Desain dan Analisis MPPT Berbasis DC- Switched Capacitor untuk Sistem Grid- Connected Photovoltaic

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (03) -6 Desain dan Analisis MPPT Berbasis DC- witched Capacitor untuk istem Grid- Connected Photovoltaic Ria asmita Utami, Mochamad Ashari ), dan Dedet Candra Riawan ) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi epuluh Nopember (IT) Jl. Arief Rahman Hakim, urabaya 60 ashari@ee.its.ac.id; dedet@ee.its.ac.id Abstrak Energi terbarukan kini mulai gencar dikembangkan, terutama energi surya sebagai salah satu energi yang potensial di Indonesia. Photovoltaic (PV) adalah salah satu cara yang dapat digunakan untuk merubah energi cahaya menjadi energi listrik. Namun tingkat efisiensi daya yang dihasilkan oleh Photovoltaic masih rendah (±5%), maka untuk mendapatkan daya maksimum dari PV digunakan Maximum Power Point Tracker (MPPT). Tugas Akhir ini menggunakan MPPT berbasis konverter DC witched-capacitor dan sistem PV yang tersambung dengan jaringan (grid-connected). Daya maksimum didapatkan dengan cara mengatur duty-cycle pada switching konverter switched-capacitor. Terdapat dua tipe sistem PV, yaitu tipe standalone dan grid-connected. Untuk menghubungkan sistem dengan jaringan, diperlukan rangkaian inverter yang mengubah keluaran besaran DC dari konverter menjadi besaran AC sesuai dengan sistem pada grid. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem PV dengan konverter DC witched-capacitor dapat membuat photovoltaic tetap menghasilkan daya maksimum dalam intensitas cahaya matahari yang berubah, dan inverter mampu menjaga tegangan sistem agar tetap stabil. Kata Kunci Photovoltaic, MPPT, switched-capacitor, inverter, grid-connected I. PENDAHULUAN UMBER energi adalah hal yang sangat krusial bagi manusia untuk menjalani kehidupan. Kini permasalahan mengenai sumber energi yang mulai menipis telah mulai ramai menjadi topik pembahasan di berbagai bidang. Untuk itu manusia kini mencari cara lain untuk menghasilkan energi dengan sumber daya alam yang dapat diperbarui sebagai sumber energi alternatif. alah satu pembangkit listrik terbarukan yang kini mulai populer adalah Photovoltaic (PV). PV adalah suatu sistem yang bekerja mengubah sinar matahari menjadi energi berupa listrik arus searah (DC). uatu modul PV akan dapat menghasilkan listrik secara maksimal jika seluruh selnya mendapatkan sinar matahari. aat radiasi sinar matahari dan suhu mencapai nilai tertentu, terdapat sebuah titik operasi yang unik dari kurva daya-tegangan (P-V) pada sebuah array PV yang disebut Maximum Power Point (MPP), dimana daya yang dihasilkan bernilai maksimum []. Untuk memperoleh daya maksimum, PV array harus dioperasikan pada titik MPP. Dalam Tugas Akhir ini, digunakan MPPT yaitu incremental conductance, adalah metode MPPT yang mengacu pada kemiringan gradien dari kurva daya PV. Gradien akan bernilai nol pada titik MPP, bernilai positif pada sisi kiri, dan negatif pada sisi kanan []. Titik MPP dapat ditelusuri dengan membandingkan instantaneous conductance (I/V) dengan incremental conductance ( I/ V). Kontroler dari MPPT akan menyamakan nilai resistansi masukan (R IN) pada konverter dengan resistansi dari array PV saat MPP (R MPP). Pada studi ini digunakan konverter dengan topologi buck dengan switched capacitor sebagai kontroler MPPT. Dengan digunakannya konverter dengan topologi switched capacitor diharapkan menjadi alternatif jenis MPPT dengan rangkaian yang lebih sederhana, karena rangkaian C konverter tidak menggunakan