DESAIN PENAIK TEGANGAN MENGGUNAKAN KOMBINASI KY DAN BUCK-BOOST CONVERTER PADA SISTEM PHOTOVOLTAIC

Transkripsi

1 DESAIN PENAIK TEGANGAN MENGGUNAKAN KOMBINASI KY DAN BUCK-BOOST CONERTER PADA SISTEM PHOTOOLTAIC Soedibyo 1, Antonius Rajagukguk 1, 1, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolilo, Surabaya (60111), Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Riau Pekanbaru Kampus Panam Riau Daratan Abstract. today's development, needs the use of renewable energy sources (renewable energy) is increasingly important. Because renewable energy can be used as a source of energy, used to generate the primary generating system and energy source supporting the main plant. One of the renewable energy used for the generation system is the energy of the sun using photovoltaic (P). When happen the light intensity change, the resulting DC current out put of P, also fluctuations. Therefore, needed a device of technology capable of raising the voltage if the light intensity decreases, with use DC to DC converters. In this study, designed and implemented the DC to DC converter topologies, hybrid KY and buck-boost converter, that is used to increase the DC voltage generated by the P. The implementation results show the converter can work at different voltage ranges enter and have a voltage conversion ratio reached 7.16 times with 81.18% efficiency at 90% load power. Keywordsi photovoltaic, Hybrid KY and Buck-Boost converters, DC to DC converter. 1. Pendahuluan Energi surya merupakan sumber energi terbarukan yang tidak mencemari lingkungan. Industri panel surya di dunia telah meningkat lebih dari 31 % per tahun lebih bertahan dekade terakhir. Panel surya sebagai sumber terbarukan karena memiliki kelebihan, seperti tidak adanya biaya bahan bakar, sedikit perawatan, tidak ada suara, dan tidak adanya bagian yang bergerak. Namun efisiensi konversi energi aktual modul P agak rendah dan dipengaruhi oleh kondisi cuaca dan beban yang digunakan[1]-[]. Untuk memperoleh keluaran yang efisien diperlukan rangkaian konverter DC-DC. Konverter DC-DC berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan Direct Current (DC), sama halnya dengan trafo yang mengubah tegangan AC tertentu ke tegangan DC yang lebih tinggi atau lebih rendah. Akan tetapi konverter DC-DC mempunyai efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan power supply konvensional karena tidak ada peningkatan ataupun pengurangan daya masukan selama pengkonversian bentuk energi listriknya[3]. Dari macam teknik peningkatan tegangan, dibutuhkan konverter yang memiliki jumlah komponen yang sedikit dan dapat menghasilkan tegangan keluaran tegangan yang lebih tinggi. Oleh karena itu, kombinasi konverter KY dengan B-1 konverter buck-boost adalah konverter yang mempunyai jumlah komponen yang sedikit dan merupakan hasil kombinasi antara konverter KY dengan konverter buck-boost yang menambahkan kopel induktor. Konverter ini dapat menghasilkan perubahan tegangan yang lebih tinggi dari pada converter pada umumnya[4].. Uraian Penelitian.1. Topologi Kombinasi Ky Dan Konverter Buck-Boost Ns Gambar 1.Rangkaian Konverter Kombinasi KY dan Buck-Boost converter. Konverter DC-DC kombinasi KY converter dan Buck-boost converter adalah konverter yang dapat meningkatkan tegangan masukkan DC ke level tegangan D1

