Rancang Bangun Buck-Boost Converter Pada Panel Surya Menggunakan Metode Kontrol PI Dan PID Berbasis Mikrokontroler

Transkripsi

1 Rancang Bangun Buck-Boost Converter Pada Panel Surya Menggunakan Metode Kontrol PI Dan PID Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535 Dedy Siddik Sidabutar, Ali Musyafa, Ridho Hantoro Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Energi matahari merupakan sumber energi terbarukan alternatif untuk pembangkit listrik,energi matahari dapat di rubah menjadi energi listrik dengan menggunakan panel surya. Daya lisitrik yang dihasilkan oleh panel surya tergantung dari temperatur dan radiasi dari sinar matahari sehingga panel surya memiliki ratarata tingkat energi yang maksimum pada siang hari. Terdapat banyak metode untuk memaksimalkan penggunaan panel surya, namun terdapat suatu rangkaian elektronika yang paling terpenting dalam memaksimalkan panel surya tersebut yaitu sebuah rangakain yaitu converter yang berupa buck-boost converter. Buck-boost converter adalah suatu rangkaian elektronika yang dapat menaikkan dan menurunkan nilai tegangan keluaran. Metode kontrol Proportional Integral Derivative (PID) di rancang untuk memperbaiki kinerja suatu sistem,termasuk sistem pengendali tegangan. Kecepatan respon dan error steady state merupakan parameter yang diukur untuk menilai kinerja suatu sistem kendali. Dengan menggunakan metode trial dan error konstanta kendali Kp,Ti,Td masing masing sebesar Kp=5.Ki= 0.56 Kd= 0.03 dengan error steady state 1 volt. Effisiensi yang didapat dari buck-boost dengan kontrol PI adalah 9,5%. Effisiensi buck-boost yang didapat dari sistem kontrol PID adalah 8,7 Kata kunci Buck-Boost Converter, Error steady state, PID, Trial and error I.PENDAHULUAN Kebutuhan energi listrik merupakan hal yang sangat penting untuk menunjang kehidupan manusia khususnya negara Indonesia, dengan meningkatnya jumlah penduduk maka energi listrik yang dibutuhkan akan semakin meningkat,namun ketersediaan energi listrik semakin menipis. Salah satu solusi alternatif untuk mengantisipasi dampak krisis energi listrik adalah dengan memanfaatkan energi matahari. Melalui sel surya maka energi matahari dapat di rubah secara langsung menjadi energi listik dalam bentuk tegangan /arus (DC). Sel surya merupakan sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan,biaya perawatan yang rendah serta tidak menghasilkan noise. Namun kemampuan panel surya untuk menghasilkan daya sangat tergantung oleh perubahan intensitas cahaya yang di terima oleh sel surya. Terdapat banyak metode untuk memaksimalkan penggunaan panel surya namun terdapat suatu rangkaian elektronika yang paling terpenting dalam memaksimalkan panel surya tersebut yaitu sebuah rangakain converter yang berupa buck-boost converter. Buck-boost converter adalah suatu rangkaian elektronika yang dapat menaikkan dan menurunkan nilai tegangan keluaran, nilai tegangan tersebut dapat diatur dengan merubah niali duty cycle. Pada rangkaian buck-boost converter terdapat beberapa komponen pendukung yaitu induktor,kapasitor,mosfet dan resistor,komponen utama pada rangkaian ini adalah sebuah induktor yang berfungsi sebagai penyimpan energi listrik yang akan disalurkan ke beban. Tegangan pada beban tersebut adalah hasil dari energi yang tersimpan pada induktor ditambah dengan tegangan input. Dengan penelitian ini, diharapkan dapat mengetahui bagaimana merancang buck-boost converter dengan menggunakan control PI dan PID serta dapat mengetahui efesiensi dari buck-boost converter yang telah dirancang yang nantinya akan di sambungkan dengan panel surya. Oleh karena itu dalam tugas akhir ini dilakukan perancangan buckboost converter dengan metode kontrol PI dan PID berbasis mikrikontroler atmega 8535 yang di harapkan memiliki efesiensi yang lebih baik. II. METODOLOGI PENELITIAN perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Ini terdiri dari minimum sistem mikrokontroler atmega 8535, sensor arus ACS712, sensor tegangan serta rangkaian buckboost converter. Diagram keseluruhan sistem buck-boost converter dapat dilihat dibawah ini. Panel Surya PWM Gambar.1. Blok Diagram Sistem Buck-Boost Converter Algoritma Kontrol PI dan PID Sensor I & V ADC B a t e r a

