Page Header

Home > Vol 31, No 1 (2021) > Tawanna

Improvement Performances of PV Water Pumping System Using MPPT-based Modified P&O Controller: Modeling, Setting Experimental Package and Analysis

Naruedol Tawanna, Falun Takkabutr, Apisak Kesutha, Rati Wongsathan, Atcharawan Nuangnit, Nilawan Wongsinlapamorakot

Abstract


งานวิจัยนี้ได้สร้างแบบจำลองและชุดทดลองอย่างง่ายเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของระบบปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ (Photovoltaic Water Pumping System; PVWPS) ขนาดเล็กที่ไม่ใช้แบตเตอรี่ โดยใช้ตัวควบคุมแบบการรบกวนและสังเกตที่ถูกปรับ (Modified Perturb and Observe Controller; MP&O) ซึ่งไม่ซับซ้อน และอาศัยหลักการติดตามจุดที่ให้กำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Power Point Tracking Method; MPPT) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของระบบ (Energy Conversion Efficiency) ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับระบบไฟฟ้ากำลังตัวควบคุมที่นำเสนอจะสร้างสัญญาณควบคุมที่มีขนาดขั้นการควบคุมไม่คงที่ให้กับวงจรบัคคอนเวอร์เตอร์ (Buck Converter) เพื่อเลื่อนจุดทำงานไปยังจุดที่ให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งจะถูกส่งผ่านไปยังโหลดคือมอเตอร์และปั๊มน้ำ ระบบ PVWPS-MPPT-MP&O ถูกจำลองโดยใช้โปรแกรม Matlab/Simulink และทวนสอบผลที่ได้จากแบบจำลองด้วยชุดทดลองต้นแบบระบบปั้มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 130 วัตต์ ที่ถูกควบคุมผ่านไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ Arduino ภายใต้สภาวะจริงของความเข้มแสงอาทิตย์และอุณหภูมิของแผงเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงตลอดวัน ผลการทดสอบพบว่า ตัวควบคุมที่นำเสนอช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (Energy Utilization Efficiency) และประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ (PV Efficiency) ถึง 75.7 เปอร์เซ็นต์ และ 11.8 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ทำให้ประสิทธิภาพรวมของ PVWPS เพิ่มขึ้น 41 เปอร์เซ็นต์เทียบกับ PVWPS ที่ไม่ใช้ตัวควบคุม

A very low energy conversion efficiency of the photovoltaic (PV) technology is the main barrier in developing the PV power applications. To address the problem, in this work, a low-cost and simple converter-controller based on the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique is integrated into the small-scale 130-W PV Water Pumping System (PVWPS) without using battery storage. The MPPT-based Modified Perturb and Observe (MP&O) method based on variable step-size control is proposed and demonstrated through Matlab/Simulink software. To validate and verify the simulation model, the MPPT-MP&O is implemented using Arduino microcontroller and applied to the prototype PVWPS. When carried out under the actual weather conditions, as a result, it helps to increase the energy utilization efficiency and the PV efficiency up to 75.7% and 11.8%, respectively, and consequently improves the global efficiency by 41% over the PVWPS without a controller.


Keywords



[1] I. Odeh, Y. G. Yohanis, and B. Norton, “Influence of pumping head, insolation and PV array size on PV water pumping system performance,” Solar Energy, vol. 80, no. 1, pp. 51–64, 2006.

[2] D. A. Karim and M. M. Marwan, “Solar powered induction motor-driven water pump operating on a desert well, simulation and field tests,” Renewable Energy, vol. 30, pp. 701–714, 2005.

[3] I. Seedadan, R. Wongsathan, and A. Nuangnit, “Modeling and simulation of a standalone PV solar-powered water pumping system,” presented at the 41st Electrical Engineering Conference (EECon-41), Ubol Ratchathani, Thailand, 2018 (in Thai).

[4] A. Ksentini, E. Azzag, and A. Bensalem, “Sizing and optimization of a photovoltaic pumping system,” International Journal of Energy Technology and Policy, vol. 15, no. 1, pp. 71–85, 2019.

[5] M. Habiballahi, M. Ameri, and S. H. Mansouri, “Efficiency improvement of photovoltaic water pumping system by means of water flow beneath photovoltaic cells surface,” Journal of Solar Energy Engineering, vol. 137, no. 4, pp. 1–8, 2015.

[6] T. Anuradha, V. S. Kumar, and P. S. Kumar, “A comparison of existing MPPT techniques for a PV system with interleaved converter,” Australian Journal of Basic and Applied Sciences, vol. 10, no. 5, pp. 69–75, 2016.

[7] F. Liu, Y. Kang, Y. Zhang, and S. Duan “Comparison of P&O and hill climbing MPPT methods for grid-connected PV converter,” presented at the 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Singapore, 2018.

[8] R. Wongsathan and A. Nuangnit, “Optimal hybrid neuro-fuzzy based controller using MOGA for photo-voltaic (PV) battery charging system,” International Journal of Control Automation and Systems, vol. 16, no. 6, pp. 3036–3046, 2018.

[9] M. Kamran, M. Mudassar, M. R. Fazal, M. U. Asghar, M. Bilal, and R. Asghar “Implementation of improved Perturb & Observe MPPT technique with confined search space for standalone photovoltaic system,” Journal of King Saud University - Engineering Sciences, 2018.

[10] R. Gammoudi, H. Brahmi, and O. Hasnaoui, “Developed and STM implementation of modified P&O MPPT technique for a PV system over sun,” EPE Journal, vol. 29, no. 3, pp. 99–119, 2018.

[11] B. Tan, X. Ke, D. Tang, and S. Yin, “Improved perturb and observation method based on support vector regression,” Energies, vol. 12, no. 6, pp. 1–11, 2019.

[12] R. Wongsathan and I. Seedadan, “Artificial intelligence and ANFIS reduced rule for equivalent parameter estimation of PV module on various weather conditions utilized for MPPT,” Journal of Renewable Energy and Smart Grid Technology, vol. 12, no. 1, pp. 38–55, 2007 (in Thai).

Full Text: PDF

DOI: 10.14416/j.kmutnb.2020.12.001

ISSN: 2985-2145