2 keluaran yang lebih tinggi. Konverter ini merupakan pengembangan dari konverter KY[4]. Gambar1 merupakan rangkaian dari kombinasi KY converter dan buckboost converter... Mode Operasi..1. Mode upling Sama Dengan Satu Mode 1 Pada saat t0-t1, saklar on dan offditunjukan pada Gambar. Sumber DC in menyalurkan energi ke induktor L dan Lm kemudian ke. c1 v i Ns i NS D1 Ns Gambar. Mode Operasi 1(t0 t1) Dalam waktu yang bersamaan sumber in mengalir ke kapasitor, Induktor LNS, dioda D1, dan saklar. Pada saat yang sama, sumber in, kapasitor, Induktor LNS, dioda D1 terbung seri untuk menyalurkan energi ke induktor, kapasitor, dan beban R. Ketika sumber DC mengalir melalu maka membuat Lm menjadi termagnetisasi dan LNs menjadi terinduksi. Kapasitor melepas energi ke induktor LNs dan Dioda D1 menjadi bias maju. Pada saat yang sama, kapasitor melakukan pengisian sehingga tegangan pada termuati. Dalam waktu yang bersamaan, tegangan melewati menjadi bermuatan negatif karena -, kemudian membuat menjadi termagnetisasi. Model, pada saat t1-t, saklar on dan offditunjukan pada Gambar 3. Sumber DC in menyalurkan energi ke induktor kopel L dan Lm ke kemudian ke, sehingga tegangan pada menjadi c1 dan kembali ke L. Pada saat yang sama tegangan in, induktor Lm dan L, kapasitor terhubung seri untuk menyalurkan energi ke induktor, kapasitor, dan beban R. Karena tegangan seri melewati maka membuat c i B- dioda D1 menjadi terbias mundur dan LNs tidak teraliri tegangan, sehingga membuat tegangan pada menjadi bernilai positif.... Mode upling Tidak Sama Dengan Satu Pada bagian ini kopling koefisien k adalah tidak sama satu, dengan kata lain kebocoran induktor pada couple induktor dimasukkan kedalam perhitungan. L leak c1 v i c1 v i Gambar 3. Mode Operasi (t1 t) Ns i NS D1 Gambar 4. Mode 1 Operasi 1(t0 t1) Ns Ns Mode 1 pada saat t0-t1, saklar on dan off ditunjukan pada Gambar 4. Sumber DC in menyalurkan energi ke induktor L, Llk dan Lm kemudian ke. Dalam waktu yang bersamaan sumber in mengalir ke kapasitor, Induktor LNS, dioda D1, dan saklar. Pada saat yang sama, sumber in, kapasitor, Induktor LNs, dioda D1 terbung seri untuk menyalurkan energi ke induktor, kapasitor, dan beban R. Ketika sumber DC mengalir melalu dan Llk maka membuat Lm dan Llk menjadi termagnetisasi dan LNs menjadi terinduksi. Kapasitor melepas energi ke induktor LNs dan Dioda D1 menjadi bias maju. Pada saat yang sama, kapasitor melakukan pengisian sehingga tegangan pada termuati. Dalam waktu yang bersamaan, tegangan melewati menjadi bermuatan negatif karena -, kemudian membuat menjadi termagnetisasi. Mode, pada saat t1-t, saklar on dan offditunjukan pada Gambar 5. Sumber Ns i NS D1 c c i i

3 DC in menyalurkan energi ke induktor kopel L, Llk dan Lm ke kemudian ke, sehingga tegangan Llk dan Lm mengirimkan ke menjadi dan kembali ke L. Pada saat yang sama tegangan in, induktor Lm, Llk dan L, kapasitor terhubung seri untuk menyalurkan energi ke induktor, kapasitor, dan beban R. Karena tegangan seri melewati maka membuat dioda D1 menjadi terbias mundur dan LNs tidak teraliri tegangan, sehingga membuat tegangan pada menjadi bernilai positif..3. Analisis Persamaan Rasio Konverter Induktor kopel dimodelkan sebagai transformator ideal dengan induktor magnetisas dan induktor bocor Llk disisi primer, perbandingan belitan (N) dan kopling koefisien dari