DESAIN DAN IMPLEMENTASI MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) SOLAR PV BERBASIS FUZZY LOGIC MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER AVR

Transkripsi

1 DESAIN DAN IMPLEMENTASI MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) SOLAR PV BERBASIS FUZZY LOGIC MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER AVR Noval Fauzi, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo Jurusan Teknik Elektro-FTI Abstrak: Sistem photovoltaic (PV) pada umumnya digunakan sebagai distributed generating unit, sumber DC yang dihasilkan dari PV di masukkan ke dalam jaring distribusi melalui unit pengkondisi daya. Tetapi daya output PV tidak maksimum bila beban tidak sesuai atau berubah-ubah. Sehingga dengan maximum power point tracker (MPPT) akan meningkatkan efisiensi daya output. Pada riset ini di desain dan implementasi prototipe berupa MPPT dengan metode fuzzy logic. Fuzzy logic digunakan untuk mengontrol boost converter yang selanjutnya akan mengatur tegangan output PV. Fuzzy logic menggunakan daya PV sebagai input dan duty cycle sebagai output, dengan input 11 membership function dan 11 output membership function. Prototipe MPPT yang telah dibuat memiliki rating tegangan 70V dan daya maksimal 130WP dengan syarat cahaya matahari 600W/m 2. Hasil simulasi dan hasil pengujian prototipe menunjukkan bahwa hasil daya output PV dengan MPPT menggunakan metode fuzzy logic mendekati hasil simulasi dengan cahaya matahari 600W/m 2 sehingga prototipe pada tugas akhir ini telah berhasil dibuat. Prototype MPPT ini dapat memaksimalkan daya output rata-rata sebesar 100W. Kata Kunci : photovoltaic (PV), MPPT, fuzzy logic, boost converter. 30Wp, 40Wp, dll tergantung dari berapa besar daya yang diperlukan sesuai dengan kebutuhannya[1]. Dengan metode Maximum Power Point Tracking (MPPT) diharapkan daya output akan selalu pada kondisi maksimal. Metode ini adalah metode yang memanfaatkan sifat penyimpan muatan sebuah induktor. Dengan metodemetode ini diharapkan daya yang dihasilkan selalu pada kondisi maksimal, agar nilai efisiensi solar cell yang rendah dapat dimanfaatkan secara maksimal. II. PEMODELAN PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT A. Pemodelan Sistem Secara umum gambaran sederhana dari sistem kerja desain kontrol MPPT pada boost converter adalah ditunjukkan seperti pada Gambar 1 dibawah ini : I.PENDAHULUAN Dengan meningkatnya kebutuhan akan energi listrik maka dibutuhkan pula sumber energi listrik alternatif selain dari PLN. Sementara itu, banyak pemadaman dilakukan di daerah-daerah secara bergilir. Ini dilakukan karena suplai energi listrik dari PLN sering mencapai beban penuh. Pembangkit listrik yang ada tidak mencukupi walaupun sudah melakukan kerja parallel. Dengan realita tersebut maka pengembangan listrik tenaga surya yang berbasis kepada efek photovoltaic dari piranti solar cell sebagai salah satu sumber tenaga listrik yang murah, bebas polusi, dan alami menjadi suatu pilihan yang tepat. Namun realita yang ada sekarang ini penggunaan solar cell sebagai sumber listrik masih sangat minimum dan belum bisa diandalkan sebagai suatu sumber tenaga alternatif yang dapat menggantikan tenaga listrik. Solar cell dibagi bermacam-macam menurut dayanya antara lain yang dijual di pasaran yaitu 10Wp, 20Wp, Gambar 1. Blok diagram pembangkit