induktor. Permasalahan yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah bagaimana converter yang berbasis DC switchedcapacitor dapat menemukan MPPT dan mampu mentransfer daya maksimum dari photovoltaic dan bagaimana sistem tersambung dengan jaringan (grid). II. PHOTOVOLTAIC DAN MPPT BERBAI WITCHED- CAPACITOR A. Photovoltaic Photovoltaic (PV) adalah sebuah alat yang dapat mengubah energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik. Persamaan dasar dari suatu PV dapat dinyatakan sebagai berikut: I = I C I O [e q(v+ir s nkt ) ] ( V+IR s R sh ) () Dengan parameternya: I = arus output PV (A) Isc = arus yang terbangkit pada PV (A) Io = arus saturasi dioda q = muatan elektron = (Coulomb) k = konstanta Boltzmann = J/ K n = faktor kualitas dioda, bernilai antara dan T = temperatur sel ( K) Rs = hambatan seri sel (Ohm) Rsh = hambatan shunt (Ohm) V = tegangan output PV (V) B. Maximum Power Point Tracker (MPPT) Dalam Tugas Akhir ini digunakan MPPT metode Incremental Conduction. Metode Incremental Conduction pada dasarnya berpatokan pada kemiringan dari kurva daya yang diperoleh dari PV array, yang bernilai nol pada saat MPP, positif saat posisinya di bagian kiri MPP dan negatif pada posisi bagian kanan[]. esuai dengan kondisi berikut:

2 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (03) -6 Dengan persamaan: { = d(iv) = 0, saat MPP > 0, bagian kiri MPP < 0, bagian kanan MPP = I + V di I I + V V MPP dapat ditelusuri dengan membandingkan nilai konduktansi (I/V) sesaat dengan nilai perubahan konduktansi ( I/ V) selanjutnya. C. witched Capacitor Converter alah satu metode baru pada elektronika daya adalah perkembangan dari converter switching-mode tanpa induktor dan transformator[3]. Tujuan utama dari konverter dengan switching-mode adalah untuk menghasilkan tegangan output (DC maupun AC) yang konstan pada beban, meskipun terjadi perubahan tegangan input maupun beban. Dalam proses transfer energi diperlukan elemen kontrol, agar konverter dapat mengubah topologinya sesuai siklus switching[5]. ecara sederhana rangkaian konverter switched-capacitor topologi buck ditunjukkan pada Gambar. Rangkaian terdiri atas dua buah kapasitor dan yang bernilai sama dan tiga buah dioda D, dan. Rangkaian ini cukup untuk menjadi sebuah rangkaian untuk menurunkan tegangan input. Keadaan saat switching dapat dilihat pada gambar (a) dan (b). aat t off (V=V=VC), dan akan terisi tegangan secara seri, dan saat t on, dan akan mengalami discharge secara paralel [6]. () (3) i in i in i in L in D L in D L in D Gambar 3. (a) Diagram konverter (b) topologi switching toff (c) topologi switching ton V dc C dc Q Q D o D o D o i o i o i o Q 3 L o L o L o Q 4 C o C o C o R o R o R o V o C Gambar. Topologi buck secara sederhana V C V C i C + i C Gambar 4. Rangkaian dasar inverter tipe full-bridge satu fasa Dengan menyertakan topologi pada gambar dalam sebuah buck converter dan ditambahkan induktor L in pada input untuk mengurangi ripple arus input, didapatkan sebuah konverter step-down hybrid seperti pada gambar 3. Topologi switchingnya adalah: t on (= DT s ) (4) dan t off (= ( D)T s ) (5) Vin i C = i C t off V C V C Gambar. (a) Topologi switching pada saat toff (charge) (b) saat ton (discharge) i C D t on i C Pada Gambar 3, persamaan tegangan pada L in dan L o dapat dituliskan sebagai berikut: ( V C )D + ( V C )( D) = 0 (6) (V C V O )D V O ( D) = 0 (7) ehingga V O = D V +D in (8) Dimana D= D. D. Grid Interfacing dan Inverter Pada dasarnya inverter adalah rangkaian yang dapat mengubah besaran DC menjadi AC. DC input dengan tidak ada ripple dapat menghasilkan tegangan AC