induktor kopel didefinisikan sebagai N = N s (1) N p L lk + = L p () Dimana n1 dan n adalah jumlah belitan k = L leak c1 v i Gambar 5. Mode Operasi (t 1 t ) primer dan sekunder induktor kopel. Pada gambar 4, saklar off dan on, Sumber DC in menyalurkan energi ke induktor L dan Lm kemudian ke. Sehingga membuat terinduksi dan persamaan tegangan yang melewati dan Ns dapat di tulis sebagai = L M ( N ) N i = k (3) 1 Ns = N s = k N i N s (4) p N p Pada saat yang sama tegangan pada kapasitor dan dapat di tulis dengan persamaan sebagai = + + Ns = + + k N s (5) N P = o (6) Ns Ns i NS D1 c i B-3 Pada mode I, Gambar 3 saklar on dan off, tegangan yang melewati induktor dan kapasitor dapat ditulis sebagai = k (7) = + + o (8) Dengan mengaplikasikan prinsip induktor volt-second balance pada kedua induktor Lm dan Llk pada satu periode pensaklaran didapat persamaan sebagai DTs 0 Lm(on) dt + T DTs Lm(0ff) DT kin + (1-D)T Lm(off ) = dt = 0 (9) = 0 (10) D 1 D (11) Dengan mengaplikasikan prinsip yang sama pada induktor didapatkan persamaan sebagai DTs 0 (on) dt + T DTs (0ff) dt = 0 (1) ( o ) D + ( + + o ) (1 D) = 0 (13) Kemudian dilakukan substitusi persamaan (5) dan (11) ke persamaan (13) maka diperoleh M = o = D 1 D + k N s N P (14) Induktor magnetisas memiliki nilai yang jauh lebih besar dibandingkan dengan nilai Llk, sehingga nilai k mendekati 1. Dengan menganggap bahwa nilai k sama dengan 1 (induktor kopel ideal), maka persamaan (14) dapat ditulis menjadi : M = o = D 1 D + N s N P (15) Nilai induktor magnetisas dan induktor output dapat ditentukan dengan menggunakan asumsi yang telah ditentukan, yaitu semua komponen dianggap ideal.

4 Gambar 6. Rangkaian Equevalen Kopel Induktor Dengan asumsi hukum kirchoff dalam rangkaian Gambar 6, maka I in = I Lm + I NP (16) I Lm = I i I NP (17) I = N s I N Ns (18) P = o (19) R o Dan dengan asumsi besar daya input sama dengan besar daya output, maka P in = P out (0) I i = o (1) R o Dan substitusikan persamaan (15) ke dalam persamaan (1) diperoleh I i = ( D + N s ) o () 1 D N p R o Substitusi persamaan () ke persamaan (17) diperoleh I Lm = I i I NP (3) I Lm = D I 1 D o (4) Nilai maksimum dan minimum arus induktor Lm dapat ditentukan dengan menggunakan nilai rata-rata dan nilai perubahan arusnya, sehingga di peroleh. I Lm,max = I Lm + I Lm I Lm,min = I Lm I Lm Dimana : L = L di dt Ii I Lm I I Ns Lm Ns (5) (6) (7) I Lm = DT s (8) Sehingga, setelah dilakukan substitusi persamaan (4) dan (8) ke persamaan (5) dan (6), maka diperoleh I Lm,max = D 1 D + DT s (9) I Lm,min = D I 1 D o DT s (30) Syarat konverter beropersai secara ntiunous nduction Mode (CCM) adalah arus induktornya harus selalu lebih dari nol. Sehingga, berdasarkan persamaan (30), nilai induktor Lm minimal agar konverter bekerja secara CCM adalah 0 < I Lm,min (31) > DT s ( D 1 D ) (3) Dengan menggunakan prinsip hukum kirchoff, maka nilai induktor magnetisasi dapat ditentukan dari gambar 6 sebagai I Ns = = I = o R o (33) Sehingga nilai maksimum dan minimum arus induktor Lm dapat ditentukan dengan menggunakan nilai rata-rata dan nilai perubahan arusnya. I,max = I + I I,min = I I Dimana L = L di dt (34) (35) (36) I = L o DT s (37) Dengan substitusikan (19), (1), () kedalam persamaan (37), maka diperoleh I = DT s L o = (+ + o ) (1 D)Ts L o (38) Sehingga, setelah dilakukan substitusi