DESAIN DAN IMPLEMENTASI MULTI-INPUT KONVERTER DC-DC PADA SISTEM TENAGA LISTRIK HIBRIDA PV/WIND

DESAIN DAN IMPLEMENTASI MULTI-INPUT KONVERTER DC-DC PADA SISTEM TENAGA LISTRIK HIBRIDA PV/WIND Yahya Dzulqarnain, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng., Dedet Chandra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D. Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak Aplikasi sistem tenaga listrik menggunakan energi surya (photovoltaic) maupun energi angin (wind turbine) telah meningkat secara signifikan karena pertumbuhan berbagai teknik dalam elektronika daya yang sangat cepat. Pada umumnya, energi surya dan energi angin saling melengkapi karena jumlah energi surya yang melimpah pada saat cuaca cerah atau siang hari dan biasanya angin berhembus kencang pada cuaca mendung atau malam hari. Pada tugas akhir ini dirangcang sebuah konverter DC-DC multi-input untuk sistem hibrida PV/Wind. Tujuan dari tugas akhir ini untuk menghasilkan daya yang stabil yang mampu menyuplai DC Bus dari daya masukan sistem hibrida PV/Wind. Konverter DC-DC multiinput membutuhkan sebuah pengaturan untuk proses switching tegangan masukan. Pengaturan ini dilakukan dengan mengubah duty cycle pada pulsa PWM yang digunakan untuk kontrol switching tersebut. Dengan demikian diharapkan sistem hibrida PV/Wind dapat mengalirkan daya baik pada saat sumber energi bekerja bersamasama maupun saat bekerja secara terpisah. Kata kunci: Multi-input DC-DC converter, hybrid power system, photovoltaic, wind turbine, buck converter, buck-boost converter. I. PENDAHULUAN Pemanfaatan sumber energi terbarukan seperti energi surya atau energi angin semakin meningkat secara signifikan. Ketersediaan energi surya dan energi angin bergantung pada waktu, cuaca dan musim. Pada umumnya, energi surya dan energi angin saling melengkapi, jumlah energi surya yang melimpah pada saat cuaca cerah atau siang hari dan energi angin bertambah pada saat cuaca mendung atau malam hari. Seiring dengan perkembangan teknologi elektronika daya yang cepat, konversi sumber energi terbarukan menjadi energi listrik memegang peranan penting untuk mencapai hasil yang optimal. Dengan melihat karakteristik umum energi surya dan energi angin, kedua macam energi ini dapat dipadukan menggunakan teknik hibrida sehingga diharapkan dapat menyuplai tenaga secara kontinyu dibandingkan jika energi-energi ini digunakan secara terpisah. Teknik hibrida diantaranya digunakan untuk menggabungkan beberapa jenis pembangkit listrik baik antara pembangkit listrik yang tidak dapat diperbarui dengan pembangkit listrik yang dapat diperbarui maupun antar pembangkit listrik yang dapat diperbarui. Teknik ini menggunakan pengendali untuk mengoptimalkan pemanfaatan masing-masing sumber energi dan pada umumnya menggunakan baterai sebagai penyimpan energi sementara. Konversi energi surya dan energi angin menjadi energi listrik menggunakan teknik hibrida dapat menggunakan dua konverter untuk masing-masing sumber energi ataupun satu konverter yang terintegrasi dengan dua macam sumber energi sebagai masukan. Pengendalian sistem konversi energi dengan teknik ini disesuaikan dengan ketersediaan energi surya dan energi angin dan diharapkan mampu menyuplai tenaga secara kontinyu sehingga dapat mengurangi dampak buruk penggunaan baterai. Pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah konverter DC-DC multi-input sebagai alternatif solusi untuk memadukan dua sumber energi terbarukan yaitu energi surya dan energi angin sehingga dapat menyederhanakan dalam mengatur pemakaian sumber energi tersebut, menyederhanakan desain dan mengurangi biaya. Selanjutnya, dalam tugas akhir ini akan dianalisa daya keluaran dari konverter DC-DC multi-input yang