listrik tenaga surya Pemodelan system ini bertujuan untuk mempermudah kerja blok diagram rangkaian yang berada pada DC to DC boost converter dengan metode Fuzzy Logic controlled. Pada umumnya gambaran dari prototipe ini dapat dilihat pada gambar 1, yaitu pada pembangkit yang menggunakan solar cell,dimana Bosst converter tersebut berfungsi sebagai memaksimalkan daya solar sell untuk supply inverter Pemodelan Solar Sell (PV) Model panel surya BPSX80 hanya menghasilkan daya sebesar 60 watt dengan tegangan sebesar 17,6 volt saat kondisi maximum point. Oleh karena itu dibutuhkan penyesuaian terhadap panel surya BPSX 80 watt, cara 1

2 penyesuaian dilakukan melalui proses sizing. Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan PVsecara seri sebanyak 4 buah agar mendapatkan daya 135 Watt dan arus sebesar 2,27A pada saat itensitas cahaya 600W/m 2. Pemodelan Fuzzy Logic Controller Cara kerja MPPT dengan fuzzy logic kontroller pada pemodelan ini adalah memaksimalkan daya output dari solar sell. Langkah pertama untuk membuat fuzzy logic kontroller dengan mengetahui karakteristik input dan output yang di harapkan. Setelah itu di buat batas-batas crips untuk membatasi nilai dari membership function. Adapun membership function input dan output pada controller dapat di lihat pada gambar 5 dan Gambar 6. Gambar 2. Pemodelan Solar PV Gambar 5. Input membership function Gambar 3 Grafik Karakteristik P-V dengan Intensitas 600W/ m 2 Pemodelan Boost Converter Perencanaan dan pembuatan rangkaian boost converter secara lengkap ditunjukkan pada Gambar 4 sebagai berikut: Gambar 6. Output membership function Pemodelan Boost Converter Dengan PV dan MPPT (FLC) Setelah mengetahui pemodelan per sistem, maka sistem sistem tersebut digabungkan menjadi satu. Sember atau input Boost Converter dengan solar sell (PV) dan dikontrol menggunakan MPPT dengan metode Fuzzy Logic Controller. Gambar 7 menunujukkan rangkaian Bosst Converter Dengan PV dan MPPT (FLC) Gambar 4 Rangkaian Boost Converter. Pada Gambar 4 merupakan rangkaian dasar boost converter dengan PWM untuk menyulut IGBT boost converter. PWM untuk penyulutan Boost Converter diset poin pada 70 %. Boost converter memperoleh masukan dari baterai 60 Vdc dan didesain untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 200 Volt. Gambar 7 Rangkaian Boost Converter dengan MPPT. B. Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Berikut ini blok diagram system dari keseluruhan perangkat keras, sitem ini mendapatkan sumber input dari solar PV. Yang kemudian daya dari solar PV akan d maksimalkan sesuai daya maksimal dari solar PV tersebut. 2

3 Gambar 8. Blok diagram keseluruhan sistem Boost konverter Telah dijelaskan pada Bab II bahwa Boost Converter adalah untuk mengatur tegangan DC ke DC yang menggunakan MOSFET/IGBT sebagai device switching. Pada Proyek Akhir ini didesain untuk Boost Conventer dengan ketentuan sebagai berikut: Parameter-parameter : a. Tegangan Input (Vin) = 60 V b. Tegangan Output (Vo) = 200 V c. Arus Output (Io) = 5A d. f = 14 khz e. Duty cycle = 70 % f. L = 890 mh g. C 1250 uf Opto coupler dan Totem Pole Rangkaian Optocoupler berfungsi sebagai pemisah rangkaian pembangkit pulsa pada sisi masukan dengan rangkaian keluaran. Sehingga jika terjadi gangguan pada rangkaian keluaran tidak berpengaruh pada rangkaian pembangkit pulsa.pada