3 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (03) -6 3 keluaran berupa square wave, pulse width modulation atau sinusoidal tergantung dari teknik switching yang digunakan. Pada tugas akhir ini digunakan inverter tipe full-bridge satu fasa. Rangkaian prinsip dari inverter full-bridge ditunjukkan pada Gambar 4. III. DEAIN DAN PEMODELAN MPPT BERBAI WITCHED-CAPACITOR CONVERTER A. Konfigurasi istem ecara umum desain sistem PV terhubung grid ditunjukkan blok diagram pada gambar 5. ecara umum sistem bekerja dari PV yang menerima sinar matahari dan menghasilkan tegangan. yang dihasilkan PV akan masuk dan diproses pada konverter switched-capacitor untuk diturunkan nilainya, dengan kerja konverter switched-capacitor akan dikontrol oleh PI controller yang menghasilkan nilai duty cycle berdasarkan referensi nilai R (resistansi) yang didapat dari MPPT. Pada kenyataannya daya yang dihasilkan oleh PV tidak selalu bernilai maksimum. Hal ini dikarenakan oleh kerja dasar PV yang sangat dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari (irradiance) dan temperatur. Oleh karena itu diperlukan MPPT agar titik daya maksimum dari PV dapat tercapai. Dalam sistem ini digunakan MPPT dengan algoritma incremental conductance. Irradiance uhu PV Arus input konverter PV Incremental conductance MPPT Rref Buck topology switched-capacitor converter PI controller Duty Cycle Inverter satu fasa Kontrol witching Inverter Link Induktor Arus output inverter Gambar 5. Blok diagram sistem MPPT berbasis C converter PV C IN RC IN RQ RQ Q 3 RQ 3 Q R D D 3 R Q C OUT RC OUT Gambar 6. Rangkaian konverter witched-capacitor V dc C dc Q Q Gambar 7. Rangkaian inverter grid-connected Q 3 Q 4 L link Vgrid Grid Load Kompone n Tabel. Parameter dari Konverter witched-capacitor Nilai Keterangan CIN 00u Kapasitor pada sisi input konverter (Farad) C C 33u 33u Kapasitor pada konverter (Farad) COUT 47u Kapasitor pada sisi output konverter (Farad) RCIN 0.05 Ω Resistansi internal CIN (Ohm) RC 0.05 Ω Resistansi internal C (Ohm) RC 0.05 Ω Resistansi internal C (Ohm) RQ 0.8 Ω Resistansi internal switch Q (Ohm) RQ 50m Ω Resistansi internal switch Q (Ohm) RQ3 8m Ω Resistansi internal switch Q3 (Ohm) Pada Tugas Akhir ini digunakan PV yang disusun seri sebanyak 50 modul sehingga didapatkan daya 3000 Watt beserta tegangan output 855 Volt. PV yang disusun seri kemudian diparalel sehingga membentuk hubungan seri-paralel sebanyak 50 seri dan paralel, yang dapat menghasilkan daya sebesar 6000 Watt dengan nilai tegangan tetap 855 Volt. Konverter witched-capacitor yang digunakan memiliki topologi buck, artinya tegangan yang dihasilkan akan bernilai lebih rendah dari tegangan masukannya. Dengan konfigurasi modul PV secara seri-paralel yang memiliki tegangan output maksimal 855 Volt, tegangan PV harus lebih kecil dari tegangan atau sama dengan tegangan jaringan yang akan dihubungkan, yaitu 0 Vrms. Rangkaian konverter witched-capacitor terdiri dari switch Q, Q dan Q 3, C IN,,, C OUT, tiga buah dioda dan baterai yang dihubungkan paralel sebelum tersambung dengan beban. Berdasarkan referensi [], parameter yang digunakan dalam konverter witched-capacitor tertera pada tabel. Pengaturan switch dari konverter switched-capacitor menggunakan Pulse Width Modulation dengan duty cycle yang ditentukan. Dalam operasinya, switch Q dan Q dinyalakan bergantian (interphase) sehingga ketika switch Q menyala switch Q akan mati dan begitu