Perancangan Maximum Power Point Tracker (MPPT) Untuk Panel Surya Menggunakan Konverter Cuk Dengan Metode Hill Climbing

Transkripsi

1 Perancangan Maximum Power Point Tracker () Untuk Panel Surya Menggunakan Konverter Cuk Dengan Metode Hill Climbing Dianggoro Darmawan Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya Abstrak - DC-DC konverter dengan Maximum Power Point Tracker () diperlukan untuk memaksimalkan daya keluaran panel surya dengan radiasi matahari yang berubah-ubah.yang terpasang antara panel dengan beban atau baterai.. Untuk mendapatkan daya maksimum dari panel surya, tegangan output dari panel surya harus dioperasikan pada tegangan saat titik daya maksimum (mpp). Dengan metode, dutycycle pada swicth konverter dirubah pada nilai yang tepat, sehingga tegangan keluaran dari panel surya beroperasi pada tegangan saat titik daya maksimum (mpp). membutuhkan ripple tegangan dan arus input yang kecil dari panel agar didapatkan data daya keluaran panel surya dengan akurat. Hal itu bisa dipenuhi dengan menggunakan Continous Conduction Mode (CCM) konverter Cuk. Dengan metode ini, daya keluaran maksimum pada panel surya dapat disalurkan pada beban atau baterai sehingga dapat meningkatkan efisiensi kerja dari sistem panel surya. Kata kunci : Cuk konverter, Kurva I-V, Maximum Power point Tracker Hill Climbing. 1. Pendahuluan Krisis energi dan pemanasan global memaksa para peneliti mengembangkan sumber energi alternatif seperti panel surya yang bersifat terbarukan dan juga ramah lingkungan. Panel surya saat ini memberikan harapan menjadi sumber energi alternatif yang terbarukan. Kendala utama dari panel surya adalah daya keluaran panel yang dipengaruhi radiasi matahari yang selalu berubah-ubah. Sistem panel surya memperlihatkan bahwa hubungan nonlinier arus-tegangan, membutuhkan pencarian dan identifikasi Maximum Power Point (MPP) yang optimal. Maximum Power Point tracker dibutuhkan untuk memaksimalkan energi panel surya terhadap setiap temperatur dan level iluminasi matahari. Keandalan setiap panel surya ditentukan oleh kondisi pengoperasian beban dan perubahan cuaca yang mendadak. Dc-dc konverter Cuk dipilih karena 1) ripple arus input sangat kecil sehingga didapatkan Kurva I-V yang akurat, 2) tegangan beban sama dengan tegangan sumber, 3) pengurangan electromagnetic Interference (EMI) dikarenakan rendahnya input ripple arus dari panel surya, dan kecilnya kapasitansi yang dibutuhkan untuk mengatasi ripple arus[1]. Data kurva I-V ini nantinya untuk mengatur duty-cycle dari switch konverter sehingga resistansi input konverter sama dengan resistansi ekivalen dari panel surya[2].dc-dc konverter Cuk dioperasikan Continous Conduction Mode (CCM) sehingga arus di sisi input konverter selalu mengalir. 2. Pemodelan Panel Surya[3,4] Model matematika dari panel surya merupakan arus short circuit (I sc ) panel surya dimana dipengaruhi oleh fungsi radiasi matahari (S) dan tegangan open circuit (V oc )dengan persamaan di bawah ini. I 0 qv 0 = npi ph npirs exp 1 ktans I o merupakan arus keluaran panel surya, n p banyaknya sel yang terhubung parallel, n s banyaknya sel terhubung seri, k konstanta Boltzmann, q kecepatan perpindahan electron, T suhu permukaan panel, dan A konstanta deviasi karakteristik sel p-n junction. I rs merupakan arus saturasi sel yang berubah mengikuti temperatur dengan persamaan I rs = I rr T Tr 3 qe G 1 exp ka Tr 1 T Gambar 1 Blok Diagam Rangkaian Gambar 2 Rangkaian ekivalen panel surya 1

