Real-Time Implementation and Performance Comparison of MPPT Techniques in a Photovoltaic Energy Conversion System

Abstract

This work presents the modeling, simulation, and real-time implementation of a photovoltaic (PV) energy conversion system incorporating a Boost DC-DC converter and advanced Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques. The main objective is to maximize the energy extracted from the photovoltaic generator while ensuring stable operation under varying environmental conditions, particularly fluctuations in solar irradiance and temperature. A comprehensive mathematical model of the PV module and the Boost converter was developed using the MATLAB/Simulink environment. Three MPPT algorithms were implemented and evaluated: the conventional Perturb and Observe (P&O) method, the Fuzzy Logic Controller (FLC), and the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. To validate the simulation results, the developed control strategies were deployed in real time on a Texas Instruments TMS320F28379D (C2000) digital signal controller, which generated the pulse-width modulation (PWM) signals required for converter control. Simulation and experimental results demonstrated the effectiveness of all investigated MPPT techniques in tracking the maximum power point and improving the overall efficiency of the photovoltaic system. However, the intelligent approaches, particularly the PSO algorithm, exhibited superior performance in terms of tracking accuracy, response speed, stability, and oscillation reduction around the operating point. The FLC method also provided enhanced performance compared with the conventional P&O technique, especially under rapidly changing weather conditions. يقدم هذا العمل نمذجة ومحاكاة وتنفيذاً آنياً لنظام تحويل الطاقة الكهروضوئية ) (PVالمعتمد على محول رافع للجهد ) (Boost DC-DC Converterوتقنيات متقدمة لتتبع نقطة القدرة العظمى .) (MPPTويتمثل الهدف الرئيسي في تعظيم الطاقة المستخرجة من المولد الكهروضوئي مع ضمان تشغيل مستقر في ظل الظروف البيئية المتغيرة، وخاصةً تغيرات الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة. تم تطوير نموذج رياضي متكامل للوحدة الكهروضوئية ولمحول الرفع باستخدام بيئة . MATLAB/Simulinkكما تم تنفيذ وتقييم ثلاث خوارزميات لتتبع نقطة القدرة العظمى، وهي: طريقة الاضطراب والملاحظة) ، (P&Oوالمتحكم بالمنطق الضبابي)، (FLC وخوارزمية تحسين سرب الجسيمات .) (PSOوللتحقق من نتائج المحاكاة، تم تطبيق استراتيجيات التحكم المقترحة في الزمن الحقيقي على المتحكم الرقمي ) TMS320F28379D (C2000من شركة، Texas Instruments والذي تولى توليد إشارات تعديل عرض النبضة ) (PWMاللازمة للتحكم في المحول. أظهرت نتائج المحاكاة والتجارب العملية فعالية جميع تقنيات MPPTالمدروسة في تتبع نقطة القدرة العظمى وتحسين الكفاءة العامة للنظام الكهروضوئي. ومع ذلك، أظهرت الطرق الذكية، وخاصة خوارزمية ، PSOأدا ًء متفوقاً من حيث دقة التتبع، وسرعة الاستجابة، والاستقرار، وتقليل التذبذبات حول نقطة التشغيل. كما قدمت طريقة المنطق الضبابي أدا ًء أفضل مقارنة بالطريقة التقليدية ، P&Oخاصةً في ظل التغيرات السريعة في الظروف المناخية