pula sebaliknya, saat Q menyala Q akan mati. witch Q3 sendiri kerjanya ditentukan tanpa PWM, hanya ON atau OFF saja, tergantung dari intensitas cahaya matahari yang diterima oleh PV. witch Q3 akan OFF saat intensitas cahaya matahari penuh (000 W/m ), dan ON saat intensitas cahaya matahari tidak penuh. Konverter switched-capacitor yang digunakan di Tugas Akhir ini merupakan topologi buck, yang fungsinya adalah menurunkan nilai tegangan. Konverter ini sendiri memiliki tiga buah switch yaitu Q, Q dan Q 3 yang memiliki pengaturan penyalaan masing-masing. Output dari MPPT pada sistem berupa referensi R (resistansi) yang akan dibandingkan dengan nilai R aktual dari rangkaian konverter. Hasil perbandingan yang berupa sinyal error akan dilewatkan blok PI yang kemudian akan menjadi sinyal referensi untuk switching Q pada rangkaian konverter

4 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (03) -6 4 switched-capacitor. Untuk menghubungkan keluaran dari konverter dengan jaringan, diperlukan inverter yang akan mengubah besaran DC menjadi AC karena sistem jaringan memiliki besaran AC. Pada tugas akhir ini digunakan inverter tipe full-bridge satu fasa. Rangkaian inverter dinyatakan seperti gambar 7. Rangkaian inverter diatas terdiri dari V DC, C dc, Q, Q, Q3, Q4, dan L ac sebagai filter output inverter. V DC merupakan output dari konverter switched-capacitor yang berupa besaran DC. witch Q, Q, Q3 dan Q4 menggunakan switch tipe IGBT, dan cara kerjanya menyala secara bergantian. Jika Q dan Q4 menyala maka Q dan Q3 harus mati, demikian pula sebaliknya jika Q dan Q4 mati, Q dan Q3 harus menyala. Pengaturan nyala-mati dari seluruh switch diatur menggunakan inusoidal PWM (PWM) dimana digunakan perbandingan antara tegangan AC sinusoidal dengan tegangan segitiga. Pada sisi inverter terdapat current control untuk mengatur kestabilan sistem. Kontroler ini menjaga tegangan pada DC link agar tetap bernilai 450 Volt. Dengan menjaga tegangan bernilai tetap, kontroler dapat mengatur bagaimana inverter menyalurkan daya dari sistem PV ke grid. Jika nilai tegangan yang di-sensing pada DC link lebih besar dari nilai yang ditentukan, artinya daya yang ada pada sisi PV lebih besar dari sisi grid sehingga inverter akan mengatur daya yang diserap ke sisi grid. IV. HAIL IMULAI ITEM DAN ANALII A. imulasi Konverter witched-capacitor Gambar 8. Perbandingan tegangan PV dan tegangan output, perbandingan arus PV dan arus output Tabel. Nilai tegangan dan arus sistem dari hasil simulasi Irradiance VPV Vout Ipv Iout (W/m ) (Ampere) (Ampere) ,88 40,974 7,06 3, ,03 338,9 5,688, ,38 56,056 4,67 8,53 akan dibandingkan dengan R aktual sistem demi mencapai MPP. Parameter yang akan diamati adalah daya maksimum output PV, daya yang dihasilkan PV, tegangan PV, tegangan output konverter serta arus yang mengalir pada sistem. Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa tegangan yang dihasilkan oleh PV mengalami perubahan yang tidak signifikan saat terjadi perubahan pada irradiance. Nilai tegangan output konverter lebih kecil dibandingkan nilai tegangan PV, hal ini sudah sesuai dengan cara kerja konverter switched-capacitor dengan topologi buck yang fungsinya menurunkan nilai tegangan. dan arus input serta output pada tiap irradiance nya dapat dilihat pada gambar 9. Konverter switched-capacitor ini telah terhubung rangkaian kontroller MPPT, sehingga daya yang keluar dari PV dan masuk ke konverter dapat dijaga tetap pada nilai maksimum. Hasil simulasi menunjukkan nilai daya yang dihasilkan