tugas akhir ini dipilih IC TLP 250, karena IC ini dapat beroprasi pada rekuensi dan arus yang tinggi. Selain itu dalam satu IC terdapat optocoupler dan rangkaian totempole. Voltage Divider Sebagai Sensor Tegangan dan R Seri Sebagai Sensor Arus Voltage divider ini digunakan sebagai sensor tegangan yang dimasukkan ke dalam ADC mikrokontroler. Dari tegangan keluaran PV 60 Volt dibagi menjadi tegangan dengan nilai akhir 2,5Volt DC. Sensor tegangan menggunakan resistor pembagi tegangan dipasang secara paralel antara positif dengan ground. Secara umum rangkaian pembagi tegangan adalah sebagai berikut ini: Gambar 9. Rangkaian sensor tegangan Untuk sensor arus digunakan R Seri sebagai sensor, prinsip dari R seri adalah memanfaatkan resistor dengan nilai yang sangat kecil yang di pasang seri dengan sumber. digunakan R seri sebesar 0,25 ohm. Dalam perhitungan Vin yang digunakan 60 volt beban sebesar 30 ohm, maka arus yang melewati sekitar 2A.dan Vout yang diharapkan adalah 3,4 volt DC, sedangkan tegangan yang terukur pada kaki Reri sebesar 497,8 mv. Jadi dikuatkan sebesar 6x non inverting. Sell Surya Gambar 10. Rangkaian sensor arus Spesifikasi sell surya yang digunakan (sesuai name plate) : Tabel 1. Spesifikasi sell surya OKI type DBF 80 Maximum power Maximum voltage maximum current short circuit current open circuit voltage maximum system voltage 80 WP 17.6 V 4.63 A 5.09 A 21.6 V 800 V Pada nameplate sell surya OKI type DBF 80 daya maksimum yang dihasilkan hanya sekitar 80 WP sehingga untuk mendapatkan daya yang lebih besar di peroleh dengan cara merangkai secara seri 4 buah solar sell. C. Perancangan Perangkat Lunak (Software) Setelah semua hardware terangkai dan terintegrasi serta telah diuji kerjanya, hal terakhir sebelum melakukan pengujian adalah pembuatan software. Dalam hal ini software yang digunakan adalah code vision AVR yang nantinya ditransfer ke mikrokontroler AT MEGA16. Terdapat beberapa modul program dalam pembuatan sistem MPPT (FLC). 3

4 Desain Fuzzy Logic Perancangan perangkat lunak fuzzy secara rinci dapat ditunjukkan oleh Gambar 11 flowchart program fuzzy, yang terdiri dari proses desain fuzzy inference system yang meliputi: a. Desain Fuzzyfikasi. b. Desain Rule base. c. Desain Defuzzyfikasi Tabel 2. Data pengujian solar sell R (ohm) voltage current (I) daya (W) (%) B. Pengujian Rangkaian Sensor Arus dan Tegangan Gambar 11. Flowchart program fuzzy Pengujian pada rangkain sensor arus dan tegangan sangat penting karena pada sistem MPPT ini data input daya diperoleh dari tegangan dan arus input solar sell tentunya untuk dapat di baca oleh ADC pada mikrokontroller harus menggunakan sensor arus dan tegangan. Sehingga untuk dapat menghasilkan PWM yang sesuai dengan desain maka harus dilakukan berkali kali pengujian untuk mendapatkan dan mengetahui karakteristik dari sensor arus dan tegangan. III. PENGUJIAN DAN ANALISA ALAT A. Pengujian Solar Sell (PV) Pengujian yang pertama kali adalah dengan melakukan uji pada solar sell yang di seri sebanyak 4 buah. dalam pengujian ini memakai beban resistor (tahanan geser) antara 10 ohm sampai dengan 100 ohm, tetapi saat pertamakali pengujia di berikan beban 1 ohm. Hal ini di lakukan karena untuk mengetahui Arus maksimal yang mampu di hasilkan oleh solar sell. Pada pengujian ini insentitas cahaya sebesar 600 W/m 2 Gambar 