2 Photo current (I ph ) tergantung pada radiasi cahaya dan suhu sel yang ditunjukkan padaa persamaan dibawah ini I = [ I k ph scr + i s ( T T )] 10 r 00 Dimana I scr = Arus sel short-circuit (A) k i = koefisien suhu short-circuit current S = radiasi cahaya (Watt/m 2 ) Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (I SC ) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut tegangan open circuit. (V OC ). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut maximum power point (MPP). Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan persamaan, Dengan menggunakan fill factor maka maksimumm daya dari sel surya didapat dari persamaan, Sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (Pmax) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (P cahaya) / Nilai efisiensi ini yang menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi suatu sel surya. Dalam perancangan simulasi panel surya, dibutuhkan beberapa parameter untuk mendapatkan kurva karakteristik yang sesuai dengan datasheet panel yang disimulasikan. Dalam tugas akhir ini digunakan panel surya El Sol 50 Watt. Beberapa parameter panel surya El Sol 50 W ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1 Parameter panel surya El Sol 50 Watt Parameter Maximumm Power (Pmax) Short Circuit Current (Isc) Nilai 50 Watt 3,25 Ampere Maximumm (Imax) Power Current 2,91 Ampere Open Circuit Voltage (Voc) Nominal Voltage (Vmax) Series Connection (ns) Fill Factor (FF) Luas panel surya 21,,75 Volt Volt m 2 Gambar 3 Perancangan simulasi panel surya El Sol 50 Watt pada PSIM Tabel 2 Perbandingan data panel Parameter Data Hasil sheet simulasi Error Maximum Power (Pmax) 50 Watt 50 Watt 0 % Short Circuit 3,25 3,25 0 % Current (Isc) Ampere Ampere Maximum Power Current (Imax) 2,91 Ampere 2,94 Ampere 1.03 % Open Circuit 21,75 21,04 Volt 3.26 % Voltage (Voc) Volt Nominal Voltage (Vmax) Volt 16,99 Volt 1,45 % Pemodelan panel surya pada Psim ditunjukkan pada gambar 3 dan perbandingan pemodelan dengann datasheet panel surya El Sol 50 Watt ditunjukkan pada tabel 2.\ 3. Hill Climbing[3,5] Maximum Power Point Tracker () adalah suatu metode untuk mencari maximum power point (mpp) dari kurva karakteristik daya- tegangan panel surya agar dapat mengambil nilai duty cycle yang nominal, sehingga konverter dapat menyalurkan daya maksimum dari panel surya ke beban. Algoritma Hill Climbing merupakan salah satu metode yang sangat murah dan mudah diimplementasikan. Perancangann ini membutuhkan dua parameter untuk menentukan slope yaitu tegangan input konverter (V IN ) dan arus input konverter (I IN ). Dari dua parameter itu didapatkan Daya masuk (P IN ), dan dengan I IN, maka dibandingkan dengann parameter dari pembacaan data yang sebelumnya, yaitu P IN (n-1) dan V N (n-1). Hasil perbandingan itu didapatkan P dan I

3 Dan hasil perkalian antara P dan V nantinya dinamakan slope. Gambar 4 memperlihatkan salah satu kurva panel P-V yang mempresentasikan dasar dari metode algoritma hill climbing. Garis merah menunjukan daerah dengan sinyal nol, yang merupakan nilai mpp. Bila nilai sinyal (slope) positif, maka tegangan akan naik untuk mendapatkan nilai mpp yang baru dan sebaliknya, jika nilai sinyal (slope) negatif, maka tegangan panel surya akan turun. Arah slope ditentukan dengan perbandingan ΔP dan ΔV. Dengan karakteristik dari konverter Cuk didapatkan ketetapan arah dari duty cycle. Bila hasil perbandingan (slope) itu jika dikalikan menghasilkan nilai positif maka nilai duty cycle ditambah dan bila menghasilkan nilai negatif maka nilai duty cycle dikurangi. Dengan menentukan slope maka didapatkan referensi duty cycle yang baru. Gambar 4 Kurva P-V dengan perubahan tegangan untuk kondisi MPP Sebelum eksekusi slope dilakukan untuk mengurangi atau menambah duty cycle, maka melihat dahulu karakteristik dari konverter yang digunakan, yaitu persamaan fungsi resistansi dalam konverter (Ri) terhadap duty cycle pada konverter Cuk mode Continous Conduction Mode (CCM) adalah sebagai berikut[6]. 1 Flowchart dari metode Hill Climbing ditunjukkan pada gambar Perancangan Konverter Cuk[6,7] Pada cuk konverter, tegangan output bisa lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input sesuai dengan kebutuhan. Cuk konverter menggunakan dua konduktor L 1 dan L 2. Capasitor C 1 memisahkan input dengan output dan memberikan perlindungan terhadap short pada beban. 4.1 Pemilihan kapasitor C1 Dalam rangkaian konvensional konverter Cuk, tegangan kapasitor C 1 dianggap konstan. Ketika dioperasikan sebagai tracker kurva P-V, tegangan kapasitor harus memenuhi 2 hal, yaitu : 1.) untuk menghasilkan tegangan yang konstan antara periode switching dan 2.) untuk mengikuti tegangan input dari kurva I-V panel (frekuensi sweep). Dengan periode switching (T S ) adalah 50 µs, D saat maksimum yaitu 1, dan R sama dengan 4 ohm, maka didapatkan C 1 > 6µF, sehingga dipilih C 1 =10µF. 4.2 Pemilihan induktor L1 dan L2 Syarat terbaik dalam menentukan induktansi adalah memberikan arus ripple peak-topeak lebih dari 40% dari arus input maksimum saat tegangan input minimum. Aliran ripple arus terhadap nilai induktor L 1 dan L 2 diberikan oleh persamaan 40% 40% Untuk mendapatkan L 1 dan L 2 digunakan pendekatan nilai ripple arus input konverter. Nilai induktor dihitung dengan persamaan Gambar 5 Flowchart metode Hill Climbing Nilai maksimum didapatkan dengan D=1 dan V IN =V OC, sehingga L 1 ditentukan dengan ripple arus maksimum. Biasannya, nilai i L1 adalah persen dari nilai rata-rata arus input konverter. i L1 3

