DESAIN BUCK-BOOST CHOPPER SEBAGAI MPPT BERBASIS MIKROKONTROLER. Slamet Riyadi, Fl. Budi Setiawan Teknik Elektro Unika Soegijapranata Semarang

Transkripsi

1 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 SAN BUCK-BOOST CHOPP SBAGA MPPT BBASS MKOKTOL Slame iyadi, Fl. Budi Seiawan Teknik lekr Unika Segijapranaa Semarang ABSTAKS This paper describes a buck-bs chpper ha can be implemened as maximum pwer pin racker (MPPT). This can be cnneced he lad which are greaer r less han MPP resisance. The cnrl f his device is based n micrcnrller s i is very simple and cheap. Analysis is dne give basic hery and finally simulain and labrary experimen are dne verify. Based n he resuls, he chpper is able give gain less r greaer han uniy. Keywrds : chpper, MPPT, P, gain PNAHULUAN Krisis bahan bakar fsil secara glbal sanga berdampak bagi penyediaan energi lisrik di ndnesia. Pemerinah elah menyerukan upaya penghemaan dan pencarian energi alernaif dalam menganisipasi dampak krisis energi berbasis fssil. Psisi gegrafis ndnesia memberi nilai ambah dalam pemanfaaan energi dari maahari. Melalui panel surya maka energi maahari dapa diubah secara langsung menjadi energi lisrik dalam benuk egangan/arus searah (C). i ndnesia, panel surya banyak dimanfaakan unuk menyediakan energi lisrik secara mandiri di daerah yang belum erjangkau leh kelisrikan PLN. Sedangkan di daerah di mana ersedia energi lisrik PLN, panel surya dapa digabungkan melalui P-Grid Cnneced Sysem. Unuk mengpimalkan daya yang dihasilkan leh panel surya maka diperlukan Maximum Pwer Pin Tracker (MPPT). Suau MPPT umumnya berupa bs chpper sehingga hanya mampu diperasikan pada kndisi di mana resisansi beban lisrik lebih besar dari resisansi ekuivalen panel surya. Pada pembebanan di lapangan dapa erjadi kndisi di mana resisansi beban lisrik lebih kecil dari resisansi ekuivalen panel surya sehingga MPPT idak mampu diperasikan secara pimal. nergi maahari menjadi fkus pengembangan energi alernaif karena sifanya yang erbarukan dan ramah lingkungan. Melalui panel surya maka energi maahari dapa diubah menjadi energi lisrik secara langsung. alam implemenasinya, energi lisrik yang dihasilkan leh panel surya sanga dipengaruhi leh inensias sinar maahari dan emperaur sehingga unuk meningkakan efisiensinya maka dalam pengperasiannya diperlukan suau MPP Tracker. Berbagai knsep kendali bagi MPPT elah dipaparkan [sram & Chapman, 007], [Jiang dkk, 005]. Sebagai implemenasi MPPT pada umumnya digunakan C-C cnverer jenis bs eapi cnverer jenis buck dapa digunakan sebagai MPPT dengan kendali digial berbasis pada kmparasi perhiungan pengukuran daya sesaa dan algrima MPPT [Azab, 008]. Meda kendali MPPT lain juga diurunkan unuk meningkakan unjuk kerja panel surya melalui meda berbasis cnsan vlage cnrl [Kiranmayi, 008]. Kendali MPPT di aas umumnya berbasis digial dan diimplemenasikan menggunakan 59

