dilakukan pelacakan titik daya maksimum (Maximum Power. Point Tracking) atau
.... Maximum Power Point Tracker (MPPT) digunakan untuk mendapatkan nilai
..... efisiensi menurun. 6. Sel surya dapat digunakan sebagai catu daya yang.
Sistem Kontrol PV-Baterai Berbasis Fuzzy Logic untuk Pembangkit Terdistribusi Muhammad Rizal Falfi, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Logic Controller. Dalam sistem ini, PV disambungkan ke boost converter melalaui MPPT dan sebelum terhubung ke grid PV disambungkan melalui inverter. Sistem PV ini dilengkapi juga dengan baterai Lead Acid yang berfungsi untuk membantu sel surya memberikan daya tambahan pada grid karena kondisi tingkat iradiasi dan suhu yang tidak menentu.
Abstrak - Energi terbarukan (renewable energy) dapat digunakan sebagai Distributed Generation System (DGS). Sistem pembangkit terdistribusi (DGS) merupakan suatu sistem dan instalasi yang langsung terhubung ke sistem distribusi. Salah satu sumber DG adalah photovoltaic (PV). Dalam pengoperasiannya PV mempunyai efisiensi rendah jika tidak dilakukan pelacakan titik daya maksimum (Maximum Power Point Tracking) atau dikenal dengan MPPT. Dalam Tugas Akhir ini dilakukan studi MPPT untuk sistem PV dengan metode artificial intelligent yaitu Fuzzy Logic. Dengan menggunakan Iradiasi matahari dan daya PV sebagai masukan dan referensi sebagai keluaran akan didapatkan daya PV maksimum. Disamping itu dibahas mengenai pemodelan boost converter, dan single phase inverter menggunakan Matlab/Simulink. Dari salah satu hasil simulasi menunjukkan pada saat irradiasi 800 W/m2, beban rata-rata tanpa MPPT 1392.02 Watt sedangkan daya beban rata-rata menggunakan MPPT 2719.57 Watt, rasio daya rata-rata tanpa MPPT 44.29 % dan rasio daya rata-rata menggunakan MPPT 86.53 %. Kata kunci-MPPT, pembangkit terdistribusi, PV, rasio daya
II. MPPT DALAM SISTEM PV-GRID A. Karakteristik PV Sel surya atau PV merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Adapun karakteristik besarnya daya yang dapat dikeluarkan oleh PV bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan PV dan suhu pada permukaan PV[4], Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari dan suhu pada sel surya.
I. PENDAHULUAN asalah energi mempunyai kecondongan untuk selalu meningkat dan berkembang, termasuk antara propinsi di dalam negara berkembang itu sendiri. Beberapa negara kaya diberkahi dengan sumber energi yang baru akan habis setelah beberapa dasawarsa lagi [1]. Disamping itu, perkembangan teknologi tentang sumber energi terbarukan dikombinasikan dengan berkembangnya perhatian masyarakat akan isu-isu lingkungan maka Distributed Generation System (DGS) yang terhubung dengan grid telah banyak digunakan. Cadangan energi fosil yang semakin menipis dan munculnya krisis energi menjadikan manusia berlomba untuk mencari sumber energi alternatif. Beberapa teknologi telah diterapkan dalam aplikasi distributed generation (DG) dengan berbagai sumber energi terbarukan. Diantaranya adalah turbin angin, tenaga air berskala kecil (mikrohidro), biomassa, photovoltaic (PV), dan fuel cell [2]. Salah satu sumber energi terbarukan adalah photovoltaic (PV) atau yang lebih dikenal sebagai sel surya merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Penggunaan PV juga tidak bisa lepas dari masalah, masalah yang dihadapi adalah daya keluaran dari PV yang seringkali tidak mencapai maksimal dari daya maksimal yang sebenarnya bisa dikeluarkan oleh PV[3]. Besarnya beban yang terhubung pada PV sangat mempengaruhi daya keluaran PV. Agar PV dapat mengeluarkan daya yang mendekati daya maximum point (disebut juga daya maximum nameplate) , maka PV harus dihubungkan dengan MPPT. Pada tugas akhir ini akan disimulasikan sistem MPPT dengan menggunakan artificial intelligent, berupa Fuzzy
M
Gambar 1. Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari terhadap Sel Surya Grafik IV (kiri) dan Grafik P-V (kanan)
Gambar 2. Pengaruh Suhu terhadap Sel Surya Grafik I-V (kiri) dan Grafik PV (kanan)
Pemodelan PV yang kita gunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 3 [4].