2 2 Pada gambar diagram blok diatas buck-boost converter menerima tegangan masukan dan arus dari panel surya,kemudian mengubahnya ketegangan lebih besar atau lebih kecil dan hasilnya di alirkan ke beban yaitu baterai, agar tegangan yang di berikan pada batrai dapat benilai tetap yatiu sesuai setpoint yang diinginkan maka keluaran dari buck-boost converter di umpanbalik ke pengendali yang berupa mikrokontroler yang telah di tanam program pengendalian control metode PI dan PID. Pada panel surya ini, tegangan dan arus yang dihasilkan sangat berpengaruh pada intensitas cahaya matahari. Hal ini juga sangat berpengaruh terutama pada arus yang dihasilkan oleh panel surya. Maka dari itu, karena keterbatasan arus yang dihasilkan oleh panel surya, maka arus pengisian pada batrai pun tidak bisa maksimal. Spesifikasi Panel Surya yang digunakan Spesifikasi PV yang dipakai menggunakan dua buah PV yang berlainan tipe yaitu adalah sebagai berikut: Tabel 1. Tipe Pertama Panel Surya Modul Type : HBM (50)8454p Peak Power (Pmp) 50 W Maksimum Power Current (Imp) 2,92 A Maksimum Power Voltage (Vmp) 17,1 V Short-Circuit Current (Isc) 3,36 A Open-Circuit Voltage (Voc) 21.2 V Maximum system Voltage 750 V Tabel 2. Tipe Kedua Panel Surya Modul Type : ASE-50-DGF Peak Power (Pmp) 53 W Maksimum Power Current (Imp) 2,98 A Maksimum Power Voltage (Vmp) 17,8 V Short-Circuit Current (Isc) 3,2 A Open-Circuit Voltage (Voc) 21.2 V Komponen Hadware Buck-Boost Converter Perancangan perangkat keras ini di bagi menjadi beberapa sub bagian, yang pertama adalah perancangan minimum sistem ATMega 8535, rangkaian catu daya,penampil LCD, sensor tegangan, sensor arus, sensor, buck-boost converter. Perancangan Sistem Buck Boost Converter Rangkaian daya yang digunakan adalah rangakain DC-DC convereter jenis buck-boost converter. Rangkaian ini memerlukan rangkaian pendukung lainnya sebagai rangkaian penyulutnya. Rangkaian yang dimaksud yaitu rangkaian driver. Perencanaan dan pembuatan rangakain buck-boost converter secara lengkap ditunjukkan pada gambar 2 sebagai berikut Gambar 2. Rangkaian Buck-Boost Converter Pada gambar diatas merupakan rangkaian dasar buckboost converter dengan PWM untuk menyulut IGBT buckboost converter. PWM untuk penyulutan buck-boost converter merupakan deretan pulsa-pulsa kotak yang dihasilkan dari perbandingan tegangan DC yang merupakan keluaran dari kontroler dengan sinyal gigi gergaji yang dibangkitkan mikrokontroler. Dalam perancangan sistem nilai parameter suatu komponen harus ditetapkan agar keseluruhan sistem berjalan dengan baik. Tegangan input (Vin) = 34.9 Volt Tegangan output (Vout) = 28 Volt Ripple tegangan = 0,1% Arus output (Iout) = 2,9 Ampere Frekuensi switching = 40 khz Penentuan nilai duty cycle = (1) = 28(1-D) = 10D 28-28D = 10D 28 = 10D+28D 28 = 38D D = 28/38 D = 0,74 Penetuan nilai resistor R = (2) R = R = 9,655 Ω Penentuan nilai induktor Lmin = x R (3) Lmin = ((1-0,74) 2 /2x31372,6)x 9,655 Lmin = 0,653/62745,2 Lmin = 1,041 x 10-5 atau µh Arus induktor IL= I 0ut (vin+vo+v f /V in ) IL= 2 ( ,5 /34,9) IL= 3.63 A Penentuan nilai kapasitor Vo = (4) C = C = 2,28016 x 10-3 atau 2280,16 µf Perhitungan Desain Induktor Dari hasil perhitungan induktor buck-boost comverter diatas dapat di ketahui bahwa L= 23.7 dan Arus inductor =3.63A core yang di gunakan adalah toroid AC=3,14, diameter 2cm maka lilitan nya N= (23.7x 3.63/0.25x3.14) 10 4 = 39 (5) III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Panel Surya Pengujian panel surya ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik tegangan output dari panel surya berdasarkan waktu. panel surya adalah salah satu sumber energi alternatif yang dapat mengkonversi cahaya matahari