2 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 rangkaian digial signal prcessr (SP) karena algrimanya yang cukup kmpleks. Kelemahan dari sisem digial ini adalah munculnya delay dan akan memperlamba respnnya sera mahal. Pada makalah ini diusulkan suau knverer energi berbasis buck-bs chpper yang diperasikan sebagai MPPT yang fleksibel. Knverer ini mampu diperasikan bersama panel surya yang dihubungkan beban lisrik dengan resisansi sebarang. Kendali yang digunakan berbasis mikrknrler. MAXMUM POW PT TACK Suau sel surya dapa dimdelkan dengan suau sumber arus yang erhubung paralel dengan dida dan resisansi shun sera erhubung seri dengan resisansi s, dinyaakan dengan persamaan (1) ph ph sh sh Gambar-1 Mdel dari sel surya sh ph e s exp mkt di mana m = dealizing facr k = Blzmann gas cnsan = resisansi seri s = resisansi shun sh = arus akiba sinar maahari ph e = muaan elekrn = nrmal dide curren c 1 s sh sh s (1) = dark saurain curren Persamaan (1) menunjukkan hubungan egangan dan arus dari suau sel surya idak linier (Gambar-). Gambar- Karakerisik sel surya Pada kndisi sel surya erbuka (idak erhubung ke beban) maka arus sel surya akan sama dengan nl sehingga egangannya berada pada nilai maksimumnya, yaiu egangan pen circui c. Kndisi sebaliknya erjadi jika sel surya erhubung singka yang mengakibakan egangannya sama dengan nl dan arusnya berada pada nilai maksimumnya, yaiu arus hubung singka sc. Pada kedua kndisi ersebu maka sel surya idak akan menghasilkan daya. aya yang dihasilkan akan dapa dimanfaakan jika egangan dan arus sel surya idak sama dengan nl, sedangkan daya maksimum erjadi jika berada pada lekukan kurva -. Tiik di mana suau sel surya mampu menghasilkan daya maksimum sering dinamakan maximum pwer pin (MPP). Pada iik ini akan diperleh suau nilai egangan MPP dan arus MPP. Unuk memahami bagaimana kinerja panel surya maka pada Gambar-4 dan Gambar-5 disajikan suau kurva - dan P- suau sel surya pada iradiasi dan emperaur erenu. 60

3 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 Pemasangan suau beban lisrik secara langsung pada panel surya akan menyebabkan arus mengalir menuju beban lisrik ersebu. Mengacu pada mdel yang kurva --nya disajikan pada Gambar-4 maka pembebanan dengan beban yang berubah secara langsung akan menyebabkan daya yang dikirimkan ke beban berubah. Operasi pada lekukan kurva - akan memberikan daya maksimum. P P P beban Gambar-3 Pembebanan langsung pada panel surya Operasi panel surya seperi di aas unuk aplikasi erenu kurang disukai karena idak bekerja pada kndisi pimalnya. Agar dapa bekerja pada kndisi pimalnya maka arus dan egangan panel surya harus berada pada nilai MPP, yaiu pada nilai egangan MPP dan arus MPP. Kndisi demikian dapa dicapai jika beban idak dihubungkan secara langsung dengan panel surya melainkan melalui suau pwer cndiiner yang sering dikenal dengan MPPT. Suau MPPT akan mengaur egangan/arus ke beban sehingga akan sama dengan daya maksimal suau panel surya. Gambar-6 Pembebanan melalui MPPT pada panel surya Gambar-4 Kurva - suau sel surya pada iradiasi dan emperaur erenu erhadap pembebanan Gambar-5 Kurva P- suau sel surya pada iradiasi dan emperaur erenu erhadap pembebanan Suau MPPT bekerja sebagai kelengkapan P agar daya yang dihasilkan leh P mencapai nilai maksimum pada kndisi lingkungan erenu. engan mengacu kurva karakerisik P- dan - dari suau P maka dapa diliha bahwa iik perasi yang menghasilkan daya maksimum erleak di puncak kurva P- aau di psisi lekukan (knee) dari kurva -. Unuk memahami bagaimana MPPT bekerja maka dapa diliha Gambar-7 yang menyajikan kurva P- dari P. imisalkan iik perasi awal di iik A di sebelah kiri iik perasi (iik MPP) dan jauh dari nilai daya maksimum ( P MPP ) maka iik perasi harus digeser lebih ke kanan. engan mengacu pada kurva - maka 61

