador. La estabilidad del sistema de circuito cerrado se verifica mediante el teorema de estabilidad de Lyapunov. El esquema de control propuesto se prueba bajo diferentes niveles de irradiancia y los resultados de la simulación se comparan con el controlador clásico proporcional integral derivado (PID).

El SMC clásico describe fenómenos indeseables como el parloteo, inherente a él, que causa pérdidas de energía y calor. En la siguiente parte de esta tesis, se analiza el diseño del controlador de modo deslizante adaptativo (ASMC) para el sistema fotovoltaico propuesto. El control adoptado se ejecuta utilizando un ASMC y la mejora se actualiza utilizando un algoritmo de optimización MPPT del Método de búsqueda de patrón mejorado (IPSM). Se utiliza un IPSM MPPT para generar el voltaje de referencia para controlar el controlador ASMC subyacente. Se ha realizado una comparación con otros dos algoritmos de optimización, a saber, Perturb \ Observe (P&O) y Particle Swarm Optimization (PSO) con IPSM para MPPT. Como estrategia no lineal, la estabilidad del controlador adaptativo está garantizada mediante la realización de un análisis de Lyapunov.

The increasing energy demands, depleting fossil fuels, and increasing global warming due to carbon emission has arisen the need for an alternate, overall efficiency, and environment-friendly energy system. Solar energy is considered to be one of the most inexhaustible forms of energy in this universe, but it has the problem of low efficiency due to varying environmental conditions. Solar panel exhibits nonlinear behavior under real climatic conditions and output power fluctuates with the variation in solar irradiance and temperature. Changing weather conditions and nonlinear behavior of PV systems pose a challenge in the tracking of varying maximum PowerPoint. Hence, to continuously extract and deliver the maximum possible power from the PV system, under given environmental conditions, the maximum power point tracking (MPPT) control strategy needs to be formulated that continuously operates the PV system at its MPP. A robust nonlinear controller is required to ensure MPPT by handling nonlinearities of a system and making it robust against changing environmental conditions. Sliding mode control (SMC) is extensively used in non-linear control systems and has been implemented in photovoltaic systems (PV) to track MPP.

SMC is robust against disturbances, model uncertainties, and parametric variations. It depicts undesirable phenomena like chattering, inherent in it causing power and heat losses.

In this thesis, first, an integer order SMC controller is formulated for extracting maximum power from a solar PV system under variable climatic conditions employing the perturb and observe (P&O) MPPT scheme for the proposed stand-alone PV system. The proposed system consists of two loops schemes, namely the searching loop and the tracking loop. P&O MPPT is utilized in the searching loop to generate the reference signal and a tracking SMC controller is utilized in the other loop to extract the maximum PV power. PV system is connected with load through the power electronic DC-DC boost converter. A mathematical model of the boost converter is derived first, and based on the derived model, an SMC is formulated to control the gate pulses of the boost converter switch. The closed-loop system stability is verified through the Lyapunov stability theorem. The proposed control scheme is tested under varying irradiance levels and the simulation results are compared with the classical proportional integral derivative (PID) controller.

Classical SMC depicts undesirable phenomena like chattering, inherent in it causing power and heat losses. In the next part of this thesis, the design of the adaptive sliding mode controller (ASMC) is discussed for the proposed PV system. The adopted control is executed utilizing an ASMC and the enhancement is actualized utilizing an Improved Pattern Search Method (IPSM) MPPT optimization algorithm. An IPSM MPPT is used to generate the reference voltage in order to command the underlying ASMC controller. Comparison with two other optimization algorithms, namely, a Perturb & Observe (P&O) and Particle Swarm Optimization (PSO) with IPSM for MPPT has been conducted. As a non-linear strategy, the stability of the adaptive controller is guaranteed by conducting a Lyapunov analysis. The performance of the proposed control architectures is validated by comparing the proposals with that of the well-known and widely used PID controller. The simulation results validate that the proposed controller effectively improves the voltage tracking, system power with reduced chattering effect, and steady-state error. A tabular comparison is provided at the end of each optimization algorithm category as a resume quantitative comparison. It is anticipated that this work will serve as a reference and provides important insight into MPPT control of the PV systems.