3 3 menjadi energi listrik. Panel surya yang digunakan pada sistem ini adalah 2 buah panel surya 50 WP yang dipasang secara seri, sehingga tegangan yang di hasilkan dapat mencapai 34,9 volt dengan arus maksimal 2,9 A.Data hasil pengujian panel surya berdasarkan waktu pengujian dapat dilihat pada tabel 3 Tabel 3. Data Hasil Pengukuran Tegangan Output Panel Surya Berdasarkan Waktu Pengujian Waktu (WIB/Jam) Nilai Tegangan solar sell Irradiance W/m , , , , , , , , , , , , , , , , , Pengujian Buck-Boost Converter Pengujian rangkaian ini untuk mengetahui tegangan dan arus yang mampu dihasilkan dari buck-boost pada pengujian buck-boost converter di beri tegangan masukan DC 20 volt dengan disisi keluaran rangkaian di beri beban batrai 28 volt 3A serta frekuensi switching 40 khz. Dengan merubah besarnya dutycycle akan menghasilkan teganan dan arus keluaran buck-boost converter yang berbeda-beda seiring dengan perubahan dutycyle tersebut.hasil pengujian rangkaian buck-boost converter dapat dilihat pada tabel 4 hasil pengujian. Tabel 4. Tabel pengujian buck-boost converter dutycycle Vin(Volt) Vout iout 20 % 20. 8, % % % % % Dari data pengujian converter fungsi buck- boost diatas dapat di keteahui bahwa converter dapat berfungsi dan dapat menaikkan dan menurunkan teganan output. Dengan diberi nilai imasukan 20 V buck-boost converter output minimal sebesar 8,4 dengan memberikan dutycycle sebesar 20% dan tegangan maksimal buckboost converter dengan dutycycle 70% sebesar 41,7.ketika pada kondisi dutycycle 70% inductor mengalami saturasi dan bergetar sehingga mulai timbul bunyi pada inductor, hal ini juga menyebabkan tegangan dan arus keluaran buck-boost converter ini tidak stabil Pengujian Sistem Open Loop Pengujian dengan sistem open loop ini input tegangan converter di berikan sebesar 20 V dengan dengan beban batrei sebesar 24 Volt 3A volt. Pengujian ini dilakukan dengan memberikan dutycyle 55% seuai dengan keluaran refrensi keluaran sebesar hal ini di karenakan agar batrai tidak mengalami kerusakan pada saat pengujian apabila melebihi tegangan, hasil pengujian dapat dilihat pada grafik di bawah ini. Tabel 5. Pengujian sistem open Loop Vin Beban Ouput Dutycycle = 55 % Nb : beban 0 = belum di beri beban 1 = sudah di beri beban Dari data hasil pengujian diatas dapat diketahui bahwa pada saat buck-boost converter diberi input tegangan 20 Volt dengan dutycyle 55% tegangan output buck-boost stabil dengan rata-rata sebesar 27 Volt namun ketika buckboost converter disambung dengan beban batrai 24 V dan arus 3A, tegangan output buck-boost converter turun ke ratarata tegangan 23 V, hal ini di karenakan buck-boost terdiri dari induktor yang terdapat kumparan dan memiliki induktansi sehingga saat disambung dengan beban penguat medan induktor buck-boost converter akan turun. Pengujian Buck-Boost Converter dengan PI dan PID Pengujian buck-boost converter pada panel surya adalah dengan menggunakan metodologi control PI,dan PID dan rangkaian buck-boost converter yang dapat menaikkan dan menurunkan tegangan. pengujian ini dilakukan dengan sistem tertutup (close Loop) dengan menggabungkan semua bagian-bagian blok diagram yang telah di uji menjadi satu rangkaian keseluruhan yang meliputi sensor arus,sensor tegangan, auptocopler,mikrokontroler dan LCD. Untuk nilai Kp,Ki,Kd yang telah di dapat dari metode analitik tidak tepat bila diterapkan pada kontroler, oleh karena itu perlu dilakukan proses tuning untuk mencari parameter kontroler sampai respon sesuai dengan yang diharapkan dengan menggunakan metode trial and error, setelah melihat respon sistem maka diperoleh nilai parameter Kp,Ki,Kd yang baik untuk digunakan. Berikut adalah nilai Kp=5.Ki= 0.56 Kd= 0.03

