Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia

Transkripsi

1 esain Sistem Pembangkit istrik Tenaga Surya Beroperasi Stand Alone dengan Konverter KY dan Maximum Power Point Tracking Berbasis Algoritma NeuroFuzzy Adi Kurniawan 1 ; Mochamad Ashari 2 ; edet. Riawan 3, Ilham Pakaya 4 Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia 1 adi.k.046@gmail.com; 2 ashari@ee.its.ac.id; 3 dedet@ee.its.ac.id; 4 ilhampakaya@gmail.com Semakin berkurangnya ketersediaan bahan bakar fosil mendorong berkembangnya penggunaan energi terbarukan sebagai sumber energi pembangkit listrik. Salah satu sumber energi terbarukan yang semakin banyak dipakai sebagai pembangkit listrik adalah sel surya. Efisiensi sel surya yang masih rendah membuat perlunya penerapan maximum power point tracking (MPPT) yang dikombinasikan dengan konverter. Konverter yang umum digunakan adalah konverter boost konvensional yang mempunyai ripel tegangan dan ripel arus output yang cukup tinggi. Pada makalah ini disajikan pemodelan dan simulasi dari sistem Pembangkit istrik Tenaga Surya (PTS) dikombinasikan dengan konverter KY yang dilengkapi dengan metode pencari daya maksimum atau maximum power point tracking menggunakan neurofuzzy controller. Sistem terdiri atas PTS, konverter KY dengan kontrol MPPT dan beban. Kontrol MPPT berbasis neurofuzzy digunakan untuk mengontrol saklar MOSFET dari konverter penaik tegangan bernama konverter KY untuk menghasilkan daya output maksimum dari PTS. Konverter KY dipilih karena mempunyai respon transien yang cepat dan mampu menghasilkan tegangan dan arus output dengan ripel yang sangat kecil. Sistem yang diajukan diuji pada berbagai temperatur dan iradiansi matahari, kemudian hasilnya dibandingkan dengan sistem yang identik namun menggunakan konverter boost konvensional. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem dengan konverter KY mampu menghasilkan ripel tegangan dan ripel arus output yang lebih kecil, serta kecepatan transien yang lebih cepat dibanding sistem dengan konverter boost konvensional. Kata kunci: Pembangkit istrik Tenaga Surya (PTS), Maximum Power Point Tracking (MPPT), NeuroFuzzy ontroller, Konverter KY, Konverter Boost 1. PENAHUUAN Saat ini, kebutuhan manusia akan energi listrik semakin meningkat. i sisi lain, jumlah bahan bakar fosil semakin berkurang. Sumber energi terbarukan seperti energi surya semakin banyak digunakan dalam pembangkitan energi listrik. PTS menjadi salah satu pembangkit listrik dengan energi terbarukan yang paling banyak dikembangkan karena tidak memiliki bagian berputar, tidak menimbulkan suara dan emisi serta membutuhkan biaya perawatan yang rendah [1]. Pada akhir tahun 2010, tercatat 35 GW sistem PTS telah terpasang di negara yang tergabung dalam International Agency Photoltaic Power Systems Programme (IEA PVPS) [2]. aya yang dihasilkan panel surya bergantung pada iradiansi matahari, suhu lingkungan dan tegangan atau arus output. Untuk dapat menghasilkan daya maksimum pada setiap kondisi iradiansi matahari dan suhu, diperlukan penerapan algoritma MPPT. Algorima MPPT pada umumnya dieksekusi oleh konverter. Konverter yang sering digunakan adalah konverter boost. Konverter boost konvensional memiliki kelemahan berupa ripel tegangan dan ripel arus output yang tinggi, serta respon transien yang lambat [3]. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengatasi permasalahan tersebut. Pada referensi [4], diajukan penggunaan coupling inductor pada konverter boost. Pada referensi [5], digunakan teknik peningkat tegangan output konverter boost. Pada referensi [6], ditawarkan skema kontrol interleaved pada konverter boost. Penelitianpenelitian tersebut dapat mengatasi permasalahan ripel tegangan dan ripel arus output yang tinggi, namun tidak dapat meningkatkan performa respon transien. Pada referensi [3], ditawarkan sebuah konverter penaik tegangan bernama konverter KY. Konverter KY dapat menghasilkan ripel tegangan dan ripel arus output yang rendah, serta respon transien yang lebih cepat dibandingkan konverter boost. Pada penelitian ini, konverter KY digunakan sebagai eksekutor MPPT pada sistem PTS yang beroperasi stand alone. Algoritma MPPT yang digunakan adalah algoritma neurofuzzy yang ditawarkan pada referensi [7]. Seluruh sistem dimodelkan dan disimulasikan dengan komputer. 2. TUJUAN Tujuan penelitian ini adalah untuk menhasilkan sistem PTS beroperasi stand alone yang mempunyai ripel tegangan dan ripel arus output kecil, serta performa transien yang cepat. 3. METOE PENEITIAN Sistem PTS yang diusulkan pada penelitian ini dapat dibagi menjadi lima bagian, yaitu pemodelan panel surya, konverter KY, algoritma MPPT berbasis neurofuzzy, sistem kontrol tegangan, serta beban. Keseluruhan sistem yang disimulasikan ditunjukkan pada Gambar 1.