4 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 pergeseran ke kanan dapa dilakukan dengan menaikkan egangan P ( P ) aau menurunkan arus P ( P ). Berbeda jika iik awal perasi berada di sebelah kanan iik MPP (dimisalkan iik C) maka unuk menaikkan daya P dilakukan dengan menggeser ke kiri iik perasi dari C menuju. Langkah ini dilakukan dengan menurunkan egangan P ( P ) aau menaikkan arus P ( P ). Gambar-7 Pergeseran iik perasi menuju nilai daya maksimum Kedua langkah menaikkan nilai daya P (dari A ke B aau dari C ke ) dibedakan dengan menaikkan egangan P aau menurunkan egangan P berganung apakah iik awal perasi berada di sebelah kiri aau kanan dari iik MPP. Pergeseran iik perasi dari A ke B akan berimplikasi pada perubahan daya P A (daya di iik A) menuju PB di mana P A PB selain iu juga erjadi pergeseran nilai egangan perasi P dari A menuju B di mana A B. Jika kndisi ini yang erjadi, di mana pergeseran ke kanan akan menaikkan nilai daya P maka langkah selanjunya yang dilakukan adalah menggeser iik perasi P makin ke kanan hingga daya P mencapai P MPP. ari dp d sini dapa disimpulkan jika dan d d bernilai psiif maka unuk menuju nilai P MPP egangan P harus diambah aau arus P harus diurunkan. BUCK-BOOST CHOPP Pada Gambar-8 disajikan suau buckbs chpper dengan egangan C masukan dan egangan keluaran raa-raa sebesar yang erhubung dengan beban sebesar u. Karena saklar S akan dikendalikan unuk dan OFF dengan duy cycle sebasar d. Pada saa saklar S pada kndisi maka arus akan mengalir melalui indukr L menuju ke egangan sumber. Pada kndisi ini egangan indukr ( v L ) akan bernilai, arus indukr L dapa diurunkan dengan persamaan v L i L L.. () i in i L S L vl C u Gambar-8 angkaian buck-bs chpper Pada kndisi ini arus indukr akan naik dengan selisih arus dari kndisi awal sebesar selama inerval. Sedangkan saa saklar S membuka maka arus indukr akan erus mengalir menuju sisi beban dan kembali melalui dida. persamaan yang dapa diurunkan pada kndisi ini adalah v L 6

5 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 L i L. (3) OFF i in i L S L vl C u Pada kndisi ini arus indukr akan urun dengan selisih arus dari kndisi awal sebesar selama inerval OFF. engan menyamakan persamaan () dan (3) akan didapa hubungan beriku... T OFF. T d (4) 1 d Mengacu pada hukum kekekalan energi maka jika dianggap sisem ideal, daya sisi masukan sama dengan daya sisi keluaran dan akan didapa hubungan.. in in in u u d 1 d u 1 d in (5) u d i in i L S Gambar-10 angkaian ekuivalen buck-bs chpper saa saklar S membuka (OFF) Gambar-11 Kurva perbandingan ahanan masukan dan keluaran erhadap duy cycle pada buck-bs chpper in Sehingga nilai 0 sehingga suau u buck-bs chpper akan selalu memandang ahanan beban sebagai ahanan ekuivalen yang lebih besar/kecil nilainya. engan demikian jika buck-bs chpper diimplemenasikan sebagai MPPT maka beban yang erpasang pada P melalui MPPT dapa lebih besar/kecil dari. MPP in L vl C u u 1 d d Gambar-9 angkaian ekuivalen buck-bs chpper saa saklar S menuup () Gambar-1 angkaian ekuivalen sisi masukan buck-bs chpper 63