persamaan (33) dan (38) ke persamaan (34) dan (35), maka diperoleh I,max = o + DT s R o L o (39) I,min = o DT s R o L o (40) Syarat konverter beropersai secara ntiunous nduction Mode (CCM) adalah arus induktornya harus selalu lebih dari nol. Sehingga, berdasarkan persamaan (40), nilai induktor minimal agar konverter bekerja secara CCM adalah 0 < I,min (41) L o > DT s I (4) Sedangkan untuk mendapatkan persamaan pada kapasitor dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (43); C 1 i t = (I i,rated,rated ) (1 D)T s (43) B-4

5 Kapasitor dapat diperleh dengan menggunakan persamaan (44); C i t = I,rated (1 D)T s (44) Dan kapasitor C3 dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (45) dan (46) : ESR = o i i (45) C 0 65μ ESR (46) 3. Desain, Simulasi Dan Implementasi 3.1. Desain Desain konverter dilakukan untuk mementukan parameter rangkaian dengan menghitung sehingga mempermudah proses implementasi pada penelitian yang akan dilakukan. Tabel 1. Merupakan parameter awal yang digunakan sebagai acuan dalam proses perancangan konverter. Penentuan Rasio Konversi dan Duty Cyclemenggunakan persamaan (15), besar rasio konversi (M) dan duty cycle (D) yang dibutuhkan konverter untuk menaikkan tegangan dengan kopling koefisien = 1, diperoleh M=30/30 = 10,66 dan D= 0.7. Pada saat tegangan masukkan maksimum (in= 35 ), besar rasio konversi M=9,14 dan duty cyclekonverter D= Kemudian sesuai dengan spesifikasi alat yang akan dibuat pada Tabel 1, maka besar beban R akan digunakan adalah sebagai out R out,max = = 30 P out,max 100 = 104 Ω Konverter ini bekerja dengan mode CCM (ntinous nduction Mode). Sehingga perlu diketahui nilai batas minimum arus yang mengalir pada induktor Llk dan Lm kontinus: R out,min = 30 = 1040 Ω, 10 I Lm,min = = A Setelah memperoleh nilai arus Lm minimum, maka nila diperoleh dari : DT s DT s μ = = I Lm,min = 755 μh Pada perancangan untuk menentukan nilai induktor berdasarkan persamaan (4) dengan ripple arus maksimum di tetukan sebesar 0%, sehingga diperoleh nilai : L o mh Nilai kapasitor dihitung menggunakan persamaan (43). Dimana ripple tegangan ditentukan sebesar 1% sehingga diperoleh nilai sebagai berikut : = = Untuk mencari nilai kapasitansi dari, maka dapat diperoleh: ( )(1 0.7)10μ C 1 = μf Nilai kapasitor dihitung menggunakan persamaan (44). Dimana ripple tegangan ditentukan sebesar 0.1% sehingga diperoleh nilai sebagai = = lt Untuk mencari nilai kapasitansi dari, maka dapat diperoleh: C Tabel 1. Spesifikasi Awal Perancangan Konverter Parameter 0.315(1 0.7)10μ = μF Nilai kapasitor filter dihitung menggunakan persamaan (46) dan persamaan (47). Dimana ripple tegangan ditentukan sebesar 0.1% sehingga diperoleh nilai sebagai ESR o =,56 Ω 0% I,rated 0% C 3 65μ,56 5,39μF Nilai Besaran Tegangan Masukkan (n) lt Tegangan Keluaran ( o) 30 lt Frekuensi Pensaklaran (fs) 100 khz Daya Masukkan (P in) 100 Watt Daya Keluaran, Max (P o, max) 100Watt Daya Keluaran, Min (P o, min) 10 Watt Perbandingan Belitan 1 : 6 Riak Tegangan C 1 ( C 1) 1 % Riak Tegangan C ( C ) 0.1 % Riak Tegangan C o ( C o) 0.1 % Ripple Arus L o ( L o) 0 % Karena nilai kapasitor tidak tersedia dipasaran maka untuk mempermudah simulasi dan implementasi digunakan nilai kapasitor yang tersedia dipasaran dan dipilih nilai sedikit lebih besar dibanding hasil perhitungan yaitu= μf/160v, = 10 μf /50v, C3= 33 μf /450v. Dalam perancangan kopel induktor, langkah yang dilakukan adalah menghitung arus yang akan melalui kopel induktor dihitung melalui persamaan dibawah. I in = P in = 100 n 30 = 3.33 A Pengukuran induktansi bocor dilakukan dengan cara melakukan mengubungkan singkatkan belitan sekunder [6].Setelah dilakukan pengulungan dan pengukuran kebocoran induktasi pada kopel induktor tahap selanjutnya melakukan perhitungan B-5

