MAXIMUM POWER POINT TRACKING MENGGUNAKAN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK UNTUK SISTEM PV TERHUBUNG GRID MELALUI WIDE RANGE INPUT INVERTER

Transkripsi

1 MAXMUM POWER PONT TRACKNG MENGGUNAKAN ARTFCAL NEURAL NETWORK UNTUK SSTEM PV TERHUBUNG GRD MELALU WDE RANGE NPUT NVERTER Muhammad Syafei Gozali, Dedet Candra Riawan, Mochamad Ashari Jurusan Teni Eletro nstitut Tenologi Sepuluh Nopember Surabaya gozali11@mhs.ee.its.ac.id ABSTRAK Photovoltaic (PV) sebagai pembangit listri merupaan salah satu alternatif pemanfaatan sumber energi terbaruan.pemaaian daya pembangit onvensional dapat diurangi dengan menghubungan sistem PV e grid.efisiensi pada sistem PV dapat ditingatan dengan pertama meningatan ualitas materialnya dan edua dengan mengoperasian panel PV pada titi optimum daya dengan teni Maximum Power Point Tracing (MPPT).Dalam penelitian ini dilauan teni edua untu mendapatan titi optimum operasi PV yaitu teni MPPT.Penggunaan Sistem PV yang dihubungan e grid dapat membantu menurunan biaya bahan baar dari sistem onvensional.untu meningatan inerja sistem PV yang terhubung grid dengan menggunaan onverter satu tingat onversi dan sealigus berfungsi sebagai MPPT.Wide range input single stage inverter dapat melauan onversi dan transformasi tegangan serta MPPT dalam satu tahap onversi, juga memilii jangauan perubahan input yang luas. Untu mengurangi stress pada omponen inverter, maa inverter dioperasian dalam Continuous Conduction Mode (CCM). Teni MPPT menggunaan Artificial Neural Networ (ANN) dengan input iradian dan temperatur. Pada penelitian ini, simulasi ontrol sistem menggunaan software Matlab. Hasil Simulasi sistem PV 144 W yang terhubung grid menunjuan bahwa inverter telah beerja secara efetif sesuai dengan ondisi dari perubahan temperatur dan iradiasi yang masu pada pv panel. Kata unci: photovoltaic (PV), maximum power point tracing (MPPT), Continuous Conducting Mode (CCM), artificial neural networ(ann) 1. PENDAHULUAN Pemanfaatan sumber energi terbaruan merupaan pengganti energi onvensional yang sudah menipis jumlah cadangannya. Sumber energi terbaruan ini juga dapat mengurangi emisi polusi dan gas rumah aca yang disebaban energi onvesional. Sumber energi terbaruan dapat berasal dari air, surya, dan angin. Potensi energi surya di ndonesia sangat signifian, iradiasi matahari rata-rata sebesar 4,8 Wh/m2/hari. Oleh arena itu pemanfaatan energi surya sangat tepat diapliasi di negara ndonesia. Untu mengurangi pemaaian daya dari pembangit onvensional maa sistem photovoltaic (PV) dihubungan e grid. Efisiensi yang rendah menjadi masalah pada sistem PV sehingga memerluan tahap untu mengoptimalan daya PV dengan teni Maximum Power Point Tracing (MPPT) dan tahap untu onversi daya DC menjadi AC, yang mengaibatan bertambahnya biaya sistem. Biaya juga aan semain bertambah dengan terhubungnya sistem PV e grid diarenaan penambahan peralatan, salah satunya transformer. Biaya sistem PV terhubung e grid dapat diurangi dengan melepas transformer serta meminimalan tahap onversi. Penggunaan wide range input single-stage inverter dapat mengurangi biaya diarenaan hanya satu tahap onversi dan tida menggunaan transformer. Efisiensi dapat ditingatan dengan mengoperasian single-stage inverter dalam Continuous Conducting Mode (CCM). Selain itu, pada operasi CCM juga dapat mengurangi losses dari switching dan ondusi, serta pea current stres. Pada penelitian ini digunaan metode untu meningatan efisiensi sistem PV terhubung grid melalui single-stage inverter dengan operasi CCM dan mendesain sebuah sistem ontrol MPPT menggunaan artificial neural networ (ANN). 2. TUJUAN Penelitian ini bertujuan untu meningatan efisiensi dari sistem PV terhubung grid, dengan: a. Optimisasi MPPT berbasis ANN pada sistem PV. b. Penggunaan topologi single-stage inverter pada sistem PV terhubung grid. c. Mengoperasi single-stage inverter dalam ondisi CCM, untu mengurangi losses dan stress pada omponen inverter. 3. METODE PENELTAN Topologi sistem PV terhubung grid, seperti yang ditunjuan gambar 1, secara tipial melalui dua tingat onverter. Pada tingat pertama adalah DC-DC onverter yang berfungsi untu meningatan (boosting) tegangan output dari PV dan MPPT. Pada tingat edua adalah DC-AC onverter yang berfungsi untu mengonversi dari daya DC menjadi daya AC.