2 Iradiansi Matahari Temperatur Panel Surya MPPT * Konverter KY Sinyal Pensaklaran Sistem Kontrol Gambar 1 Konfigurasi Sistem Keseluruhan Beban A. Pemodelan Panel Surya Pemodelan panel surya secara sederhana ditunjukkan oleh Gambar 2. Pada penelitian ini hanya digunakan 1 panel surya untuk mengetahui performa dari penggunaan konverter KY yang dikombinasikan dengan MPPT berbasis neurofuzzy. B. Konfigurasi Konverter KY Topologi KY converter ditunjukkan oleh Gambar 3. KY converter terdiri atas dua mosfet yang digunakan sebagai switch S1 dan S2. Kedua switch tersebut tersambung dengan dioda 1 dan 2, sebuah induktor keluaran dan kapasitor keluaran, sebuah dioda b, serta sebuah kapasitor energi transfer b yang cukup besar untuk menjaga tegangan yang melalui kapasitor tersebut tetap konstan. R s I I sh I 1 I R sh 2 Gambar 2 Pemodelan Panel Surya Persamaan dasar dari panel surya ditunjukkan oleh persamaan (1) berikut: I = I I e V IR q nkt S V I R 1 Rsh Keterangan: I adalah arus output PV (A). I adalah arus yang terbangkit pada PV (A). I adalah arus saturasi dioda. q adalah muatan elektron = 1.6x10 19 (). K adalah konstanta Boltzman (j/k). T adalah temperatur sel (K). R s adalah resistansi seri sel (Ohm). R sh adalah resistansi shunt (Ohm). V adalah tegangan output PV (V). S (1) Panel surya yang digunakan pada penelitian ini menggunakan model panel surya K200GT. ata panel surya ini pada iradiansi matahari 1000 W/m 2 dan temperatur 25º ditunjukkan oleh Tabel 1. Tabel 1 Parameter K200GT pada 1000 W/m 2 25 º Imp 7,61 A Vmp 26,3 V Pmax 200,14 W Isc 8,21 A c 32,9 Gambar 3 Konfigurasi Konverter KY Gambar 4 dan Gambar 5 menjelaskan aliran daya pada konverter KY. masukan yang diberikan sebesar V i, tegangan yang melalui kapasitor sama dengan V i, tegangan keluaran pada beban sebesar V o dan arus yang melalui induktor sebesar i. 1 2 Gambar 4 Aliran aya Konverter KY saat on dan off Pada Gambar 4, sesaat setelah menyala dan mati, tegangan pada adalah tegangan masukan v i ditambah tegangan v i yang melalui, dikurangi tegangan keluaran v o. Persamaan diferensial untuk menggambarkan hubungan tersebut adalah di = v v dt d = i dt R 2 i o i Vi (2)

3 1 2 Gambar 5 Aliran aya Konverter KY saat off dan on Pada Gambar 5, sesaat setelah menyala dan mati, tegangan pada adalah tegangan v i yang melalui dikurangi tegangan keluaran v o. Persamaan differensial untuk menggambarkan hubungan tersebut adalah: di = vi dt d = i dt R i (3) ari persamaan (1) dan (2) dapat diperoleh hubungan antara tegangan masukan dan keluaran sebagai berikut: 1 v = i (4). MPPT NeuroFuzzy MPPT digunakan untuk menentukan besar tegangan referensi panel surya (*) untuk setiap kondisi iradiansi matahari dan temperatur. engan demikian, panel surya dapat menghasilkan daya maksimum untuk setiap kondisi iradiansi matahari dan temperatur. MPPT yang digunakan pada penelitian ini adalah MPPT berbasis algoritma neurofuzzy. Algoritma neurofuzzy dipilih karena mampu menghasilkan tegangan referensi dengan akurasi dan kecepatan yang tinggi. Struktur dari algoritma neurofuzzy ditunjukkan oleh Gambar 6. Temperature Sun Irradiance lass Fuzzy lassifier Selected ANN lass 1 *1 Pada MPPT neurofuzzy, terdapat fuzzy classifier yang berfungsi menentukan kelas untuk setiap kondisi iradiansi matahari dan temperatur. Pada algoritma MPPT ini terdapat tiga kelas ANN. ata yang