LB12 DESAIN DAN SIMULASI MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) SEL SURYA MENGGUNAKAN FUZZY LOGIC CONTROL UNTUK KONTROL BOOST KONVERTER

Transkripsi

1 LB12 DESAIN DAN SIMULASI MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) SEL SURYA MENGGUNAKAN FUZZY LOGIC CONTROL UNTUK KONTROL BOOST KONVERTER Surojo 1, Mochamad.Ashari 2 dan Mauridhi Hery Purnomo 3 1 Teknik Elektro, ITS, Surabaya, Indonesia srj_its@yahoo.co.id 2 Teknik Elektro,ITS, Surabaya, Indonesia ashari@ee.its.ac.id 3 Teknik Elektro,ITS, Surabaya, Indonesia hery@ee.its.ac.id Abstrak Kata kunci: maximum power point tracking (MPPT), PV, boost converter, fuzzy logic controller dan duty cycle. PENDAHULUAN Solar sel merupakan sumber energi terbarukan yang menawarkan banyak keuntungan seperti tanpa memerlukan bahan bakar minyak, tidak menghasilkan polusi, biaya perawatan rendah dan tidak menghasilkan noise[1]. Penerapan solar sel pada sistem yang berdiri sendiri adalah seperti pada pompa air, penerangan jalan, kendaraan listrik, militer dan ruang angkasa. Dan pada penerapan jaringan listrik seperti sistem hybrid[6] dan power plants. Permasalahan utama pada penggunaan solar sel adalah pembangkitan tenaga listrik yang rendah, terutama pada kondisi radiasi matahari yang rendah. Radiasi matahari yang diterima oleh panel solar sel tergantung cuaca dan posisi matahari terhadap panel solar sel. Jumlah daya yang dihasilkan oleh solar sel tidak konstan dan efisien yang rendah. Selain itu, karakteristik V-I sel surya adalah nonlinier dan berubah terhadap radiasi dan suhu permukaan solar sel [3]-[8]. Secara umum, terdapat titik yang unik pada kurva V-I atau kurva V-P, yang dinamakan Maximum Power Point (MPP) [3-8]. Dimana pada titik tersebut, solar sel bekerja pada efisiensi maksimum dan menghasilkan daya keluaran paling besar. Letak dari MPP tidak diketahui, tapi dapat dicari, dengan menggunakan perhitungan atau algoritma penjejak. Oleh karena itu algoritma Maximum Power Point Tracker (MPPT) dibutuhkan untuk menjaga titik kerja solar sel agar tetap pada titik MPP. Terdapat beberapa algoritma MPPT yang telah ditemukan dan ditulis pada jurnal ilmiah internasional seperti Perturb and Observe[5],[6], Incremental Conductance, Dynamic Approach, Temperature Methods, Artificial Neural Network method, Fuzzy Logic method dll. Semua algoritma tersebut berbeda-beda dalam beberapa aspek termasuk kesederhanaan, kecepatan, implementasi hardware, sensor yang dibutuhkan, biaya, efektifitas, dan parameter yang dibutuhkan. SISTEM SOLAR SEL Model matematik dikembangkan untuk menirukan solar sel. Gambar 1 menunjukkan rangkaian persamaan solar sel, dimana I dan V adalah arus dan tegangan solar sel, kemudian, I L adalah cell s photocurrent. Rp dan Rs adalah tahanan shunt dan tahanan seri dari solar sel[3]. 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING II-63

2 R S I I L R SH V Gambar 1. Rangkaian persamaan sel surya. Persamaan dari rangkaian diatas adalah : I = I L I (V + IR s ) exp. - 1 nkt / q (V - Dimana : I O =arus saturasi reverse (Ampere) n=faktor ideal dioda (bernilai 1 untuk dioda ideal) q=pengisian electron ( C) k=konstanta Boltzman ( J.K-1) T=temperatur solar sel ( o K) + IR R SH S ) (1) Persamaan (1) digunakan dalam simulasi menggunakan komputer untuk mendapatkan karakteristik keluaran solar sel, seperti pada gambar 2 dan 3. Kurva ini menunjukkan sangat jelas bahwa karakteristik keluaran solar sel adalah non-linier [4] dan sangat dipengaruhi oleh radiasi sinar matahari dan temperatur. Tiap titik mewakili MPP dari masing-masing kurva[3]-[6]. Gambar 2. Karakteristik P-V untuk level radiasi Gambar 3. Karakteristik I-V pada temperatur II-64 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING

3 MPPT Berdasar Fuzzy Logic Control Sistem fuzzy ditemukan pertama kali oleh Prof. Lotfi Zadeh pada pertengahan tahun 196 di Universitas California[7]. Sistem Inferensi Fuzzy adalah sistem kerja komputer yang didasarkan pada konsep teori fuzzy, aturan fuzzy if-then, dan logika fuzzy. Struktur dasar dari sistem Inferensi Fuzzy terdiri dari : 1. Basis aturan yang berisi aturan if-then. 2. Basis data yang mendefinisikan fungsi keanggotaan dari himpunan fuzzy. 3. Unit pengambilan keputusan yang menyatakan operasi inferensi aturan-aturan. 4. Fuzzifikasi yang mentransformasi masukan himpunan klasik (crisp) ke derajat tertentu yang sesuai dengan aturan besaran fungsi keanggotaan 5. Defuzzifikasi yang mentransformasi hasil fuzzy ke bentuk keluaran yang crisp. Blok diagram Sistem Inferensi Fuzzy terlihat pada Gambar 4. [9]. Gambar 4. Sistem inferensi fuzzy Gambar 5. Blok diagram sistem Melihat gambar 5. Sebagai variabel masukan dari FLC adalah tegangan dan arus solar sel, sedangkan variabel keluaran duty cycle. Untuk masing masing variabel input memiliki tujuh fuzzy set yang ditunjukkan pada Tabel 1. Dengan nilai negatip besar(bn), negatip medium(mn), negatip kecil(sn), nol (Z), positip besar (BP), Positip medium (MP) dan positip kecil (SP) [1]-[11]. Tabel 1. Aturan fuzzy V PV /I PV BN MN SN Z SP MP BP BNBP BP MP Z MN BN BN MNBP MP SP Z SN MN BN SNMP SP SP Z SN SN MN ZBN MN SN Z SP MP BP SPMN SN SN Z SP SP MP MPBN MN SN Z SP MP BP BPBN BN MN Z MP BP BP Boost Converter Pada MPPT ini digunakan boost converter [7] berfungsi untuk mengatur tegangan solar sel ke tegangan beban, sedemikian sehingga daya output solar sel selalu berada di titik daya maksimum. Rangkaian utama dari boost converter[9] adalah seperti pada Gambar 5 dibawah ini. 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING II-65

4 Gambar 5. Boost Converter[2],[7] dan[8] Boost converter terdiri dari induktor, dioda,kapasitor dan komponen pensaklar. Boost converter bekerja berdasarkan sinyal pensaklaran, t on dan t off. Perbandingan waktu hidup (t on ) terhadap jumlah waktu keduanya disebut juga dengan duty cycle [2]. Saat saklar hidup (on), energi disimpan pada induktor menjadi medan magnet, saat saklar mati (off), energy yang tersimpan pada induktor diubah lagi menjadi listrik dan didorong oleh tegangan input menjadi tegangan output sehingga nilainya menjadi lebih besar. Tegangan ouput boost converter dapat di kontrol dengan mengatur besar duty cycle atau sinyal pensaklaran. Nilai D yaitu < D <1. Untuk menentukan tegangan keluaran dari boost converter dengan menggunakan persamaan berikut: out in 1 t on V V + (2) t off V out V in 1 D (3) HASIL SIMULASI DAN ANALISA Gambar 6 menunjukkan blok diagram sistem solar sel. Sistem ini terdiri dari solar sel dengan menggunakan MPPT, beban resistive dan boost converter. Modul solar sel mempunyai tegangan nominal V dan daya keluaran maksimum 5.17 W. Namun, parameter modul solar sel ini akan diuji ulang dengan menggunakan rangkaian MPPT dan tanpa MPPT. Tabel 2. Data spesifikasi teknik modul PV Spesifikasi modul PV Daya maksimum (Pmax)5.15 Watt Arus hubung singkat (Isc)3,25 Amp. Tegangan rangkaian terbuka (Voc)21,75 Volt Arus pada daya maksimum (Ipmax)2,91 Amp. Tegangan normal (Vn)17.24 Volt Gambar 6. Blok diagram sistem solar sel dengan menggunakan MPPT[4]-[6]. II-66 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING

5 .2175 Ipv1 Vpv /9999 Rload1 PV module (I) Ipv Vpv Vpv1 1 Insolation Ppv.473 Insolation PV1 Ppv Gambar 7. Diagram blok pengunjian modul PV[4] Untuk melakukan pengujian modul solar sel maka dilakukan seting nilai parameter yang ditunjukkan pada tabel 1 terhadap modul simulasi. Pengujian yang dilakukan yaitu pengujian Arus hubung singkat dengan memberikan nilai beban sangat besar (R>>>>) sedangkan pengujian rangkaian terbuka dengan menberikan nilai beban (R) sangat kecil (R<<<<) ditunjukan pada Gambar 7. Pengujian dilakukan untuk mengecek kebenaran nilai blok modul simulink dan panel solar sel. Simulasi telah dikembangkan menggunakan metode yang dijelaskan dan diuji dibawah sinar matahari. Sel surya mampu menghasilkan daya keluaran maksimum sebesar 5,17 W, 21,75 V tegangan rangkaian terbuka dan 3,35 A arus hubung singkat. Pengujian MPPT dilakukan untuk mendapatkan 2 karakteristik penting dari sel surya. Yaitu kurva arus terhadap tegangan solar sel (I-V) dan kurva daya terhadap tegangan solar sel (P-V). Dan MPPT diuji dengan mengubah frekuensi pensaklaran boost converter untuk mengetahui efisiensinya terhadap perubahan nilai frekuensi pensaklarannya. Hasil pengujian untuk kurva I-V ditunjukkan pada Gambar 8. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa pada saat arus keluaran sel surya besar hingga 3,25 A, tegangannya bernilai kecil. Sedangkan pada saat arus keluarannya kecil, tegangan keluaran sel surya bernilai besar S1 S2 S1=1KW/m2 S2=,8KW/m2 S3=,6KW/m2 Arus [A] S Tegangan [V] Gambar 8. Karakteristik I-V modul solar sel W/m 2 PV Power [W] W/m 2 8 W/m PV Voltage [V] Gambar 9. Karakteristik P-V solar sel Pada hasil pengujian yang kedua, yaitu karakteristik daya keluaran sel surya terhadap tegangan keluarannya. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 9. Pada Gambar tersebut menunjukkan kurva seperti sebuah bukit. Tentunya terdapat sebuat titik puncak pada kurva tersebut yang menandakan titik daya 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING II-67