1
I
M
M V M VOC RSM I M I 1 exp N SM Vt C M SC
(10)
Dimana : M C I SC N PM I SC
(11) M C VOC N SMVOC
Gambar 3. Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)
Persamaan yang didapat dari rangkaian PV pada Gambar 3 adalah : IRS q V nkT V I R S I I SC I O e 1 R P
RSM
(1)
I I L IO e
1
I L I LT1 1 K 0 T T1
(14) Pemodelan PV pada Matlab untuk tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 4. B. MPPT Controller Maximum Power Point Tracker (MPPT) digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu sel surya. Daya keluaran yang maksimal ini akan menghasilkan rasio daya yang tinggi dan mengurangi rugi-rugi suatu sel surya [4]. Fuzzy logic dalam penggunaan MPPT mempunyai keuntungan dalam menghadapi ketidaktentuan dan ketidaktelitian. Dalam MPPT controller ini akan didasarkan pada penerapan logika fuzzy ini dan terdiri dari dua bagian yaitu fuzzifikasi dan fuzzy rule [5].
(3) (4)
I O (T 1) I SC(T 1) /(e
(7)
K 0 I SCT 2 I SCT 1 / T2 T1 (5) qV / nk1 / T 1 / T1 3/ n I 0 I O(T 1) T / T1 e g (6) qVOC ( T 1) / nkT1
)
RS dV / dIVOC 1/ X V
(8)
X V I O(T 1) q / nkT1 e
(9)
qVOC ( T 1) / nkT1
(13)
Vt nkT / q
(2)
I LT 1 G I SCT 1,nom / Gnom
(12)
C
Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel diasumsikan sangat besar, sehingga persamaan untuk model arus output sel surya adalah [3]: q V IRS / nkT
N SM RSC N PM
Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya BPSSX60 dengan spesifikasi ditunjukkan pada Tabel I dengan keluaran daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari 36 PVdengan diode jenis crystalline yang dirangkai secara seri. Tabel I Parameter Panel Surya BPSX-60 Gambar 4. Model Sel Surya pada Matlab
Fuzzifikasi Seperti ditunjukkan pada Gambar 5, pada bagian masukan ada dua yaitu Iradiasi (Ir) dan daya PV (PPV). Ir mempunyai tiga fungsi segitiga yaitu A, B, dan C dengan nilai antara 0 - 1000 dan untuk PPV mempunyai empatbelas fungsi segitiga yaitu A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, dan N dengan nilai antara 0 – 4100. Sedangkan untuk nilai kelauaran tegangan referensi (D) mempunyai tujuh fungsi segitiga yaitu A, B, C, D, E, F, dan G dengan nilai antara 0 – 1.
Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan PV secara seri dan paralel. Persamaan arus keluaran PV model [4]: 2
1
Lmin 0.5
2 1 D DR
(16)
2f
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan :
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
C
1000
Ir (a)
VO D VR R f
(17)
1
0.5
0 2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
4000
3800
Ppv (b)
1
Gambar 6. Gambar Rangkaian Boost
0.5
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
D (c)
Gambar 5. Fungsi Keanggotaan (a) input Ir, (b) input PPV, (c) output D.