dihasilkan dari pengaturan duty cycle pada pulsa PWM (Pulse Width Modulation). Pulsa PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler AVR ATMega8 digunakan untuk melakukan proses switching tegangan masukan konverter DC-DC multiinput menggunakan komponen MOSFET. Nilai dari duty cycle akan diubah-ubah secara manual berdasarkan persamaan tegangan dan arus yang digunakan pada konverter tersebut. Dengan sistem ini diharapkan konverter DC-DC multi-input dapat menghasilkan daya keluaran yang kontinyu dan stabil. II. KARAKTERISTIK INPUT PV, INPUT WIND, KONVERTER DC-DC MULTI- INPUT 2.1. Photovoltaic Photovoltaic atau panel surya merupakan suatu sumber energi listrik yang memanfaatkan cahaya matahari sebagai sumber energi dan diubah menjadi energi listrik. Cara kerja panel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan panel surya dan diserap oleh bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) terjadi pelepasan Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI ITS 1

elektron. Apabila elektron tersebut dapat menempuh perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada lapisan yang berbeda maka akan terjadi perubahan sigma gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semikonduktor akan menyebabkan aliran medan listrik dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada peralatan listrik, sehingga akan terbangkit arus DC. 2.1.1 Karakteristik Panel Surya Penentuan karakteristik panel surya dilakukan dengan melakukan pengujian dan pengambilan data secara langsung. Pengujian dan pengambilan data dilakukan pada berbagai kondisi. Panel surya yang digunakan merupakan tipe BPSX60V. P(W) 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0 5 10 15 20 V(V) ± 974 W/m2 ± 700 W/m2 ± 483 W/m2 Gambar 1. Karakteristik P-V panel surya BPSX60V pada irradiance ± 974 W/m2, ± 700 W/m2, dan ± 483 W/m2 Pada setiap pengambilan data arus dan tegangan, dilakukan juga pengukuran arus hubung singkat (I_sc) dan tegangan rangkaian terbuka (V_oc). Pendekatan nilai irradiance dihitung dengan cara membandingkan I_sc hasil pengujian dengan I_sc pada data spesifikasi dari panel surya BPSX60V, kemudian hasil perbandingan tersebut dikalikan dengan nilai irradiance yang ada pada data spesifikasi panel surya BPSX60V. 2.2. Wind Turbine Wind Turbine merupakan salah satu bagian penting pada pembangkit listrik tenaga angin yang berperan untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik untuk menggerakkan generator. Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang hilang ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini terhubung dengan rotor dari generator. Generator ini yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. 2.2.1 Karakteristik Permanent Magnet DC Generator Penentuan karakteristik generator DC magnet permanen dilakukan dengan melakukan pengujian dan pengambilan data secara langsung. Generator DC yang digunakan merupakan sebuah motor DC magnet permanen tipe Hitachi 30VDC. Pengujian dilakukan dengan memberikan putaran pada motor Hitachi 30VDC menggunakan motor lain yang dihubungkan dengan belt sehingga motor dapat berfungsi sebagai generator. Pengujian tersebut dilakukan pada kondisi kecepatan motor yang berbeda-beda dengan tujuan untuk mendapatkan data arus dan tegangan pada kondisi yang berbeda. P(W) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 RPM 0 200 400 600 Gambar 2. Kurva P-RPM generator DC magnet permanen Hitachi 30VDC 2.3. KONVERTER DC-DC MULTI-INPUT Konvertee DC-DC multi-input merupakan sebuah perkembangan teknologi elektronika daya dimana dua atau lebih konverter DC-DC digabungkan baik secara paralel maupun seri untuk menyuplai beban yang sama dari beberapa sumber yang berbeda karakteristiknya. Sebelum digunakan konverter DC- DC multi-input biasanya digunakan konverter yang terpisah untuk masing-masing sumber seperti ditunjukkan pada gambar 3, keluaran dari masingmasing konverter selanjutnya dihubungkan dengan DC Bus agar tegangan keluarannya sama dan stabil. Sehingga untuk mengurangi biaya maka sistem tersebut digabungkan seperti pada gambar 4. Gambar 3. Topologi double DC-DC converter berdiri sendiri-sendiri Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI ITS 2