6 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 P Mdule/ Arrays MPP buck-bs chpper as MPPT LOA MPP MPP Gambar-15 Skema P dan MPPT be beban resisif unuk simulasi Gambar-13 mplemenasi buck-bs chpper sebagai MPPT unuk beban dengan ahanan lebih besar/kecil dari MPP HASL AN PMBAHASAN Unuk melakukan verifikasi aas analisis yang dilakukan maka dilakukan simulasi dengan menggunakan perangka lunak PSM. Pada Gambar-14 dan Gambar-15 disajikan kurva P dan rangkaian unuk simulasi. Gambar-16 Hasil simulasi nilai egangan P dan egangan MPPT jenis buck-bs chpper sebagai MPPT unuk daya P dengan beban 8,6 Ohm, beban 4,13 Ohm dan beban,75 Ohm Gambar-14 Kurva - dari phvlaic sebagai mdel simulasi Lk-Up Table + - v i pv + vpv - driver uc Lad Gambar-17 Hasil simulasi nilai daya P dan egangan MPPT jenis buck-bs chpper sebagai MPPT unuk daya P dengan beban 8,6 Ohm, beban 4,13 Ohm, beban,75 Ohm Pada Gambar-18 diunjukkan prip MPPT jenis buck-bs chpper yang dirancang unuk pengujian labrarium. engan menggunakan prip yang dirancang diperleh hasil pengujian chpper jenis buck-bs seperi diunjukkan pada Tabel-1. ari hasil ersebu ampak bahwa chpper mampu melakukan fungsi buck dan bs. Sedangkan gelmbang egangan pada indukr yang dipakai chpper disajikan pada Gambar-19 dan Gambar-0. 64

7 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 Gambar-19a Tegangan pada indukr dengan d=3,14% Gambar-18 Prip unuk pengujian labrarium Gambar-19b Tegangan pada indukr dengan d=86,3% Tabel-1 Pengujian chpper d(%) in (l) u (l) Gain 7,8 10,19 0,55 0,05 15,7 10,19 1,43 0,14 3,5 10,19,70 0,6 31,4 10,19 4,09 0,40 39, 10,19 5,63 0,55 47,1 10,19 7,0 0,71 54,9 10,19 8,74 0,86 6,7 10,19 9,87 0,97 70,6 10,17 10,31 1,01 78,4 9,77 10,84 1,11 86,3 6,8 10,80 1,59 94,1 4,8 10,91,7 ari pengamaan dapa diunjukkan bahwa chpper mampu melakukan fungsi buck dan bs dengan baik. Hal ini dapa dibukikan dengan nilai Gain yang dapa lebih kecil aau lebih besar dari 1. KSMPULAN Suau chpper jenis buck-bs mampu menghasilkan egangan keluaran yang lebih kecil/besar dibanding egangan masukan. engan demikian implemenasi sebagai MPPT akan mampu dibebani dengan ahanan sebarang. Teapi yang perlu diperhaikan adalah nilai penguaan erbesar hanya,7 sehingga ahanan maksimum yang dapa dipasang pada MPPT adalah,7 kali MPP. UCAPAN TMA KASH Kami sanga bererima kasih kepada irjen KT Kemdiknas aas banuan dana pada Prgram Peneliian Hibah Besaing sehingga makalah ini dapa disusun. 65

8 S KAJAN LMAH, lume 15, Nmr 1, Januari 013 AFTA PUSTAKA Azab M A New Maximum Pwer Pin Tracking fr Phvlaic Sysems, Prceedings f Wrld Acadeny f Science, ngineering and Technlgy l. 34, Oc 008 sram T., and Chapman P. L Cmparisn f Phvlaic Array Maximum Pwer Pin Tracking Techniques, Transc. On nergy Cnversin, l., N., pp Jiang J. A, Huang T. L, Hsia Y. T, and Chen C. H Maximum Pwer Tracking fr Phvlaic Pwer Sysems, Tamkang Jurnal f Science and ngineering, l. 8, N, pp Kiranmayi., eddy. K., and Kumar M.., 008. Mdeling and a MPPT fr Slar Cell, Jurnal f ngineering and Applied Science 3(1), pp iyadi,s., 010. Cnrlled Curren Surce sebagai nerface P-Grid Cnneced Sysem, Prsiding CCS (lecrical Pwer, lecrnics, Cmmunicains, Cnrls and nfrmaics), Malang 010, hal. A5.1-A5.5 iyadi,s., 010. Kneksi Phvlaic melalui S berbasis Kendali Arus unuk Pembagian Beban, JT (The Jurnal f nfrmain Technlgy and lecrical ngineering), l., April 010 hal. 3-37, UGM Ygyakara 66