Cascade sliding mode maximum power point tracking controller for photovoltaic systems

Abstract

Introduction. Constant increases in power consumption by both industrial and individual users may cause depletion of fossil fuels and environmental pollution, and hence there is a growing interest in clean and renewable energy resources. Photovoltaic power generation systems are playing an important role as a clean power electricity source in meeting future electricity demands. Problem. All photovoltaic systems have two problems; the first one being the very low electric-power generation efficiency, especially under low-irradiation states; the second resides in the interdependence of the amount of the electric power generated by solar arrays and the ever changing weather conditions. Load mismatch can occur under these weather varying conditions such that maximum power is not extracted and delivered to the load. This issue constitutes the so-called maximum power point tracking problem. Aim. Many methods have been developed to determine the maximum power point under all conditions. There are various methods, in most of them based on the well-known principle of perturb and observe. In this method, the operating point oscillates at a certain amplitude, no matter whether the maximum power point is reached or not. That is, this oscillation remains even in the steady state after reaching the maximum power point, which leads to power loss. This is an essential drawback of the previous method. In this paper, a cascade sliding mode maximum power point tracking control for a photovoltaic system is proposed to overcome above mentioned problems. Methodology. The photovoltaic system is mainly composed of a solar array, DC/DC boost converter, cascade sliding mode controller, and an output load. Two sliding mode control design strategies are joined to construct the proposed controller. The primary sliding mode algorithm is designed for maximum power point searching, i.e., to track the output reference voltage of the solar array. This voltage is used to manipulate the setpoint of the secondary sliding mode controller, which is used via the DC-DC boost converter to achieve maximum power output. Results. This novel approach provides a good transient response, a low tracking error and a very fast reaction against the solar radiation and photovoltaic cell temperature variations. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed approach in the presence of environmental disturbances.Вступ. Постійне збільшення енергоспоживання як промисловими, так і індивідуальними користувачами може призвести до виснаження запасів викопного палива та забруднення навколишнього середовища, тому зростає інтерес до чистих та відновлюваних джерел енергії. Фотоелектричні системи виробництва електроенергії відіграють важливу роль як екологічно чисте джерело електроенергії для задоволення майбутніх потреб в електроенергії. Проблема. Усі фотоелектричні системи мають дві проблеми; по-перше, дуже низька ефективність вироблення електроенергії, особливо в умовах низького опромінення; друга полягає у взаємозалежності кількості електроенергії, що виробляється сонячними батареями, та постійно мінливих погодних умов. У цих погодних умовах, що змінюються, може відбутися невідповідність навантаження, так що максимальна потужність не буде витягнута і передана в навантаження. Ця проблема є так званою проблемою відстеження точки максимальної потужності. Мета. Було розроблено безліч методів визначення точки максимальної потужності за будь-яких умов. Існують різні методи, здебільшого засновані на відомому принципі збурення та спостережень. У цьому методі робоча точка коливається з певною амплітудою, незалежно від того, досягнуто точку максимальної потужності чи ні. Тобто це коливання залишається навіть у стійкому стані після досягнення точки максимальної потужності, що призводить до втрати потужності. Це значний недолік попереднього способу. У цій статті для подолання вищезазначених проблем пропонується каскадне керування відстеженням точки максимальної потужності в режимі ковзання для фотоелектричної системи. Методологія. Фотоелектрична система в основному складається з сонячної батареї, перетворювача постійного струму, що підвищує, каскадного контролера ковзного режиму та вихідного навантаження. Дві стратегії проєктування керування ковзним режимом об'єднані для побудови пропонованого контролера. Алгоритм первинного ковзного режиму призначений для пошуку точки максимальної потужності, тобто для відстеження вихідної опорної напруги сонячної батареї. Ця напруга використовується для управління уставкою вторинного контролера ковзного режиму, який використовується через перетворювач постійного струму, що підвищує, для досягнення максимальної вихідної потужності. Результати. Цей новий підхід забезпечує хорошу перехідну характеристику, низьку помилку відстеження та дуже швидку реакцію на сонячне випромінювання та коливання температури фотогальванічного елемента. Результати моделювання демонструють ефективність пропонованого підходу за наявності збурень довкілля.