rangkaian terbuka. Di sisi lain V 2 mati sehingga dioda daya D 2 akan menyediakan jalur bypass untuk induktor seperti ditunjukkan pada gambar 6. Dalam mode ini V 1 akan menyuplai komponen penyimpanan daya induktor(l) dan Kapasitor(C) dan juga menyuplai daya ke beban(r). Gambar 4. Topologi double DC-DC converter multi-input Konverter DC-DC multi-input yang digunakan merupakan buck converter dan buck-boost converter yang terintegrasi, desain rangkaian konverter ini dapat dilihat pada gambar 5, topologi ini terdiri dari dua input sumber tegangan. Dengan menggunakan skema kontrol PWM untuk mengatur buka tutup saklar S 1 dan S 2, konverter DC-DC multi-input direncanakan agar dapat mengalirkan daya dari dua sumber tegangan baik secara gabungan maupun sendiri-sendiri. Gambar 7. Operasi konverter DC-DC multi-input pada mode II Mode II`( S 1 :off; S 2 :on): Saklar S 1 dimatikan dan saklar S 2 diaktifkan. Karena konduksi S 2, dioda daya D 2 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian terbuka. Di sisi lain V 1 mati sehingga dioda daya D 1 akan menyediakan jalur bypass untuk induktor seperti ditunjukkan pada gambar 7. Dalam mode ini V 2 akan menyuplai komponen penyimpanan daya induktor(l) dan Kapasitor(C) dan juga menyuplai daya ke beban(r). Gambar 5. Desain konverter DC-DC multi-input[1] Dalam konverter DC-DC multi-input ini terdapat empat mode operasi berbeda[2] berdasarkan kondisi saklar seperti ditunjukkan pada gambar berikut: Gambar 6. Operasi konverter DC-DC multi-input pada modei Mode I`( S 1: on; S 2: off): Saklar S 1 diaktifkan dan saklar S 2 dimatikan. Karena konduksi S 1, dioda daya D 1 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai Gambar 8. Operasi konverter DC-DC multi-input pada mode III Mode III`( S1: off; S 2 :off): Kedua saklar S 1 dan saklar S 2 dalam kondisi dimatikan. Sehingga V 1 dan V 2 tidak menyuplai daya. Dioda daya D 1 dan D 2 akan menyediakan jalur bypass untuk mengalirkan arus induktor seperti ditunjukkan pada gambar 8. Energi listrik yang disimpan dalam komponen penyimpanan daya induktor(l) dan Kapasitor(C) akan dilepaskan ke beban(r). Mode IV`( S 1 :on; S 2 :on): Kedua saklar S 1 dan saklar S 2 diaktifkan sehingga dioda daya D 1 dan D 2 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian terbuka. V 1 dan V 2 terhubung seri untuk mengisi induktor L. Daya ke beban diberikan oleh kapasitor C. Pada mode ini kedua sumber bekerja bersamasama seperti ditunjukkan pada gambar 9. Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI ITS 3

Gambar 9. Operasi konverter DC-DC multi-input pada mode IV III. PERANCANGAN KONVERTER DC-DC MULTI-INPUT Pada konverter DC-DC multi-input, nilai L dan C diperoleh menggunakan perhitungan pada konverter penyusun multi-input konverter yaitu buck converter dan buck-boost converter. Pada sisi buck converter, perhitgan mengacu pada spesifikasi panel surya BPSX60V. Tabel 1. Nilai parameter pada sisi PV Parameter Nilai Tegangan Input (Vi) 15-21 V Tegangan Output (Vo) 12-16.8V Arus Output (Io) 3.00 A Frekuensi switching (f) 40 KHz Riple arus diasumsikan I = 10% I = (10/100)x3 = 0.30 A Riple tegangan diasumsikan Vc = 2% Vo = (2/100)x12 = 0.24 V Jika diasumsikan tegangan output yang diinginkan adalah 12 