4 C1=10µF SKN 3F20/12 + VIN L 1=0,8mH C1=10µF L2=0,8mH C2=100µF VOUT IRF460 Gambar 6 Rangkaian keseluruhan Konverter Cuk tidak diijinkan untuk menjadi besar, karena dapat menaikkann arus puncak pada induktor dan komponen switching semikonduktor, dan akan memperbesar bentuk dan harganya. Dengan V OC = 21,75Volt dan i L1 =2.4 Ampere maka didapatkan L 1 sebesar 453 µh. karena konverter dioperasikan CCM maka L 1 =L 2 >453µH maka dipilih L 1 =L 2 = 8000 µh. 4.3 Pemilihan beban resistansi Rbeban Konverter bekerja dengan mode CCM maka dalam pemilihan beban adalah sebagai berikut: + berubah setiap waktu swap mendekati nilai tertentu sesuai dengan data dari tegangann dan arus pada input konveter, sehingga resistansi internal konverter akan sama dengan resistansi internal panel surya. Dari Gambar 8 dengan perubahan level iluminasi dari level 300 W/m 2 menjadi 800W/m 2 dapat dilihat bahwa daya keluaran koverter berubah seiring dengan perubahan level iluminasi. Hal ini membuktikan bahwa konverter dengan metodee Hill Climbing dapat mengikuti perubahan level iluminasi matahari. Simulasi dilakukan dengan pemodelan dari panel surya El Sol 50 watt dengan level ilumiansi matahari dari 200 W/m 2 sampai dengan 1000 W/m 2 dan disimulasikan dengan temperatur 25 derajat Celcius, sehingga daya yang dihasilkan saat level iluminasi matahari 1000 W/m 2 adalah sebesar 50 Watt. 1 K crit merupakan suatu batasan konverter untuk bekerja dalam mode DCM atau CCM, dimana bila K lebih besar dari K crit maka sistem bekerja dengan mode CCM, begitu juga sebaliknya. Leq merupakan persamaan kondisi L 1 dan L 2 dalam keadaan coupled dengann persamaan sebagai berikut Dengan L 1 dan L 2 dalam keadaan uncoupled, maka N1/N2 bernilai 0 maka, Leq=L1. Dengan nilai D=0 maka didapatkan nilai beban adalah R <32 ohm. 4.4 Pemilihan koponen Dioda Untuk komponen dioda dipilih dioda dengan jenis SEMIKRON SKN3F20/12, karena berdasarkan datasheet yang ada dioda ini mampu melewatkan tegangan dan arus maksimal sebesar 1200 Volt 41 Ampere, selain itu dioda ini memiliki kemampuan reverse recovery time yang cepat yaitu 250 nano detik. Untuk komponen kapasitor C 2 dapat diperoleh dari persamaan 2.26 dengan asumsi riplle tegangan 2 mvolt, yaitu: DVg ΔV c2 = 2 C L f s C2 = 1000μF Sehingga rangkaian keseluruhan dari konverter Cuk ini ditunjukkan pada gambar Hasil Simulasi sistem dengan Psim Diagram simulasi pada gambar 7 merupakan sistem menggunakan konverter Cuk dengan metode Hill Climbing. Duty cycle PWM yang dihasilkan oleh metode selalu Gambar 7 Diagram simulasi sistem menggunakan Konverter Cuk dengan metode Hill Climbing Gambar 8 Daya keluaran (bawah) konverter mengikuti perubahan daya level iluminasi (atas) level Iradiasi Matahari (W/m 2 ) Gambar 9 Grafik hasil simulasi perbandingan setiap beban tanpa metodee Efisiensi Load Factor η LF (%) ohm 10 ohm 15 ohm 4