2 Pada maalah ini, model PV diembangan berdasaran parameter dari PV Gambar 1. Topologi Sistem PV Terhubung Grid: (a) dua tingat onverter, (b) satu tingat converter Pada penelitian ini, menggunaan satu tingat onverter untu Sistem PV yang terhubung grid yaitu DC-AC onverter yang dapat berfungsi untu boosting dan MPPT serta untu mengonversi dari daya DC menjadi daya AC. Sistem ini memilii euntungan lebih effisien dan handal dari sistem dua tingat inverter arena omponen yang digunaan lebih sediit [1]. 3.1Pemodelan Photovoltaic PV Array dibentu dari ombinasi PV cell yang dihubungan seri atau paralel. Rangaian eivalen PV cell dapat digambaran seperti pada gambar 2 yang terdiri dari Sumber arus ph, dioda D, resistor seri RS dan resistor paralel RP. tegangan dan arus dari PV cell, dipengaruhi oleh insulation dan temperature [2]. Besarnya tegangan output sel V cell, yaitu ntc ph + o cell Vcell = ln Rs (1) cell q o Dengan, n adalah Fator ideal cell, merupaan onstanta boltzman s, T c ialah Temperatur operasi cell ( C), q adalah Muatan electron, cell adalah Arus output cell (A) dan R s ialah Resistansi seri cell (Ohm). Arus photovoltaic ph (A) ditentuan sebagai beriut, ph = sc + K1( Tc To ) G (2) Dimana, sc adalah arus hubung singat(a), K1 adalah Koefisien temperatur arus hubung singat. ph dipengaruhi oleh solar insolation G (W/m2) dan temperatur, dengan besarnya temperatur adalah selisih dari temperatur operasi T c dantemperatur referensi T o. Besarnya sc didapat dari, ( ) 2 exp 1 1 sc = so Tc To qeg n (3) To Tc Dengan, Eg adalah bang-gap energy dari semiondutor yang digunaan cell, dari persamaan (3), maa didapat besarnya arus reverse saturasi o (A) adalah qv oc so = sc exp 1 (4) nn sto Dimana V OC adalah tegangan opencircuit (V) dan N S adalah jumlah cell seri dalam satu modul PV. Gambar 2. Rangaian eivalen PV cell panelmsx6 (6 W) yang disusun seri paralel Tabel 1.Model PV yang digunaan merupaan model PV pada referensi [3]. Tabel 1. Spesifiasi PV Panel Spesifiasi saat G = W/m 2 dan T = 25 o C Jumlah sel Ns 36 Daya Masimum Pmax 6 W Tegangan saat Pmax 17.1 V Arus saat Pmax 3.5 A Tegangan Open-circuit 21.1 V Arus Short-circuit 3.8 A 3.2Maximum Power Point Tracing (MPPT) Gambar 3 menunjuan arateristi ouput dari PV array. Dari urva -V dan P-V dapat dietahui bahwa arateristi output PV array tida linier dan dipengaruhi oleh insolation, temperatur dan ondisi beban. Titi erja OPR1(λ1) adalah maximum power point (MPP) pada ondisi insolation λ1 dan temperatur T1 untu beban R1. Jia insolation dan temperatur berubah menjadi λ2 dan T2 maa urva -V dan P-V bergeser pada urva (λ2, T2).Untu mencapai ondisi MPP maa beban harus berubah menjadi R2, jia tetap menggunaan beban R1 maa tida beerja pada ondisi MPP. Kondisi lingungan mempengaruhi daya output dari PV array, sehingga diperluan beban yang dapat diatur untu mendapatan MPP. Sebagai pengganti beban yang berubah, digunaan switching converter yang terpasang diantara PV array dan beban, seperti yang ditunjuan pada gambar 4.Switching converter berfungsi sebagai Gambar 3.Karateristi -V dan P-V dari PV array pada