Volt, maka nilai duty cycle dapat dihitung sesuai dengan persamaan sebagai D = V o V d = 12 21 = 0.57 Setelah didapatkan nilai duty cycle, kemudian nilai L dihitung berdasarkan persamaan sebagai Tabel 2. Nilai parameter pada sisi Wind Parameter Nilai Tegangan Input (Vi) 15-21 V Tegangan Output (Vo) 12-16.8V Arus Output (Io) 3.00 A Frekuensi switching (f) 40 KHz Riple arus diasumsikan I = 10% I = (10/100)x3 = 0.30 A Riple tegangan diasumsikan Vc = 2% Vo = (2/100)x12 = 0.24 V Jika diasumsikan tegangan output yang diinginkan adalah 12 Volt, maka nilai duty cycle dapat dihitung sesuai dengan persamaan sebagai V o D = (V d + V o ) = 12 (20 + 12) = 0.375 Setelah didapatkan nilai duty cycle, kemudian nilai L dihitung berdasarkan persamaan sebagai V d x V o L = i L x f x (V d + V o ) = 20 x 12 = 625 μh (0.3)x 40000 x (20 + 12) Sedangkan nilai C dihitung berdasarkan persamaan sebagai C = I o x V o V o x fx (V d + V o ) = 3 x 12 = 70 μf 0.24 x 40000 x (20 + 12) Nilai L dan C yang diperoleh berdasarkan perhitungan yang digunakan pada masing-masing konverter penyusun konverter DC-DC multi-input merupakan nilai minimum komponen yang dapat digunakan pada konverter DC-DC multi-input ini. Dengan mempertimbangkan hasil perhitungan dan ketersediaan komponen di pasaran, maka dipilih nilai L sebesar 1 mh dan C sebesar 100 uf. Setelah didapatkan nilai L dan C, disimulasikan pembuatan konverter DC-DC multi-input dengan menggunakan software. Simulasi ini bertujuan untuk melihat hasil dari desain yang telah dilakukan. L = (V d V o ) x V o (21 12) x 12 = = 428 μh i L x f x V d (0.3)x 40000 x 21 Sedangkan nilai C dihitung berdasarkan persamaan sebagai i L C = 8 x V o x f = 0.30 = 3.9 μf 8x0.24x40000 Pada sisi buck-boost converter, perhitgan mengacu pada spesifikasi panel surya generator DC magnet permanen Hitachi 30VDC. Gambar 10. Rangkaian simulasi konverter DC-DC multi-input Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI ITS 4

Dari hasil simulasi dapat dilihat skema charging induktor(l) pada berbagai duty cycle yang diberikan untuk mengetahui apakah desain konverter sudah sesuai dengan topologi konverter DC-DC multi-input. Eff(%) 100 95 90 85 V1=15 V V1=18 V V1=21 V 80 0 10 20 30 40 50 60 Pout(W) Gambar 11. Sistem konverter DC-DC multi-input saat D1 = 38,89%, D2 = 25% IV. PENGUJIAN DAN ANALISA Pengujian dilakukan untuk menperoleh efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input pada berbagai mode operasi dan kondisi beban yang berubah-ubah. Pengujian dilakukan dengan menggunakan DC Power Supply sebagai sumber tegangan input. Pengujian dilakukan pada tiga kondisi yaitu pada saat PV atau input satu bekerja sendiri, input Wind atau input dua bekerja sendiri dan pada saat kedua input bekerja bersama-sama. Pada masing-masing pengujian diberikan beban resistor yang nilainya berubah-ubah. Pengaturan duty cycle untuk proses switching dilakukan secara manual melalui potensiometer sampai didapat tegangan output yang diinginkan. 4.1. Pengujian Input PV Bekerja Sendiri Gambar 13. Kurva efisiensi terhadap perubahan daya output konverter DC-DC multiinput saat input PV bekerja sendiri Dari hasil pengujian pada beberapa level tegangan di atas tampak bahwa efisiensi buck converter pada sistem konverter DC-DC multi-input ini semakin menurun sebanding dengan peningkatan daya output sistem. Semakin besar daya output yang dihasilkan, maka efisiensi sistem tersebut semakin menurun. 4.2. Pengujian Input Wind Bekerja Sendiri Gambar 14. Skema pengujian input Wind bekerja sendiri Eff(%) 90 80 70 60 50 40 0 10 20 30 40 50 V2=12 V V2=15 V V2=18 V V2=21 V Pout(W) Gambar 12. Skema pengujian input PV bekerja sendiri Gambar 15. Kurva efisiensi terhadap perubahan daya output konverter DC-DC multiinput saat input Wind bekerja sendiri Dari hasil pengujian pada beberapa level tegangan di atas tampak bahwa efisiensi buck-boost converter pada sistem konverter DC-DC multi-input ini cukup rendah dan semakin menurun sebanding Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI ITS 5