6 nilai induktasi magnetisasi dengan data hasil pembuatan kopel induktor. L11 = 1053, μh N1 = 1 L = 7730 μh N = 6 Lleak1 = 8,036 μh = N 1 N (L 11 L ) (L leak1 L ) = 897,55 μh 3.. Implementasi Implementasi dilakukan untuk mengetahui kinerja dari konverterdc-dc kombinasi konverter KY dengan konverter Buck-Boost berdasarkan desain dan simulasi yang telah dilakukan. Tabel. Kapasitas Komponen Implementasi Komponen Nilai Besaran Unit Trafo Frekuensi tinggi Magnetisasi Induktor Kebocoran Induktor L lkg 897,55 μh 1 8,036 μh Output induktor L o mh 1 Kapasitor C 1 /160v μf 1 Charger kapasitor C 10/50v μf 1 Ouput kapasitor C 3 33/450v μf 1 Saklar S 1 dan S IRFP460 0A/500 Diode MUR / 15A/ Ultra fast recovery 1 Kendali Pensaklaran Mikrokontroler Arduino Uno 1 FOD318 00kHz Sesuai Sesuai dengan komponen pada Table. Gambar 4 menunjukkan hasil implementasi penelitain dari kombinasi konverter KY dan konverter buck-boost. Gambar 7. Implementasi konverter kombinasi KY dan Buck-Boost konverter 4. Pengujian 4.1. Pengujian Bentuk Gelombang Pensaklaran Pengujian sinyal PWM dan pensaklaran bertujuan untuk mengetahui sinyal pensaklaran yang telah dibuat sudah sesuai dengan peracangan dan simulasi. Gambar 9 menunjukan pengujian sinyal pensaklaran yang dilakukan mengunakan dutycycle 50%, sehingga besar periode gelombang PWM dan pensaklaran konverter adalah 10us. 4.. Pengujian Arus Induktor dan Tegangan Kapasitor Dari gambar 9dapat diketahui bahwa dapat bekerja C-CCM. Besar arus yang mengalir pada implementasi induktor sisi primer I+IL = 5,0 A, arus sisi sekunder IL Ns =,7A, sedangkan arus indukor L o = 1,4A. Nilai arus saat implemetasi lebih besar dibandingkan dengan simulasi hal ini terjadi karena setiap komponen yang digunakan memiliki efek ketidak idealan. Besar arus hasil simulasi adalah induktor sisi primer I+IL = 4,8A, arus sisi sekunder IL Ns = 0,78A, sedangkan arus indukor L o = 0,089A. 10us Gs1 Gs ILm+I INs I 4,1us 5,0 us Lm(on) = 35 Lm(off) = 30 ILNs=,7 A ILm= 1,4 A gs1= 11, gs= 11,1 ILm= 5,0 A Gambar 8. Bentuk Gelombang Arus Induktor dan Tegangan pada Induktor 4.3. Pengujian Rasio Konversi Rasio konversi dilakukan untuk mengetahui kemampuan konverter dalam menaikkan tegangan masukkan ke tegangan yang lebih tinggi sering dengan meningkatnya perubahan dutycycle. Dengan memberikan tegangan kostan 30 dengan beban yang digunakan adalah resistor sebesar 1057 Ω. Kemudian duty cycle dinaikkan dari 5% sampai 50%. Dutycycle hanya dinaikkan sampai 50% karena ketika lebih dari 50% kopel induktor saturasi. Hal ini terjadi disebabkan kemampuan bahan ferrite yang digunakan sudah tidak mampu lagi untuk menahan arus yang melewati kawat sehingga membuat terjadinya saturasi pada trafo ferrite. Gambar 9. Grafik Rasio Konversi Tegangan Terhadap Dutycycle B-6