3 insolation dan temperatur yang berbeda dengan beban resistif R1 dan R2 Gambar 5.Arus ndutor pada mode operasi CCM Gambar 4.Sistem Kontrol PV Array ontrol untu menyesuaian beban terhadap outputpv array yang bervariasi. Teni untu mendapatan MPP disebut dengan maximum power point tracing (MPPT).Terdapat beberapa algoritma untu mendapatan MPPT. Algoritma MPPT yang sering digunaan yaitu hill climbing method, incremental conductance method, ripple based method, dan constant voltage method [4]. Metoda-metoda tersebut menggunaan tegangan dan arus dari PV array sebagai input. Output dari Algoritma MPPT dapat berupa tegangan dan arus yang digunaan sebagai referensi dari rangaian ontrol untu menggeraan switch dari rangaian switching converter. 3.3 Topologi Single Stage nverter Pada penelitian ini, menggunaan topologi inverter Single Stage Single Phase (SSSP) [5] pada operasi CCM. CCM adalah ondisi arus pada indutor yang mana nilai arusnya tida mencapai nol saat switch pada posisi OFF seperti yang ditunjuan gambar 5. Rangaian SSSP yang digunaan terbentu dari dua buah Buc-Boost Converter yang terpasang antiparallel, seperti yang ditunjuan gambar 6.Rangaian ini berfungsi sebagai Current Source nverter. Pada dasarnya ada dua mode operasi jia inverter dioperasian pada mode CCM.Mode pertama adalah mode charging, dimana Sp1 ON pada silus positif atau Sn1 ON pada silus negatif dari tegangan grid. Energi aan tersimpan pada indutor LBB1 atau LBB2 selama mode ini. Mode edua adalah mode discharging, dimana Sp1 atau Sn1 OFF. Maa energi yang tersimpan di indutor tadi aan dialiran. Sp2 aan selalu ON selama silus positif dan Sn2 aan selalu ON pada silus negatif. Persamaan besarnya energi yang mengalir di indutor dari setiap mode [6] ditunjuan pada tabel 2. Gambar 6.Topologi SSSP inverter Tabel 2. Tahap Switching dan Persamaan pada Kondisi CCM untu Silus Positif Mo Switch Persamaan de Sp1 Sp2 ON ON OF F ON dvpv i = PV CP il P + dil v P PV = L dv dig f C f + ig = v = L + v dv i C f f ac = PV L PV P v P PV = dv C + i = i f f g Lp 3.4 Strategi Kontrol Sistem Kontrol switching SSSP inverter dimasudan untu mengatur tegangan output dan arus ouput dari inverter dengan mengatur watu ON dan OFF switch inverter. MPPT dari PV array pada penelitian ini menggunaan ANN dengan dua input yaitu dari insolation dan temperatur pada PV array. Output dari MPPT sebagai arus referensi ref yang dibandingan dengan arus yang mengalir pada indutor rangaian inverter LBB. ref dan LBB merupaan input dari Hyteresis Current Control dengan output digunaan untu mengatur ON dan OFF switch pada SSSP inverter melalui drive switching. Blo diagram dari sistem ontrol ini ditunjuan pada gambar 7. di L di v = L + v g f f ac

4 ANN harus mengalami pelatihan atau training. Gambar 7.Blo Diagram Sistem Kontrol SSSP nverter Berbasis ANN MPPT ref + ref ref Vin L t Vout L Watu (s) ' t t + 1 Gambar 8.Arus Hysteresis Pada ndutor Limit Atas t = t t ' L Limit Bawah Hysteresis current control digunaan untu mengontrol SSSP inverter sehinga beroperasi CCM. Seperti yang ditunjuan gambar 8, besarnya arus yang mengalir di indutor L berada dalam toleransi limit atas dan limit bawah dari arus referensi ref. Pada watu t, switch Sp1 atau Sn1 (dari gambar 6) ON, maa arus L aan mengalir di indutor sebesar Vin L. Ketia L mencapai limit atas maa switch Sp1 atau Sn1 OFF pada watu t maa L mengalir sebesar Vout L. Metode pelatihan ANN pada penelitian ini adalah bacpropagation.bacpropagation adalah metode umum pengajaran Jaring Syaraf Tiruan bagaimana melauan tugas yang diberian. Metode ini merupaan metode latihan terbimbing (supervised learning), dengan metode pelatihan oresi galat terdiri dari dua lapisan, bagian umpan maju (forward pass), dan bagian umpan bali (bacward pass) yang menjalar melalui lapisan jaring dengan layer untu menghasilan output sebagai respon atual. Pada penelitian ini, seperti yang ditunjuan gambar 9, input ANN adalah suhu dan irradiasi, dan output dari ANN berupa arus referensi ref [7]. Untu mengolah data input menjadi output, Gambar 9.Blo Strutur ANN untu MPPT Dalam proses pelatihan ANN dibutuhan data pelatihan. Jumlah training data ANN tergantung dari jumlah masuan dan eluarannya.jadi, untu ANN yang memilii dua masuan dan satu eluaran memilii 3 macam training data. 4. SMULAS DAN HASL Model simulasi untu PV array, SSSP nverter, ANN MPPT, serta Hysterisis current ontrol menggunaan software simulin MATLAB. Simulasi dilauan dengan menggunaan parameter PV array yang terdapat pada tabel 1, dimana panel pv dipasang 2 seri dan 4 paralel dengan daya optimum sebesar Wp, pada ondisi temperature 25ºC dan rradiasi W/m 2. Disain omponen inverter dengan meruju dari persamaan pada referensi [4,6] maa didapat LBB1 dan LBB2 = 1.2mH, C f = 6.9 µf, L f = 3.7mH, C p = 4.5 mf, serta pita toleransi ( ) untu hysterisis current control 1% dari Amplitudo ref. Pengujian sistem dilauan dengan melihat perubahan temperature dan iradiasi. 4.1 Efe Perubahan Temperatur Karateristi output urva -V dan P-V dari PV array terhadap perubahan temperatur ditunjuan pada Gambar 1 dan gambar 11. Efe perubahan temperatur sangat sediit mempengaruhi besarnya arus PV, namun sangat berpengaruh pada tegangan open-circuit PV. Semain besar temperatur, maa aan semain besar pula penurunan tegangan open-circuit PV. Hal ini nampa pada Gambar 1.Perubahan tegangan mengaibatan P maximum dari PV juga menurun seperti yang di tunjuan pada gambar Efe Perubahan rradiasi Karateristi output urva -V dan P-V dari PV array terhadap perubahan irradiasi ditunjuan pada Gambar 12 dan gambar 13. Efe perubahan iradiasi sangat mempengaruhi besarnya arus PV, Semain besar rradiasi, maa aan semain besar pula penurunan Arus PV. Hal ini