oleh PV dapat tetap bernilai maksimum meski mengalami perubahan irradiance. Hal ini menunjukkan bahwa sistem telah mampu mencapai tujuan yaitu menjaga agar PV menghasilkan daya maksimum dalam keadaan dengan intensitas cahaya matahari penuh maupun keadaan partial shading. B. imulasi Konverter C ebagai Fungsi MPPT Terhubung Grid Pada bagian ini dilakukan simulasi sistem secara keseluruhan, yaitu modul PV dengan konverter switchedcapacitor dan MPPT yang terhubung dengan grid. DC dari konverter akan dihubungkan dengan inverter terlebih dahulu, kemudian setelah melewati filter L (induktor) baru akan masuk pada sistem grid. Inverter ini sendiri memiliki sistem kontrol arus (current control) yang memonitor arus grid untuk mempertahankan tegangan pada bagian input inverter (link dari output konverter DC ke inverter) agar tetap berada di nilai yang telah ditentukan. Parameter yang akan diamati adalah tegangan output konverter, tegangan dan arus output inverter, tegangan dan arus pada grid, daya output konverter dan daya output pada grid. Dilakukan pengujian terhadap sistem dengan cara mengubah besar irradiance secara ekstrim pada input PV, yaitu dari 000 W/m hingga 500 W/m. Pada bagian ini mula-mula simulasi dilakukan pada keseluruhan sistem dengan input irradiance sebesar 000 W/m. Hasil yang didapat pada bagian DC link adalah sebagai berikut: Gambar 9. Hasil simulasi MPPT berbasis konverter witched Capacitor Pada bagian ini dilakukan simulasi konverter switchedcapacitor dengan input modul PV dan kontrol MPPT dengan tujuan PV dapat menghasilkan daya maksimum dalam kondisi cahaya matahari yang berubah-ubah pun. MPPT yang digunakan adalah metode incremental inductance dengan hasil berupa referensi R (resistansi) saat titik daya maksimum yang

5 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (03) -6 5 Gambar 3. Daya output PV Gambar 0. dan arus pada DC link sistem (a) Gambar. Hasil simulasi tegangan dan arus pada inverter (b) Gambar. dan arus pada grid. Dari hasil simulasi didapatkan nilai VDC link adalah Volt. Hal ini menunjukkan bahwa sistem telah dapat mempertahankan nilai tegangan pada keluaran konverter dan sebelum inverter sesuai dengan nilai yang diinginkan, yaitu 450 Volt. elain tegangan DC link, diamati pula tegangan dan arus pada inverter. Hasil simulasi dapat diamati seperti pada gambar. Tabel 3. Nilai hasil simulasi pada sisi inverter Irms Vrms (Ampere) 4,54 96,345 Dari simulasi yang bisa didapat selanjutnya adalah bentuk tegangan dan arus pada grid. Hasil simulasi dapat dilihat pada gambar. Tabel 4. Nilai hasil simulasi pada sisi grid Irms Vrms (Ampere) 4,53 9,456 Gambar 4. Hasil simulasi sistem keseluruhan dengan perubahan irradiance (a) Daya maksimum dan daya output PV (b) dan arus DC Link Daya output PV dan daya maksimum yang mampu dihasilkan PV dapat diamati pada gambar 3. Dari grafik dapat diamati bahwa daya yang diproduksi oleh PV tetap pada daya maksimum yang dapat diproduksi, hal ini dikarenakan oleh parameter irradiance atau intensitas cahaya yang ada dalam kondisi maksimum (000 W/m ). Hal ini membuktikan MPPT dapat mempertahankan daya yang diproduksi PV pada nilai maksimum. imulasi dilakukan pada keseluruhan sistem dengan input irradiance PV diubah nilainya menjadi 500 W/m mulai detik ke-8.0 hingga detik 6. Nilai hasil simulasi didapatkan sebagai berikut: Tabel 4. Dclink dan daya dalam perubahan irradiance Irradiance (W/m ) DClink Arus DClink (Ampere) Daya maksimum (Watt) Daya PV (Watt) ,99 7,8 6053, , ,07 3,57 980,34 980,78 Dari simulasi dan data yang diperoleh, dapat dilihat bahwa sistem PV dengan MPPT berbasis konverter switchedcapacitor dapat mempertahankan daya yang diproduksi oleh PV pada nilai maksimum. Dari sisi DC Link, dilihat bahwa tegangan dapat dipertahankan pada nilai 450 Volt meski sistem mengalami perubahan irradiance dari 000 W/m menjadi 500 W/m, waktu dari sistem dalam mencapai tegangan steady state