Fuzzy Rules Dalam Tugas Akhir, syntax “if-then” selalu digunakan untuk mengespresikan fuzzy rules. Untuk MPPT ini menggunakan total 16 rule base seperti yang ditunjukkan dibawah. If Ir = A and PPV = A, then D = G If Ir = A and PPV = B, then D = D If Ir = A and PPV = C, then D = E If Ir = A and PPV = D, then D = C If Ir = B and PPV = A, then D = G If Ir = B and PPV = E, then D = G If Ir = B and PPV = F, then D = B If Ir = B and PPV = G, then D = C If Ir = B and PPV = H, then D = A If Ir = C and PPV = A, then D = G If Ir = C and PPV = N, then D = G If Ir = C and PPV = I, then D = F If Ir = C and PPV = J, then D = A If Ir = C and PPV = K, then D = F If Ir = C and PPV = L, then D = D If Ir = C and PPV = M, then D = C
Sistem MPPT Gambar 7. Pemodelan MPPT secara Keseluruhan
Gambar 8. Konverter Boost pada Matlab
D. Inverter Dalam tugas akhir, ini inverter digunakan untuk mentransformasi tegangan dari DC mennjadi AC. Karena pada sistem ini PV tersambung pada grid. Inverter yang digunakan adalah full wave inverter satu fasa dengan sistem closed loop dengan mengambil referensi berupa tegangan dibandingkan dengan tegangan keluaran. Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 9.
C. Konverter Boost Boost konverter digunakan untuk menaikkan tegangan DC [6]. Adapun gambar rangkaian dari buck boost konverter diperlihatkan pada Gambar 6. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output :
VO
Vin 1 D
(15)
Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM (Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan : 3
E. Rasio Daya PV Rasio daya PV adalah perbandingan antara daya beban dengan daya max nameplate dengan cara membagi daya beban dengan daya maksimal yang bisa dikeluarkan oleh PV. Semakin tinggi nilai rasio daya, maka semakin baik dan semakin efisien kinerja dari suatu PV [4]. Rasio Daya Rata-Rata diberikan oleh persamaan (18):
T
1 n Pi n i 1 Pmax
dengan menghubungkan PV dengan beban yang bervariasi antara 0.001 – 1000 Ω. Pengujian dilakukan pada tiga keadaan intensitas sinar matahari yakni 600 W/m2, 800 W/m2, dan 1000 W/m2.
(18)
Tabel II Data Daya Max Nameplate, Vmp, Imp, dan Voc Pmax Iradiansi Vmp nameplate Imp (A) Voc (V) (kW/m2) (V) (W) 0.6 2290 222 10.31 281.56
11.61
0.8
3143
228
13.78
288.97
15.48
1
4011
234
17.14
294.77
19.35
Ioc (A)
Grafik Tegangan vs Daya 5000 Daya (W)
4000 3000 2000 1000 0 Gambar 9. Pemodelan inverter
0
III. KONFIGURASI SISTEM Sistem PV-grid yang digunakan pada tugas akhir ini diperlihatkan pada Gambar 10. Sistem PV-grid yang diperlihatkan oleh Gambar 10 terdiri dari 6 bagian penting, diantaranya adalah: PV, MPPT, Baterai, konverter boost, inverter, dan grid.
100
1000 W/m2
200 Tegangan (V) 800 W/m2
300 600 W/m2
Gambar 12. Grafik Perbandingan Tegangan dan Daya
Grafik Tegangan vs Arus 20 Arus (A)
15
IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi a. Suhu yang digunakan = 250 C b. - Daya Wattpeak PV = 4000 W (Saat intensitas cahaya matahari = 1000 W/m2 - Tegangan PV = 222 volt (saat kondisi wattpeak) c. Konverter Boost 1. Induktor = 5 mH 2. Kapasitor = 10 mFarad 3. Frekuensi switching = 30 kHz d. Baterai 1. Tegangan = 240 volt 2. Ah Baterai = 352.940 Ah e. Inverter - Tegangan referensi = 220√2 V - Induktor = 50 mH - Kapasitor = 1×10-5 F f. Grid - Tegangan grid = 220√2 V - Induktor (link) = 5×10-5 H
10 5 0 0
100 200 Tegangan (V) 1000 W/m2 800 W/m2
Gambar 11. Grafik Perbandingan Tegangan dan Arus
B. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan Beban Bervariasi Pengujian ini digunakan untuk mengetahui karakteristik dari model PV. Adapun karakteristik dari PV dapat dilihat dari kurva hubungan antara arus-tegangan (I-V) dan kurva hubungan daya-tegangan. Pengujian model PV untuk mengetahui karakteristik I-V dan P-V ini dapat dilakukan 4
300 600 W/m2
Gambar 10. Pemodelan Seluruh Sistem
Penggunaan MPPT pada PV dapat digunakan untuk mengatasi perubahan daya yang diakibatkan perubahan dari beban yang terhubung pada PV.
A. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT dan Beban Bervariasi Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan model PV dengan hambatan yang nilainya berubah. Pengujian ini dilakukan pada dua kondisi, yakni sebelum menggunakan MPPT dan setelah menggunakan MPPT. Adapun data yang akan dianalisis adalah rasio daya PV sebelum dan sesudah menggunakan MPPT. Pengujian dan analisis dilakukan pada tiga keadaan intensitas sinar matahari yakni 600 W/m2, 800 W/m2, dan 1000 W/m2.
Grafik Iradiasi vs Daya Rata-rata Daya (W)
4000 3000 2000 1000 0
Tabel III Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban Bervariasi Irad (kW/m^2) 0.6
Pmax (W) 2290
P PV tanpa MPPT (W) 940.53
P PV dengan MPPT (W) 2187.33
0.8
3143
1392.03
2719.57
1
4011
2882
3565
500
600
Pmaks
700 800 900 1000 Iradiasi (W/m^2) tanpa MPPT dengan MPPT
Gambar 12. Grafik Perbandingan Iradiasi dan Daya Rata-rata
Grafik Iradiasi vs Rasio Daya Rata-rata 100 Rasio Daya (%)
Berdasarkan Tabel III. Terlihat bahwa daya rata-rata PV adalah Daya Rata-Rata tanpa MPPT = 1738.19 W Daya Rata-Rata menggunakan MPPT = 2823.97 W Tabel IV Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban Bervariasi Irad (W/m^2) 600
Rasio Daya rata-rata tanpa MPPT (%) 29.37
Rasio Daya rata-rata dengan MPPT (%) 95.54
800
44.29
86.53
1000
70.32
88.84
80 60 40 20 0 500
600
700 800 900 1000 Iradiasi (W/m^2) tanpa MPPT dengan MPPT
Gambar 13. Grafik Perbandingan Iradiasi dan Rasio Daya Rata-rata
B. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT dan Grid Dalam pengujian ini dilakukan dengan menggabungkan semua komponen dari sel surya sampai grid. Pemodelan sederhana pengujian dapat ditunjukkan pada Gambar 14.
Analisis Rasio Daya Rata-Rata PV Berdasarkan Tabel IV, rasio daya rata-rata PV adalah Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT = 47.99% Rasio Daya Rata-Rata menggunakan MPPT = 90.30 %
PV
Ir
Boost Converter
Inverter Satu fasa grid
Dari hasil simulasi PV yang dihubungkan dengan beban bervariasi, MPPT terbukti dapat meningkatkan rasio daya rata-rata PV karena sebelum menggunakan MPPT , PV memiliki rasio daya rata-rata sebesar 47.99 %, sedangkan setelah menggunakan MPPT rasio daya rata-rata PV meningkat menjadi 90.30 %.