5 Effisiensi Load Factor η LF (%) ohm 10 ohm 15 ohm Level Iluminasi Matahari (W/m 2 ) Gambar 10 Grafik hasil simulasi perbandingan setiap beban dengan metode Hill Climbing Gambar 9 adalah hasil simulasi data efisiensi dari sistem tanpa metode. Setiap beban hanya mencapai nilai efisiensi load factor yang tinggi hanya pada level iluminasi matahari tertentu, karena nilai beban mendekati nilai resistansi internal panel surya. Dibandingkan dengan sistem dengan metode Hill climbing nilai efisiensi load dengan beban yang berbeda-beda semuanya mendekati maksimum. 6. Hasil Pengujian Sistem Metode Pengujian ini dirangkai dengan panel surya yang terhubung langsung ke beban. Pengujian ini ditujukan untuk mendapatkan data daya maksimum panel surya pada level iluminasi tertentu dan juga untuk mengetahui daya yang diserap beban tanpa sistem serta untuk mengetahui resistansi internal dari panel surya El Sol 50 Watt. Pengujian sistem dengan metode Hill Climbing dilakukan pada level iluminasi matahari 683 W/m 2 sampai dengan 757 W/m 2.Perubahan signifikan terjadi pada beban 15 ohm karena pada saat pengukuran tanpa sistem nilai resistansi internal panel lebih kecil dibandingkan resistansi beban, sehingga beban tidak menyerap daya yang maksimum. Gambar 11 Pengujian Sistem menggunakan konverter Cuk dengan metode Hill Climbing Tabel 3 Perbandingan daya terukur antara sistem tanpa dengan sistem BEBAN LEVEL ILUMINASI TANPA DENGAN KENAIKAN (%) (W/m 2 ) (Watt) (Watt) 5 OHM OHM 15 OHM 32,63 W 24,53 W 15,59 W 1,86 A 1,02 A mpp Sistem 13,48 V 15,28 V Sistem tanpa Gambar 12 perbandingan titik kerja sistem dengan beban 15 ohm dan level iluminasi 757 W/m 2 Gambar 12 memperlihatkan perbedaan titik kerja antara sistem dengan sistem tanpa pada kurva karakteristik panel surya dengan beban 15 ohm dan level iluminasi 757 W/m Kesimpulan Hasil pengukuran mendapatkan efisiensi alat yang dibuat mencapai 76,66 %. Dalam pembuatan sistem menggunakan konverter Cuk dengan metode Hill Climbing ini masih terdapat ketidaksempurnaan dalam rangkaian konverter yang dibuat. Dalam pemilihannya, mosfet IRF460 dapat bekerja pada range arus 0 20 Ampere dengan tegangan breakdown sebesar 400 Volt. Dalam hal ini sebenarnya sudah dapat memenuhi kebutuhan dari kondisi rangkaian saat beroperasi. Tetapi pada saat pengoperasiannya mosfet bekerja pada temperatur yang tinggi sehingga mengakibatkan losses yang besar. 8. Daftar Pustaka [1] V. Mummadi, Power Tracking for Nonlinier PV Sources with Coupled Inductor SEPIC Converter, IEEE Trans. Aerospace and Electronics System, Vol.41, No. 3, July [2] Henry Shu-H.C, K. K. Tse, Ron Hui S. Y. A Novel Maximum Power Point Tracking Technique for Solar Panel Using a SEPIC or 5

6 Cuk Converter,IEEE Trans Power Electron, Vol. 18, No. 3, May [3] Rashid, M.H, "Power Electronics Handbook", Academic Press. Canada, [4] G.J. Yu,Y.S. Yung, J.Y. Choi, G.S. Kim, A Novel two-mode control Algorithm based on comparative study of existing algoritms,science Direct Solar energy, [5] Peftitsis D., Adamidis G., Balouktsis A., A New Method for Photovoltaic Generation Systems Based on Hill Climbing Algorithm, IEEE on Electrical Machines, [6] E. Duran, J.M. Enrique, M.A. Bohorquez, A new Application of the Coupled-Inductors SEPIC Converter to obtain I-V and P-V Curves of Photovoltaic Modules Proc. IEEEAPEC, 2001 [7] G. Wei, Z. Dongbing, designing a SEPIC Converter, National Semiconductor Application Note, April Riwayat Penulis Dianggoro Darmawan, dilahirkan di Jember tanggal 13 Mei Pendidikan dari masa TK sampai pada masa SMA dihabiskan penulis di Kabupaten Jember. Riwayat pendidikan penulis adalah sebagai berikut : 1. Taman Kanak-kanak HAVEA Jember 2. SDN Kebonsari II Jember. 3. SLTP Negeri 10 Jember 4. SMU Negeri 3 Jember 5. D3 Computer Control FTI ITS Surabaya. Ketertarikan dalam bidang elektro dimulai penulis sejak masa SMP dengan karya pertama yaitu bel listrik. 6