background image

Analytical Method to Estimate the Maximum

Power for a Photovoltaic Inverter System

Eduardo I. Ortiz-Rivera 

Dr. Fang Z. Peng

Michigan State 

University Dept. of 

Electrical and Computer 

Engineering

What is PV Inverter System (PVIS)?

It is a series connection of solar panels or 

photovoltaic  modules  with  a  dc-ac  power 
electronics  inverter  circuit,  to  generate  ac 
voltage from a solar source.

The inverter is controlled by the maximum 

power point tracking (MPPT)  control, that it 
can compensate for the reduction in output 
power  caused  by  the  shadow  covering  the 
photovoltaic  modules.    Also,  the  MPPT 
controls  the  inverter  to  produce  the 
maximum  power  and  the  ac  power  to  be 
connected to the load or utility grid.  Figure 
1  shows  a  PVIS  with  the  three  principal 
stages of operation.

Fig. 1.  PVIS with MPPT for utility application

PV Dynamic Model Equations

(

)





+

+

=

b

V

b

V

I

I

V

I

V

i

i

1

)

1

(

exp

)

(

max

max

max

τ

γ

α

γ

τ

α

τ

α

(

)

V

i

V

b

I

V

I

dV

V

dI

τ

γ

α

γ

τ

α

+

+

=

max

max

)

1

(

)

(

)

(

(1)

(2)

(

)

V

i

V

b

I

V

V

I

V

V

I

dV

V

dP

τ

γ

α

γ

τ

α

+

+

=

max

max

)

1

(

)

(

)

(

)

(

(3)

( )

b

I

I

sc

1

exp

1

max

=

V

V

V

τ

γ

+

=

max

min

1

max

)

1

(

1

V

V

b

b

+

=

γ

α

γ

(4)

(5)

(6)

Fig. 2.  I-V Characteristics for any intensity of light

Proposed Method Characteristics

The  proposed  method  is  named  Linear 

Reoriented Coordinates Method (LRCM). It is a 
novel simple method to estimate (symbolic and 
analytically), the optimal  voltage  (Vop)  and  the 
maximum  power  (P

max

)  for  a  PVIS  for  solar 

distributed  generation  (SDG)  using  the  I-V 
Characteristic Curves.  

LRCM  can  find  an  approximate  symbolic 

solution  for  the  P

max

calculated  by  the  MPPT.  

The  main  idea  is  to  find  the  I-V  curve  knee 
point, see figure 5.  It is the optimal current (I

op

and voltage (V

op

) that produces P

max

.

Linear Reoriented Coordinates Method

Unfortunately,  it  is  not  possible  to  find  a 

symbolic 

solution 

for 

P

max

using 

the 

differentiation on (3).  Hence LRCM can provide 
at  least  an  estimate  solution  for  P

max

using  the 

following method: 
Linear current equation using the I-V Curve

(

)





+

=

γ

α

γ

τ

α

1

1

)

(

max

V

I

V

IL

i

I

V

P

=

(7)

(8)







+

+

+

=

max

max

)

1

(

ln

1

)

1

(

I

I

b

b

V

b

V

sc

ap

α

γ

α

γ

γ

α

γ

(9)

Now lets substitute (9) into (1) to obtain I

ap

then

using (3), an estimate of P

max

can be obtained.  

More  important  a  symbolic  and  analytical 
solution  is  given  for  an  exponential  function 
without the homeomorphism property. 

ap

ap

op

op

I

V

I

V

P

=

max

V

opt

15 V

I

max

= 2 A & V

max

= 25 V

VI Curve 

Knee

V

max

P

max

i(V)

IL(V)

Fig. 5.   Linear Reoriented Coordinates Method

Proof of efficiency for LRCM 

The  inequalities  (11)  and  (12)  can  be  obtain 

using  geometric  analysis  from  the  Fig.  4.  
P

max

can  be  seen  as  the  maximum 

rectangular  area  inside  of  the  I-V  curve 
produced by (1).  Using the  fact  that  the  P-V 
Characteristic  Curve  has  a  unique  P

max

hence  P

max

is  more  or  equal  than  the 

estimate P

max

.  The last statement to estimate 

P

max

is shown in the figure 6. 

max

0

)

(

)

(

max

P

V

V

I

ds

s

I

op

op

V

=

>

max

max

V

315

.

0

>

sc

ap

ap

I

V

I

P

The slope of the I-V Curve at the knee point is 

approximated by  the slope  of  the  linear current 
equation.    We  will  approximate  V

op

with  V

ap

.  

The  current  equations  (1)  and  (8)  are 
differentiated  and  set  equal  to  each  other  to 
solve for V then the solution is V

ap

.

Fig. 3.  P-V Curves for different b 

with estimated Pmax curve

(10)

Fig. 4.  P-V Characteristics for

different intensities of light

(11)

(12)

Fig. 6. Simulation to prove (12)

Fig. 7.   Error Curve for Pmax

and Pmax estimated

LRCM Results and Conclusions

The main advantage of the LRCM is that only 

the  characteristic  constants  of  the  VI  curve 
(i.e. b, α , γ, V

max

) are required. The maximum 

error for the  estimation  of  P

max

is  near  to 3% 

using the LRCM.

Approximate symbolic solutions are given for 

P

max

,V

op

and I

op

.  Numerical and approximate 

symbolic solutions are found for a PVIS.

If V

ap

is a solution when (4) is equal to 0 then 

we  found  the  exact  solution  for  P

max

.   

The 

LRCM is a novel simple but powerful method, 
to estimate P

max

,V

op

and I

op

.

INV

MPPT

G

L

Ii

Vi

Io

Vo

S

PV

DC Power

AC 

Power

Max Power