12. Rangkaian solar sell (PV) Dari pengujian solar sell dihasilkan hasil yang variatif, data hasil pengujian dapat dilihat pada table 2 Gambar 13. Rangkaian sensor arus dan tegangan Pada pengujian rangkaian sensor tegangan dan arus ini memakai sumber tegangan DC sebesar 60 V dan beban yang variatif antara 30 ohm sampai 150 ohm. Hasil dari pengujian dari rangkaian ini dapat di lihat pada tabel 3 dan tabel 4. Tabel 3. Data pengujian sensor arus Load Voltage Current output Current (ohm) suplly supply sensor (I)

5 Tabel 4. Data pengujian sensor tegangan load (ohm) C. Pengujian PWM Voltage supply Output voltage Sensor Untuk pengujian PWM ini menggunakan timer dan output PWM pada OCR0 pada Atmega 16, hasil yang di inginkan adalah 14 KHZ. Untuk nantinya PWM akan berubah sesuai input dari ADC D. Pengujian Rangkaian Opto Coupler dan Totem Pole. Gambar 17. sinyal input opto couler dan totem pole Gambar 18. sinyal output opto couler dan totem pole Dari hasil pengujian dapat dilihat sinyal PWM input tidak sama persis dengan sinyal output ini dikarenakan input PWM di salurkan menggunakan opto(led) dan di terima oleh Photo transistor sehingga ada rugi-rugi berupa osilasi pada PWM output. E. Pengujian Boost Converter. Pengujian boost konverter ini sangat penting karena pada rangkaian inilah daya dari solar sell dapat di maksimalkan. Dalam pengujian rangkaian ini memmakai sumber DC (power supply) sebesar 40 V dengan menggunakan beban (Resistor) sebesar 220 ohm 20W. Gambar 14. Rangkaian minimum system Pada pengujian ini input dari ADC di atur oleh potensiometer, sehingga akan diketahui perubahan duty cycle PWM seiring perubahan tegangan dari potensiometr yang dibaca oleh ADC Gambar 15. sinyal PWM OCR0 (simulasi) Gambar 16. sinyal PWM OCR0 Dari hasil simulasi dengan Proteus (ISIS) terlihat bahwa periode dalam satu cycle PWM sebesar 70,50 us sehingga frekuensiny adalah 14,18 KHz. Sedangkan pada hasil pengujian alat terlihat pada oscillscope digital frekuensi PWM sebesar 13,90 KHz. 5 Gambar 19. Rangkaian Boost Converter Data pengujian dari rangkaian boost converter dapat dilihat pada tabel 5. Tabel 5. data pengujian boost converter Load voltage voltage current Duty R 220 ohm input output output (I) cycle (%) Pada data pengujian duty cycle PWM yang di berikan antara 0 sampai dengan 70 %. jika duty cycle yang di berikan lebih dari 75% maka tegangan pada output boost converter akan turun (drop). Sedangkan pada simulasi simulink matlab duty cycle dapat di berikan smapai 90%. Ini karena pada simulasi karakteristik dari boost di anggap

6 ideal, sedangakan pada pengujian (real) hanya sampai 75%. Bila melabihi 75 % maka akan di angap short sirkuit oleh boost converter sehingga tegangan output akan drop karena semua komponen elektronik mempunyai toleransi. Apabila duty cycle dipaksakan terus menerus melebihi 75% maka mosfet akan mengalami pemanasan akibat short sirkuit dan menjadi rusak. F. Pengujian Rangkaian Keseluruhan Pada pengujian kali ini semua alat yang telah dilakukan pengujian sebelumya akan di dijadikan satu sistem. Pada pengujian keseluruhan alat ini solar sell diseri sebanyak 4 buah menjadi sumber daya yang akan di maksimalkan oleh MPPT. Gambar 20.Rangkaian MPPT Setelah menentukan status input, output dan rule fuzzy maka dilakukan pengujian prototipe dengan MPPT fuzzy logic controler (FLC) Adapun data hasil pengujian dengan MPPT (FLC) dapat dilihat pada tabel 7. Tabel 7. data pengujian rangkaian keseluruhan MPPT (FLC) R () input Output V I W V I W (%) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Gambar 21.Grafik daya-beban dengan radiasi 600 W/m 2 Dari hasil pangujian dengan MPPT (FLC) didapatkan hasil output yang cukup berbeda dengan data pengujian manual tanpa MPPT. Dari 18 beban yang berbeda hanya 9 beban yang dapat di maksimalkan lebih dari 100 Watt. Hal ini di karenakan algoritma fuzzy masih belum bisa sempurna selain itu pada proyek akhir ini sensor tegangan dan sensor arus yang di gunakan adalah sensor yang paling sederhana dan komponen sensor arus dan sensor tegangan memiliki toleransi yang cukup besar. Sehingga mengakibatkan daya yang dikiriimkan ke ADC oleh sensor tegangan dan sensor arus tidak bisa sempurna sesuai daya real yang di keluarkan oleh solar sell. Oleh karena itu duty cycle PWM yang bangkitkan oleh fuzzy melalui OCR0 tidak maksimal sesuai algoritma. A. Kesimpulan IV. PENUTUP Setelah melakukan pembuatan perangkat keras (software) dan perangkat keras (hardware) serta pengujian per blok rangkaian dan pengujian seluruh rangkaian maka dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Metode maximum power point tracker (MPPT) sesuai untuk memaksimalkan daya output PV dikarenakan memiliki respon yang cepat terhadap perubahan beban sehingga dapat memaksimalkan daya output PV. Maka dengan MPPT solar sel dapat menjadi input distributed generation unit dengan daya output sekitar 100WP dan tegangan 70 V 2. Hasil simulasi dan hasil pengujian prototipe hampir mendekati sama dalam bentuk daya output PV. Sehingga prototype ini telah sesuai dengan tujuan yang diharapkan. 3. Pada prototipe MPPT ini telah dapat memaksimalkan daya output sebesar 100 WP dengan intensitas cahaya matahari ± 600W/ m 2. 6

7 DAFTAR PUSTAKA [1] Zainal Arifin,Portable Solar Charger., Tugas Akhir, Teknik Elektro Industri, PENS-ITS, [2] Yuen-Haw Chang,Chia-Yu Vhang, A Maximum Power Point of PV System by Scaling Fuzzy Control, paper IMECS 2010, March 17-19,2010,Hongkong. [3] Sri Kusumadewi, Hari Purnomo, Aplikasi Logika Fuzzy Untuk Pendukung Keprtusan, Edisi kedua. Maret 2010, Yokyakarta. [4] Ashari Muchamad, DC to DC Converter, Department of Electrical Engineering Sepuluh Nopember Institute of Technology (ITS) Surabaya [5] Prabowo Gigih, DC-DC Chopper, power electronics dc-dc converters, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. [6] H. Rashid Muhammad, Power Electronics handbook, University of Florida,University of West Florida Joint rogram and Computer Engineering University of West Florida Pensacola, Florida, 2001 RIWAYAT HIDUP PENULIS Penulis lahir di Gresik pada tanggal 30 November 1988 dengan nama Noval Fauzi sebagai anak kedua dari dua bersaudara. Riwayat pendidikan yang pernah ditempuh adalah SD Negeri Tebuwung Gresik, SLTP Negeri 1 Sidayu Gresik dan SMA Negeri 1 Sidayu Gresik. Setelah lulus dari SMA Negeri 1 Sidayu pada tahun 2006, penulis diterima menjadi mahasiswa Jurusan Teknik Elektronika di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS ITS) pada tahun Setelah itu melanjutkan ke Lintas Jalur di Jurusan Teknik Elektro ITS dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Penulis dapat dihubungi di alamat noval09@mhs.ee.its.ac.id 7