6 maksimum dari solar sel. Besar nilai titik daya maksimum tersebut adalah 5.15 W. Jadi, solar sel mampu menghasilkan daya keluaran maksimum 5.15 W pada kondisi radiasi matahari paling besar. Titik tersebut berada pada tegangan 17,15 V hingga V. Pengujian sistem PV di lakukan pada kondisi solar sel dengan irradisi 1 kw/m 2,,8 kw/m 2,,6 kw/m 2 dan temperature panel 25 o C dan diberikan beban resistansi dengan nilai 1-3 ohm. Hasil pengujian dan pengukuran pada sistem solar sel yang tidak menggunakan MPPT ditunjukkan pada gambar 1. Kurva daya output solar sel yang dihasilkan pada setiap kondisi tidak konstan. Setiap kurva memiliki nilai titik daya maksimum dan setelah melewati titik maksimum daya keluaran akan mengalami penurunan. Pada gambar 11. Menunjukkan bahwa daya keluaran solar sel dengan menggunakan MPPT yaitu konstan pada titik daya keluaran maksimum walaupun diberikan beban yang bervariasi pada setiap kondisi irradiasi. Dengan demikan efisiensi solar sel lebih baik dari pada tanpa menggunakan MPPT. Daya (Watt) Daya Ouput PV Tanpa MPPT 1 kw/m 2,8 kw/m 2,6 kw/m Resistansi (Ohm) Gambar 1. Karakterietik P-R sistem tanpa MPPT 6 Daya Output PV Menggunakan MPPT 5 Daya (Watt) kw/m 2,8 kw/m 2,6 kw/m Resistansi (Ohm) Gambar 11. Karakteristik P-R sistem menggunakan MPPT Setelah mengetahui titik daya maksimum dari solar sel tersebut, MPPT diuji untuk mengetahui efisiensi daya dari MPPT tersebut dengan membandingkan daya keluaran dari boost converte dan daya keluaran dari modul PV. Dan didapatkan hasil seperti pada Gambar 12. di bawah ini 1 Pout PV menggunakan MPPT.99 Efficiency Time Gambar 12. Kurva efisiensi MPPT terhadap frekuensi pensaklaran Nilai efisiensi ini merupakan nilai efisiensi MPPT dan sudah memperhitungkan konsumsi daya MPPT sendiri dengan rugi-rugi daya sekitar 1%.. Kesimpulan II-68 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING

7 Dengan mengacu pada hasil pengujian, disimpulkan bahwa MPPT dengan FLC dapat bekerja lebih baik dan dapat menghasilkan daya keluaran maksimum dibandingan dengan tanpa menggunakan MPPT. Boost converter dapat digunakan dan mudah dikontrol dengan hasil yang memuaskan. Efisiensi alat yang mampu dicapai adalah 99,4%. UCAPAN TERIMAKASIH Saya mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M. Eng dan Prof. Dr. Ir. Mauridhi hery purnomo, M. Eng selaku dosen pembimbing dan dosen pengajar matakuliah Rekayasa Energi Terbarukan sehingga penelitian ini bisa diselesaikan dengan baik dan teman-teman seperjuangan di laboratorium konversi energi atas kesediaannya berdiskusi dan sering informasi. DAFTAR PUSTAKA [1] diakses pada tanggal 7 juni 29 [2] Rashid, Muhammad H. 21. Power Electronics Handbook. New York. Academic Press. [3] Faranda, Roberto. Leva, Sonia. 28. Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems. Italia. [4] Y.Yusof,S.H. Sayuti, M.A.Latif and M. Zamri, 24, Modelling and Simulation of Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic System, Power energy Conference, PEC, pp [5] [6] K.H.Husein, I.Muta, T.Hoshino and M.Osakada, 1995, Maximum Photovoltaic Power Tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions,ieee Proceeding of Generation, Transmision, Distribution, pp [7] A. Reatti, MK. Kazimierczuk, 23, Small Signal Model of PWM Converter for Discontinuous Conduction Mode and its Application for Boost Converter, IEEE Transaction on circuit and systems, pp [8] Salima. Kebaili,Achour. Betka, Efficiency Model Of DC/DC PWM Converter Photovoltaic Applications GCREEDER 29, Amman-Jordan, March 31st April 2nd 29 [9] Mauridhy Hery P, Agus Kurniawan., 26, Supervised Neural Network dan Aplikasinya, Graha Ilmu,Surabaya, Indonesia [1] Nikraz M., H. Dehbonei, C.V. Nayar, 23," A DSP- Controlled PV System with MPPT", Australian Power Engineering Conference, Christchurch, pp.1-6 [11] Ammasai Gounden N., Sabhita Ann Petter, Himaja Nallandula, S. Krithiga, 29, "Fuzzy Logic Controller with MPPT using Line Commutated Inverter for three-phase grid-connected photovoltaic systems", Elsevier, Renewable Energy, Vol. 34, pp [12] Jain Sachin, Vivek Agarwal, "New Current Control based MPPT Technique for Single Stage Grid Connected PV 7th BASIC SCIENCE NATIONAL SEMINAR PROCEEDING II-69