termasuk pada kelas pertama akan dilatih oleh ANN kelas pertama dan seterusnya. Selanjutnya, ANN akan menentukan tegangan referensi untuk setiap input iradiansi matahari dan temperatur. Fungsi keanggotaan dan fuzzy rules dari fuzzy classifier ditunjukkan oleh Gambar 7 dan Tabel 2. (a) (b) (c) ingin Hangat Panas Suhu( ) Berawan Normal erah Irradiasi(W/m^2) 0.8 Kelas 1 Kelas 2 Kelas Gambar 7 Fungsi keanggotaan fuzzy classifier (a) Input suhu (b) Input iradiasi (c) output Tabel 2 Fuzzy rules Suhu Iradiansi Berawan Normal erah ingin Kelas 2 Kelas 3 Kelas 3 Hangat Kelas 1 Kelas 2 Kelas 3 Panas Kelas 1 Kelas 1 Kelas 2 ANN lass 2 *2 Selector * Penggunaan tiga kelas ANN akan menghasilkan nilai tegangan referensi yang lebih akurat dibanding dengan hanya menggunakan satu ANN karena ketidaklinieran data dapat dikurangi. ata untuk setiap kelas dibagi menjadi tiga bagian, yaitu data pelatihan (70%), data validasi (15%) dan data pengujian (15%). ANN lass 3 *3 Gambar 6 Struktur MPPT NeuroFuzzy

4 . Sistem Kontrol Sistem kontrol tegangan berfungsi untuk menghasilkan duty cycle yang sesuai untuk konverter KY, agar konverter KY dapat membuat panel surya menghasilkan tegangan sesuai dengan tegangan referensi yang dihasilkan MPPT. Kontroler yang digunakan adalah kontroler PI. Gambar skema kontrol yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 8. e PI ontroller ontrol Signal Gate Signal 1 Berdasarkan Gambar 9, daya yang dihasilkan oleh panel surya pada kondisi input iradiansi 1000 W/m 2 dan temperatur 25 adalah sebesar 200,1 W atau 99,98% dari daya maksimum berdasarkan data. Sedangkan daya yang dihasilkan pada kondisi input iradiansi 800 W/m 2 dan temperatur 35 adalah sebesar 152,5 Watt atau sebesar 99,67% dari daya maksimum pada kondisi input tersebut. engan demikian dapat disimpulkan bahwa teknik MPPT yang digunakan mempunyai akurasi yang sangat tinggi. * omparator Modulator Signal Gambar 8 Skema Kontrol E. Beban Beban yang digunakan hanya berupa sebuah resistor. Pada penelitian ini, belum ada sistem kontrol yang menjaga agar tegangan pada beban selalu konstan. Nilai resistor yang digunakan adalah tetap untuk semua kondisi, yaitu sebesar 6,125 ohm. 4. HASI Pada penelitian ini dibandingkan hasil dari dua sistem, yaitu sistem PTS dengan konverter boost, serta sistem PTS dengan konverter KY. A. Sistem engan Konverter Boost Gambar 9 dan Gambar 10 menunjukkan hasil pengujian sistem yang pada awalnya mendapat input iradiansi 1000 W/m 2 dan temperatur 25 menjadi 800 W/m 2 dan 35º. Gambar 10 Arus, dan aya Output Konverter Boost pada Sistem engan Konverter Boost ari Gambar 10 diperoleh hasil bahwa output konverter boost mempunyai ripel arus sebesar 0,015 A baik pada arus 5,63 A maupun 4,905 A. Ripel tegangan yang dihasilkan adalah 0,1 V pada tegangan output ratarata 34,47 V. Sedangkan ripel tegangan output pada tegangan output ratarata 30,05 V adalah sebesar 0,08 V. Respon waktu untuk mencapai kondisi steady state dari 0 adalah sebesar 0,096 detik. Sedangkan respon waktu untuk mencapai kondisi steady state setelah perubahan input iradiansi dan temperatur adalah sebesar 0,102 detik. B. Sistem engan Konverter KY Seperti halnya pada sistem dengan konverter boost, sistem dengan konverter KY juga diuji dengan kondisi perubahan input. Gambar 11 dan Gambar 12 menunjukkan hasil pengujian sistem PTS dengan konverter KY yang pada awalnya mendapat input iradiansi 1000 W/m 2 dan temperatur 25. Pada detik 0,2, kondisi input diubah menjadi iradiansi 800 W/m 2 dan temperatur 35º. Gambar 9 Arus, dan aya Output Panel Surya pada Sistem engan Konverter Boost

