Maximum power point tracking controlled boost converter design for battery charger

Abstract

PV panelleri tarafından sağlanan güç, MPPT kontrollü DC-DC dönüştürücüleri için önemlidir. Değişken çevre koşullarına bakılmaksızın PV panelin maksimum kullanılabilir gücünü ortaya çıkarırlar; Böylece PV panellerin dönüşüm verimliliği artar. Ek olarak, özellikle PV sisteminde, şarj edilebilir bataryaların şarj süresini azaltacak ve batarya ömrünü uzatacak şekilde kontrol edebilirler.Bu çalışmada, MPPT kontrollü DC-DC boost dönüştürücünün tasarımı ve solar akü şarj cihazı olarak kullanımı sunulmaktadır. Bu tasarımda, MPPT takip sistemi ve akü şarj cihazı sistemlerinin gereksinimlerini karşılamak için genişletilmiş bir MPPT algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma, CC-CV şarj algoritmasını içerecek şekilde genişletilen Artımlı İletkenlik MPPT algoritmasını içermektedir. Bu geliştirilmiş algoritma, PV panelinin çalışma noktasını kontrol etmek için 25 KHz'de çalışan boost dönüştürücünün çalışma döngüsünü doğrudan ayarlar. Bu geliştirilen algoritmaya bağlı olarak, tasarlanan MPPT boost dönüştürücü bataryayi üç aşamada şarj eder. Bu aşamalar ön şarj, MPPT-CC şarj ve CV şarj aşamalarıdır. Tasarlanan sistem MPPT-CC şarj aşamalarında MPPT kontrollü sistem olarak çalışır; ön şarj ve CV şarj aşamalarında ise şarj kontrolörü olarak çalışır. CV şarj aşamasının uygulanmasında Zener diyot, voltaj regülasyon elemanı olarak kullanılır. Ayrıca tasarlanan sistem, akü şarj akımı yerine PV gücünün ölçülmesine bağlı olarak batarya şarj sonu algılama yöntemini sağlar. Tasarlanan MPPT kontrollü DC-DC boost dönüştürücünün işlevselliği ve performansı simule edilmiş ve SIMULINK-MATLAB programı ile doğrulanmıştır. Simülasyon süreci, standart test koşulu (STC) ve değişken çevresel durum olan iki farklı çevresel koşulda gerçekleştirilir. simülasyon sonuçları, tasarlanan sistemin şarj işleminin üç aşamasında düzgün çalışmasını göstermektedir. Tasarlanan sistemin MPPT-CC şarj aşaması sırasında simüle edilen değişken ışınım seviyeleri üzerinde ortalama% 99.444'lük bir izleme etkinliğine sahip olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, tasarlanan sistemin, sırasıyla ön şarj, MPPT -CC şarj ve CV şarj aşamaları için simule edilen değişken ışınım seviyeleri üzerinden ortalama 96,66%, 99,28%, and 98,3% dönüşüm verimliliğine sahip olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, tasarlanan sistem izin verilen sınırlar dahilinde, 10mA ve 100µV'luk giriş akımı ve çıkış gerilimi dalgalanması sağlar. Bu simülasyon sonuçları, MPPT kontrol sistemi ve şarj regülatörü olarak tasarlanan MPPT kontrollü DC-DC boost dönüştürücünün uygun işlevselliğini ve yüksek performansını kanıtlamaktadır.

MPPT controlled DC-DC converters are crucial in power systems which are supplied by PV panels. They extract maximum available power of PV panel irrespective of variable environmental conditions; thus increase the conversion efficiency of PV panels. In addition, especially in stand-alone PV system, they can control charging process of rechargable batteries in a way that reduces charging time and increases cycle life of battery. In this reseach, the design of MPPT controlled DC-DC boost converter and its application as solar battery charger are presented. In this design, in order to meet the requirments of MPPT tracker and battery charger systems, an expanded MPPT algorithm is developed. The developed algorithm comprises Incremental conductance MPPT algorithm which is expanded to incorporate CC-CV charging algorithm. This developed algorithm adjusts directly the duty cycle of boost converter, which operates in 25 KHz,in order to control the operating point of PV panel. Depending on developed algorithm, the designed MPPT boost converter charges battery through three stages. These stages are pre-charging, in MPPT-CC charging and CV charging stages. Designed system operates as MPPT controller in MPPT-CC charging stages; whereas operates as charger controller in pre-charging and CV charging stages. The implementation of CV charging stage is performed by using voltage regulating device which is Zener diode. In addition, the designed system provides end of charge detection method which depends on measuring PV power instead of battery charging current.The functionality and performance of designed, MPPT controlled DC-DC boost converter are simulated and validated by SIMULINK-MATLAB program.The simulation process is performed under two different cases of environmental conditions which are standard test condition (STC) and variable environmental condition.The simulation results show the proper operation of designed system in the three stages of charging process. They show that the designed system has an averaged tracking efficiency of 99.444% over the simulated variable levels of irradiance for MPPT-CC charging, and an averaged conversion efficiency of 96,66%, 99,28%, and 98,3% over the simulated variable levels of irradiance for pre-charging, MPPT-CC charging and CV charging stages respectively. In addition, the designed system ensures input current ripples and output voltage ripples of 10mA and 100µV repectively, which are within the allowable limits of this designed. These simulation results prove the proper functionality and high performance of designed, MPPT controlled DC-DC boost converter as MPPT controller and charge controller.