7 Effisienesi (%) Prosiding SENTIA 016 Politeknik Negeri Malang lume 8 ISSN: Dari Gambar 9, bahwa hasil perhitungan dan implementasi terjadi perbedaan ini dikarenakan adanya drop tegangan pada kebocoran induktansi yang mana nilainya dipengaruhi oleh dutycycle. Jika dutycycle kecil maka nilai drop tegangan pada sisi kebocoran induktansi besar. Sedangkan ketika dutycycle semakin tinggi maka drop tegangan disisi kebocoran induktansi perlahan berkurang Pengujian Efisiensi Pengujian efisiensi dilakukan dengan menjaga tegangan masukkan dan tegangan keluaran konverter konstan. Sedangan beban diubah-ubah sehingga dihasilkan daya keluaran yang berbeda. Dari gambar 10, dapat diketahui bahwa efisiensi pada daya 70 watt pada tegangan masukkan 30 bernilai lebih dari 80%. Seiring dengan penurunan daya keluaran konverter, efisiensi juga semakin menurun. Dari pengujian yang dilakukan efisiensi maksimum terdapat pada beban 70% sampai 90% Pengujian Respon kontrol Tegangan Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah kontrol close loop yang telah di buat dapat bekerja dengan baik pada konverter yang telah diimplementasikan. Pengendalian kontrol close loop menggunakan kontrol PI (Proporsional Integral) untuk mengetahui respon tegangan keluaran dari control dutycycle terhadap perubahan tegangan masukkan yang berubah. Pada pengaplikasian kontrol PI menggunaan metode trial and error untuk memperoleh respon yang baik. ut in 0 10 Gambar 10. Grafik Efisiensi konverter Daya Beban (%) Dari Gambar 11 menunjukkan tegangan keluaran tetap stabil walaupun tegangan masukkan berubah. Dari hasil simulasi dan implementasi, berdasarkan gambar gelombang tegangan keluaran bahwa kombinasi KY converter dan Buck-Boost converter didapatkan rasio konversi sebesar 15 berbanding 30 atau ekivalen dengan 7,16 kali Pengujian dengan Modul Fotovoltaik Pengujian dilakukan mulai pagi hari jam sampai sore hari jam dimana sinar matahari masih cukup menghasilkan energi listrik yang diperlukan. Pengujian dilakukan menggunakan beban tahanan resistor 163Ω sehingga daya yang dihasilkan ± 36,59 watt ketika besar tegangan keluaran 15 volt. 5. Kesimpulan Dari hasil simulasi dan implementasi, dapat disimpulkan bahwa implementasi kombinasi KY converter dan Buck-Boost converter didapatkan rasio konversi hingga 7,16 kali. Respon waktu pensaklaran pada konverter sangat cepat untuk mencapai kondisi steady state sebesar 0,1s. dengan konverter memiliki efisiensi hingga 81,18% saat daya 90%. Tegangan keluaran dapat dijaga konstan saat tegangan masukkan dari photovoltaic berubahubah. DAFTAR PUSTAKA [1] Yongchang, Yu, dan Yao Chaunan, Implementasi Of A MPPT ntroller Based On AR Meega16 for Photovoltaic Systems. ELSIIER, 01. [] Oshaba, A.S, dkk. MPPT ntrol Design Of P System Supplied SRM Using BAT Search Algorithm. ELSEIER, Sustainable Energy, Grid and Networks (015) [3] Ashari, Mochammad, Sistem Konverter DC, Desain Rangkaian Elektronika Daya. ITS Press. 01. [4] Hwu, K.I, dan W. Z. Jiang, ltage Gain Enhancement for a Step-Up Konverter constructed by KY and Buck-Boost Konverter. IEEE Transaction on Industrial Electronic, l. 61, No. 04, April 014. [5] Erickson, R. W., dan Maksimovic, D., Fundamentals of Power Electronics Second Edition, Kluwer Academic Publishers, New York, 004. Hesterman, Bryce. Analysis and modeling of Magnetic oupling. Denver Chapter, IEEE Power Electronics Socienty. lorado Gambar 11. Gelombang tegangan keluaran B-7