6 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (03) -6 6 adalah 5 detik. C. Pengujian istem Terhadap Perubahan Grid DC Link pada saat tegangan grid bernilai 0 Volt rms adalah 450,03 Volt. aat tegangan grid diturunkan menjadi 0 Volt rms, tegangan DC Link tidak mengalami perubahan yang signifikan. Nilai tegangan DC Link setelah perubahan tegangan adalah 449,97 Volt. Begitu pula saat tegangan dinaikkan menjadi 30 Volt rms, tegangan DC Link tetap pada nilai 449,966 yang masih tidak jauh dengan nilai yang diinginkan. Hal ini menunjukkan bahwa sistem masih mampu mentoleransi perubahan tegangan sebesar 5% tegangan sistem. Gambar 5. (a) Perubahan tegangan dan arus grid menjadi 0 Volt rms Gambar 6. DC link saat terjadi perubahan tegangan grid imulasi dilakukan pada keseluruhan sistem dengan perubahan pada sisi tegangan grid. Toleransi perubahan tegangan pada jaringan kelistrikan ialah sebesar ±5% dari tegangan sistem. Tugas akhir ini menggunakan sistem kelistrikan dengan tegangan 0 Volt. Pada bagian ini akan diuji respon dari sistem saat mengalami perubahan tegangan berupa penurunan sebesar 5% pada detik ke-3 waktu simulasi. Dari hasil simulasi didapatkan data sebagai berikut: Tabel 5 dan arus grid, inverter dan tegangan DC link Grid (Volt rms) Arus Grid (Ampere rms) Inverter (Volt rms) Arus Inverter (Ampere rms) DC link 0 4,55 97,980 4,55 449, ,866 87,666 4, , ,776 03,07 3, ,966 V. KEIMPULAN/RINGKAAN. Penggunaan sistem Maximum Power Point Traking (MPPT) pada sistem panel surya dapat membuat PV menghasilkan daya keluaran yang maksimum pada berbagai tingkat intensitas cahaya matahari.. Konverter DC switched-capacitor yang digunakan pada sistem ini bekerja dengan mengatur duty-cycle pada switching Q dan Q 3 dalam upayanya menyamakan nilai R agar sama dengan nilai R pada saat MPP. 3. Dalam penyaluran daya hingga ke sistem grid belum dapat mencapai efisiensi maksimum. DAFTAR PUTAKA [] K.P. Pradeep, V. Agraval, On the Input Resistance of a Reconfigurable witched Capacitor DC-DC Converter- Based Maximum Power Point Tracker of a Photovoltaic ource, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol., No., 0. [] T. Eshram, P.L. Chapman, Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol., 007. [3] Hansen, Anca D., orensen, Poul., Hansen, L. H., Bindner, Henrik., Models for a tand-alone PV ystem, Riso National Laboratory, Roskilde, December, 000. [4] M. Olivia, Fundamentals of Photovoltaic Materials, National olar Power Reasearch Institute, Inc., 998. [5] R. Jain, A Novel witched Capacitor Circuit for Efficient Voltage Regulation, Proceedings 7 th Institute Carribean Conference Devices Circuits and ystems, 008 [6] Axelrod, Boris., Berkovich, Yefim., Ioinovici, Adrian., witched-capacitor/witched-inductor tructures for Getting TransformerlessHybrid DC DC PWM Converters IEEE Transactions on Circuits and ystems, Vol.55, No., 008. [7] Rashid, Muhammad H., Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications. Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 993 [8] olarex. MX-60 and MX-64 Photovoltaic Modules, UA, 998. DC Link dapat dilihat pada gambar 6, tegangan