5 baik pada tegangan 35,07 V maupun 30,54 V. Respon waktu untuk mencapai kondisi steady state dari 0 adalah sebesar 0,0586 detik. Sedangkan respon waktu untuk mencapai kondisi steady state setelah perubahan input iradiansi dan temperatur adalah sebesar 0,0296 detik. Perbandingan antara sistem PTS dengan konverter boost dan sistem PTS dengan konverter KY disajikan pada Tabel 3. Gambar 11 Arus, dan aya Output Panel Surya pada Sistem engan Konverter KY Berdasarkan Gambar 11, daya yang dihasilkan oleh panel surya untuk sistem dengan konverter KY sama dengan daya yang dihasilkan pada sistem dengan konverter boost. Pada kondisi input iradiansi 1000 W/m 2 dan temperatur 25, daya yang dihasilkan adalah sebesar 200,1 W atau 99,98% dari daya maksimum berdasarkan data. Sedangkan daya yang dihasilkan pada kondisi input iradiansi 800 W/m 2 dan temperatur 35 adalah sebesar 152,5 Watt atau sebesar 99,67% dari daya maksimum pada kondisi input tersebut. engan demikian dapat disimpulkan bahwa teknik MPPT neurofuzzy dapat digunakan pada sistem PTS dengan konverter KY. Gambar 12 Arus, dan aya Output Konverter KY pada Sistem engan Konverter KY ari Gambar 12 diperoleh hasil bahwa output konverter KY mempunyai ripel arus sebesar 0,0002 A baik pada arus 5,725 A maupun 4,986 A. Ripel tegangan yang dihasilkan adalah 0,0014 V Tabel 3 Perbandingan Sistem dengan Konverter Boost dan Sistem dengan Konverter KY Iradiansi (W/m2) Temperatur ( ) Output (V) Ripel Output (V) Arus Output (A) Ripel Arus Output (A) Respon Waktu Steady State (detik) ,47 0,1 5,63 0,015 0, ,05 0,08 4,905 0,015 0, ,07 0,0014 5,725 0,0002 0, ,54 0,0014 4,986 0,0002 0, KESIMPUAN Berdasarkan hasil dari pengujian yang ditunjukkan di atas, dapat disimpulkan bahwa sistem PTS yang dikombinasikan dengan konverter KY dapat menghasilkan arus dan ripel tegangan output yang lebih kecil dibandingkan sistem dengan konverter boost. Selain itu, respon waktu untuk mencapai kondisi steady state pada sistem PTS dengan konverter KY lebih cepat dibanding sistem dengan konverter boost. AFTAR PUSTAKA [1] Syafarudin, E. Karatepe, T. Hiyama, Polar oordinated Fuzzy ontroller Based Real Time MaximumPower Point ontrol of Photoltaic System, Elsevier Renewable Energy, 34, pp , [2] Trends in Photoltaic Applications : Survey Report of Selected IEA ountries between 1992 and 2010, IEA, Paris, France, Rep. IEAPVPS T120, [3] K.I. Hwu, Y.T. Yau, KY converter and its derivative, IEEE Transaction on Power Electronics, 24, pp , [4] H.B. Shin, J.G. Park, S.K. hung, H.W. ee, T.A. ipo, Generalized steadystate analysis of multiphase interleaved boost converter with coupled inductors IEE Proceeding Electronic Power Application, 152, pp , [5] F.. uo, H. Ye, Positive Output Superift onverters, IEEE Transaction on Power Electronics, 18, pp , [6] R. Giral, E. Arango, J. alvente and. MartinezSalamero, "Inherent M Operation of the Asymmetrical Interleaved ual Buck Boost," Proceeding IEEE IEON'02, 1, pp , [7] A. haouachi, R.M. Kamel, K. Nagasaka, A Novel MultiModel NeuroFuzzyBased MPPT for three phase gridconnected photoltaic system, Science irect Solar Energy, 84, pp , 2010.