dengan peningkatan daya output sistem. Semakin besar daya output yang dihasilkan, maka efisiensi sistem tersebut semakin menurun. 4.3. Pengujian Input PV/Wind Bekerja Bersama sendiri efisiensi sistem hanya 45% sampai 75%, dan pada saat keduanya bekerja bersama efisiensi sistem berada diatas 75%. Dari nilai tersebut, konverter DC- DC multi-input sudah dapat diimplementasikan pada sistem tenaga listrik hibrida. DAFTAR PUSTAKA Gambar 14. Skema pengujian input PV/Wind bekerja bersama 110 100 Eff(%) 90 80 70 60 0 10 20 30 40 50 60 Pout(W) V1=12 V; V2=21 V V1=15 V; V2=18 V V1=18 V; V2=15 V V1=21 V; V2=12 V Gambar 15. Kurva efisiensi terhadap perubahan daya output konverter DC-DC multiinput saat input PV/Wind bekerja bersama Pada saat input PV/Wind bekerja bersama, konverter DC-DC multi-input bekerja pada semua mode operasi yang dimiliki sistem tersebut sesuai dengan topologinya. Pada pengujian ini, duty cycle saklar S 2 diatur lebih kecil daripada duty cycle saklar S 1.Efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input ini semakin menurun sebanding dengan peningkatan daya output sistem yaitu diatas 75 % pada daya output 20 watt sampai 40 Watt. [1]. Yaow-Ming Chen, S. C. Hung, C. S. Cheng, Y. C. Liu, Multi-Input Inverte for Grid-Connected Hybrid PV/Wind Power System, Power Electronics Applied Research Laboratory, National Chug Cheng University Ming-Hsiung, Chia-Yi, pp 850-856, Taiiwan, Taipe, 2005. [2]. Yaow-Ming Chen, S. C. Hung, C. S. Cheng, Y. C. Liu, Double-Input PWM DC/DC Converter for High/Low Voltage Sources, IEEE Trans On Industrial Electronics, Vol. 53, No. 5, October, Taiwan, Taipe, 2006. [3]. Muhammad H. Rasyid, 1993. Power Electronics, Second Edition, Prentice Hall International Inc. [4]. Mochamad Ashari, 2006. Diktat Kuliah Elektronika Daya, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS. Dilahirkan di sebuah kota kecil yang terkenal sebagai kota Batik, Yahya Dzulqarnain, anak kedua dari empat bersaudara dari pasangan M.Husni Zen dan Siti Baidah ini memulai pendidikan formal di kota Pekalongan pada tahun 1994 di SD Negeri Tirto 1 Pekalongan. Setelah lulus dari sekolah dasar, penulis melanjutkan pendidikan di sekolah favorit di kotanya. Pada tahun 2003 lulus dari SMP Negeri 2 Pekalongan kemudian melanjutkan ke jenjang yang lebih tinggi di SMA Negeri 1 Pekalongan sampai tahun 2006. Penulis yang gemar mendaki gunung dan jalan-jalan ini memulai studi di perguruan tinggi di Surabaya. Selama menempuh pendidikan tiinggi di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya sejak tahun 2007, penulis aktif dalam komunitas pecinta robot Mechatronic Community di kampusnya. Beberapa kompetisi robotik tingkat nasional pernah diikuti oleh penulis yang mengambil bidang studi Power System Engineering di Jurusan Teknik Elektro ITS. V. KESIMPULAN Pada penelitian ini telah didesain dan diimplementasikan konverter DC-DC multi-input pada sistem tenaga listrik hibrida PV/Wind, konverter ini merupakan dua konverter DC-DC yang terintegrasi menjadi satu. Dari hasil pengujian konverter DC-DC multi-input ini, konverter mampu bekerja pada saat PV bekerja sendiri, Wind bekerja sendiri, maupun pada saat keduanya bekerja bersama-sama. Efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input untuk daya 20 Watt sampai 40 Watt pada saat PV bekerja sendiri yaitu diatas 85%, sedangkan pada saat Wind bekerja Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI ITS 6