4 4 Pengujian Buck-Boost converter Metode Kontrol PI Pengujian buck-boost converter ini menggunakan beban batrei 24 volt dengan arus 3 A dimana output dari converter yaitu konstan sesuai setpoint yang di inginkan, tegangan masukan dari panel surya sangat tergantung dengan iradiasi matahari dan converter ini hanya dapat menaikkan dan menurunkan tegangan dari Tabel 6. Pengujian MPPT dengan Kontrol PI Close Loop Vin Vref (set point) Output Aru s (A) Irradia tion (w/m 2 ) Daya (Watt) Dari pengujian diatas dapat diketahui bahwa bahwa dengan tegangan input solar sell yang berubah-ubah yaitu antara V MPPT dengan buck-boost converter kontrol PI, tegangan Output dapat mendekati setpoint dengan error pertama yaitu 6 % kemudian turun mendekati setpoint sebesar 29 volt, Output dari converter ini tetap berada di tegangan antara volt. V kemudian turun mendekati setpoint sebesar 29 volt, Output dari converter ini tetap berada di tegangan antara volt. Pengujian Buck-Boost converter Metode kontrol PID Pada pengujian MPPT panel surya dengan buck-boost converter menggunakan control PID respon control sangaat baik.output converter dapat mencapai setpoint dengan cepat walaupun masih terdapat sedikit osilasi.control PID dapat menjaga tegangan diposisi setpoint meskipun menggunakan beban seperti pada pengujian sebelumnya yatiu batrei 24 volt, 2.9 Amper.berikut adalah data pengujian MPPT buck-boost converter dengan control PID. Tabel 7. Pengujian Buck-Boost Converter dengan Kontrol PID Menggunakan Beban Vin Vref (setp Output Arus (A) Irradi ance Daya (Watt) oint) W/m Dari pengujian diatas dapat diketahui bahwa dengan aksi control PID dapat memenuhi criteria yang di inginkan hampir mendekati walaupun masih terdapat osilasi yang tinggi untuk awal pengujian grafik fungsi langkah tergantung pada nilai parameter Kp,Ti,Td.dengan tegangan masukan solar sell yang berubah-ubah yaitu antara V buckboost converter kontrol PID, tegangan Output dapat mendekati setpoint dengan error pertama yaitu 6 % yaitu sebesar 33.3 V kemudia tegangan turun mendekati setpoint sebesar 29 volt, Output dari converter ini tatap berada di tegangan antara volt Gambar 3. Grafik Respon Sistem Tegangan 0utput Buck Boost dengan Kontrol PI Dari pengujian diatas dapat diketahui bahwa bahwa dengan tegangan masukan solar sell yang bervariabel yaitu antara V buck-boost converter kontrol PI, tegangan Output dapat mendekati setpoint dengan error pertama yaitu 6

5 5 Gambar 4. Grafik Respon Sistem Tegangan Output Buck-Boost dengan Kontrol PID Pada grafik 4. merupakan grafik respon sistem pada buckboost dengan control PID, warna merah respon sistem dan warna biru merupakan setpoint. Sedang sumbu-x dan sumbu-y diwakili waktu dan tegangan keluaran. Dari gambar tersebut terlihat bahwa respon dari sistem memili maksimum overshoot 5.33 V,nilai settling time sebesar 5 detik, peak team 1.5 detik,rise time 1 detik dan error steady state 0.7 V. Pada kontrol PID di atas memiliki osilasi yang lama untuk mencapai setpoint dan pada waktu 5.6 detik tegangan output mulai stabil.. Kontrol PID juga menjaga sistem sehingga output tetap berada di sekitar set point meskipun ada perubahan tegangan output maupun perubahan beban Perbandingan Respon Sistem Antara Kontrol PI dan PID Dari hasil pengujian buck-boost converter kontrol PI dan PID yang telah di dapat maka di lakukan perbandingan hasil overshoot, settling time, peak team, rise time, error steady state. Tabel 8. Perbandingan Respon Sistem Kontrol PI dan PID Respon Sistem PI PID overshoot, V settling time 7 detik 5 detik peak team 2.5 detik 1.5 detik rise time 7 detik 1 detik error steady V state. Dari data perbandingan PI dan PID diatas dapat diketahui bahwa kontrol PID memiliki respon lebih baik dibandingkan dengan kontrol PI. Perhitungan Effisiensi Buck-Boost Converter dengan Kontrol PI dan PID Perhitungan nilai effisiensi