5 nampa pada Gambar 12.Perubahan arus mengaibatan P maximum dari PV juga menurun seperti yang di tunjuan pada gambar V curve 4.3 Simulasi Sistem dengan ANN MPPT Pada simulasi ini dilihat emampuan sistem untu mendapatan titi optimum dari PV dengan perubahan temperature dan irradiasi. nput data learning ANN MPPT diambil dari perubahan temperatur dan irradiasi dengan jumlah data 15, eluaran dari ANN MPPT adalah ref yang nantinya dimasuan e Hysterisis current control. Gambar 14 menunjuan blo diagram sistem. Hasil dari simulasi sistem ini ditunjuan pada gambar 15 s/d 21. pv Gambar 12. Perubahan Temperatur pada Kurva -V V curve P-V curve 6 pv 5 4 Ppv Gambar 1. Perubahan Temperatur pada Kurva -V Gambar 13. Perubahan Temperatur pada Kurva P-V P-V curve Ppv 5 5 Gambar 11. Perubahan Temperatur pada Kurva P-V Gambar 14. Blo Diagram sistem Gambar 15. Perubahan Temperatur (K) dan rradiasi (w/m 2 )

6 Gambar 16. Daya PV Gambar 17.Arus dan Tegangan PV Gambar 18.Tegangan dan Arus Grid 5. KESMPULAN Pada maalah ini telah dijelasan penelitian mengenai sistem pv terhubung grid melalui single stage inverter dengan metode MPPT menggunaan ANN. Hasil simulasi menunjuan bahwa dengan menggunaan single stage inverter daya masimum PV juga dapat dicapai sehingga meningatan efisiensi sistem, serta dengan menggunaan teni MPPT yang menggunaan ANN dapat mempercepat tercapainya daya masimum PV. DAFTAR PUSTAKA [1] W. L. Yu, T. P. Lee, G. H. Wu, Q. S. Chen, H. J. Chiu, Y. K. Lo, A DSP-Based Single-Stage Maximum Power Point Tracing PV nverter, EEE, pp , 21. [2] T. Kerees, R. Teodorescu, P. Rodriguez, G. Vazquez, E. Aldabas, A New High-Efficiency Single-Phase Transformerless PV nverter Topology, EEE Trans. nd. Electron., vol. 58, no. 1, pp , Jan [3] M.G. Villalva, J.R. Gazoli and E. R. Filho, Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays, EEE Trans. Power Electron. vol. 24, no. 5, pp , May 29. [4] S. Jain, V. Agarwal, A Single-Stage Grid Connected nverter Topology for Solar PV Systems With Maximum Power Point Tracing, EEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 5, pp , Sep. 27. [5] H. Patel, V. Agarwal, MPPT Scheme for a PV-Fed Single- Phase Single-Stage Grid-Connected nverter Operating in CCM With Only One Current Sensor, EEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no.1, pp , Mar. 29. [6] S. Jain, V. Agarwal, New current control based MPPT technique for single stage grid connected PV systems, Elsevier Energy Conversion and Management 48, pp , 27. [7] Md. Asiful slam, Md. Ashfanoor Kabir, Neural Networ Based Maximum Power Point Tracing of Photovoltaic Arrays, EEE TENCON., pp , 211 Gambar 2.(ref Average) Gambar 21.ref dan LBB