dari buck-boost converter kontrol PI dan PID diambil data pada saat jam dengan irradiasi 926 W/m 2 dengan output dari buck-boost converter bernilai 29,7 V saat menggunakan kontrol PI dan 28,5 V saat menggunakan kontrol PID. Arus yang dihasilkan adalah 2,2 A saat menggunakan kontrol PI dan 2,1 A saat menggunakan kontrol PID. Kemudian dihitung luas luasan dari dua modul photovoltaic yang digunakan adalah sebagai berikut : Luas = Panjang x Lebar Luasan PV 1 : 0,92 m x 0,40 m = 0,368 m 2 Luasan PV 2 : 0,80 m x 0,47 m = 0,376 m 2 Total luasan PV yang digunakan adalah PV1 + PV2 = 0,744 m 2. Perhitungan Power saat kontrol PI adalah P PI = 29,7 V x 2,2 A = 65,34 W Perhitungan Power saat kontrol PI adalah P PID = 28,5 V x 2,1 A = 59,85 W Perhitungan P out adalah sebagai berikut : P out = irradiasi x total surface area P out = 926 Wm -2 x 0,744 m 2 = 688,94 W Sehingga effisiensi (η) = 100 % x (P PI atau P PID /P out ) Untuk effisiensi (η) kontrol PI adalah (η) = 100 % x (65,34/688,94) = 9,5 % Untuk effisiensi (η) kontrol PID adalah (η) = 100 % x (59,85/688,94) = 8,7% Pengujian Buck-Boost Converter Kontrol PID Pada Satu Panel Surya Pengujian buck-boost converter menggunakan kontrol PID dengan menggunakan satu panel surya, pengujian di mulai dari pukul hingga dengan memanfaatkan irradiation matahari, pengujian juga menggunakan beban batrai 24 volt 3 A tuning PI dengan menggunakan trial dan error dengan nilai Kp = 8,6 dan Ti=1,2 Td=0.4. untuk hasil pengujian dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tabel 9. Pengujian Buck-Boost Converter Kontrol PID Satu Panel Surya Jam Vin Vref(set Vout Iout point) Pada data tabel diatas dapat di ketahui bahwa dengan menggunakan satu panel surya buck-boost converter tidak dapat menaikkan tegangan sampai ke setpoint 28 volt. buckboost converter hanya dapat mencapai batas maksimal 27.6 V dengan tegangan masukan sebesar 17.3 pada pukul hal ini di karenakan buck-boost converter di rancang memiliki batasan minimal dan maksimal untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. IV.KESIMPULAN Dari penelitian dan analisa yang telah dilakukan pada rancang bangun buck-boost converter dengan kontrol PI dan PID maka dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut : Rancangan buck-boost controler dengan setpoint 28,control PI menghasilkan tegangan pada settlimg time 9 detik dengan error 1 V, dan menggunakan control PIID output tegangan buckboost controller berada pada tegangan setting time 6 detik dengan error 6 detik. Effisiensi yang didapat dari buck-boost dengan kontrol PI ini adalah 9,5%. Effisiensi buck-boost yang didapat dari sistem kontrol PID ini adalah 8,7%. Dari kedua kontrol yang dipakai kontrol PID

6 6 merupakan kontrol terbaik dengan nilai maximum overshoot (Mp) dan settling time (Ts) lebih kecil dari kontrol PI walaupun nilai effisiensi dari kontrol PI lebih baik dari pada effisiensi kontrol PID. DAFTAR PUSTAKA [1] Ananaba, Kemjika. Design and Implementation of a Buck Converter. [2] Heryanto, M.Ary&WisnuAdi P PemrogramanBahasa C untukmikrokontroler ATMEGA8535, PenerbitAndi, Yogyakarta. [3] Kazimierczuk,Marian. (2008). Pulse-width Modulated DC-DC Power. [4] Roger, Everett. (2002). Understanding Buck-Boost Power Stages in SwitchMode Power Supplies. Texas Instrument. [5] RusmintoTjaturWidodo, Rugianto, AsmunivdanPurnomoSejati maximum power point tracker selsuryamenggunakanalgoritma perturb and observe Surabaya. PENS-ITS. [6] Steven Trigno, SatyaNimmala, RomeenRao,Power Electronic System Design I,Winter 2010 [8] 27 Mei [9] ATmega8535 Data Sheet, Diakses pada hari Jum at 21 Mei [10] padahari minggu 21 juli 2013 [11] at 21 Mei 2013 Membangun Sinyal PWM pada AVR dengan BASCOM AVR. [12] Rashid, Muhammad H. Power Electronics, Circuit, Devices, and Apllication Prentice Hall [13] Sulasno. Teknik Konversi Energi Listrik dan Sistem Pengaturan.2009