P
FLC Ir
Beban Duty Cycle
Gambar 14. Pengujian Sistem dengan Variasi Beban
5
Dari hasil pengujian dengan memvariasikan beban anatara 20 – 200 Ω dengan tingkat intensitas cahaya matahari 1000 W/m2 dan suhu ambient 25̊C didapatkan grafik pada Gambar 15 dan Gambar 16. Terlihat pada Gambar 15 dengan menggunakan MPPT daya di bagian konverter relatif konstan tidak terpengaruh dengan beban yang berubah-ubah. Hal tersebut berbanding terbalik dengan P out pada sistem yang mengalami penurunan secara linier sesuai dengan perubahan beban. Hal tersebut karena semakin meningkatnya beban maka Ploss akan meningkat, sehingga menyebabkan nilai Pout semakin menurun. Sedangkan pada Gambar 16 menunjukkan grafik yang hampir sama yaitu efek perubahan beban dan pengaruh terhadap efisiensi. Efisiensi dipengaruhi oleh perubahan dari nilai dari beban. Berdasarkan persamaan 𝑃 𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 = 𝑜𝑢𝑡 × 100% (18)
1.
2.
3.
4.
5.
𝑃 𝑖𝑛
Daya (W)
6.
Grafik Beban vs Daya (W)
4000
V. KESIMPULAN Semakin besar tingkat intensitas cahaya matahari (W/m2) yang diterima oleh kombinasi PV maka semakin tinggi nilai daya maksimum yang dihasilkan oleh PV. Nilai daya PV ketika dipasang seri sebanyak 14 buah kemudian di paralel sebanyak 5 kali, didapatkan daya maksimum pv sebesar 4011 W dengan intensitas cahaya matahari 1000 W/m2 dan suhu 25̊̊ C. Dari hasil simulasi, daya beban rata-rata tanpa MPPT = 1738.19 W sedangkan daya beban rata-rata menggunakan MPPT = 2823.97 W. MPPT dapat digunakan untuk meningkatkan rasio daya PV. Rasio daya rata-rata tanpa MPPT = 47.99 % dan rasio daya rata-rata menggunakan MPPT = 90.30 %. Untuk pengujian sistem dengan variasi beban didapatkan bahwa ketika beban semakin meningkat maka daya konverter hampir konstan. Sedangkan daya output dan efisiensi menurun. Sel surya dapat digunakan sebagai catu daya yang terhubung ke grid dengan dilengkapi baterai sebagai backup sel surya.
3000 DAFTAR PUSTAKA
2000
[1]
1000 [2]
0 0
50
100 150 Beban (Ohm) Pconv Pout
200
[3] [4]
Gambar 15. Grafik Perbandingan antara Pconv dan Pout [5]
Grafik Beban vs Efisiensi [6]
100.00%
Hajizadeh, Amin and Golkar, Masoud Aliakbar, ”Control Of Hybrid Fuel Cell/Energy Storage Distributed Generation System Against Voltage Sag”, Electrical Power and Energy System, pp. 488-497, Iran, September, 2009. Mostavan, Aman, “Catatan Kuliah : Konversi Energi”, ITB, Bandung, 2005. Messenger, Roger A. Ventre, Jerry, “Photovoltaic Systems Engineering”, second edition, CRC Press, 2003. T. Tafticht, K. Agbossou, M.L. Doumbia, A. Cheriti, “An Improved Maximum Power Point Tracking Method for Photovoltaic Systems”, Elsevier Renewable Energy 33, 1508-1516, October, 2007. Chang, Yuen-Haw, dan Chang, Chia-Yu, “Maximum Power Point Tracking of PV System by Scaling Fuzzy Control”, Proceeding IMECS, Hong Kong, March, 2010. Rashid M.H, “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2007.
80.00% Efisiensi
Muhammad Rizal Falfi dilahirkan di Gresik, 3 Mei 1989. Penulis adalah putra dari pasangan M. Yasin dan Astikah. Penulis memulai jenjang pendidikan di SDN Karang-Kiring Gresik, SLTPN 1 Gresik, serta SMAN 1 Gresik hingga lulus tahun 2007. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi dan diterima di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada Jurusan Teknik Elektro, dan kemudian mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah, penulis juga aktif dalam organisasi kemahasiswaan Badan Eksekutif Mahasiswa ITS (BEM ITS) dan Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (HIMATEKTRO) serta sebagai Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik. Selain itu, semasa kuliah penulis pernah mendapatkan dana hibah DIKTI untuk PKM dalam bidang Pengabdian Masyarakat dan beasiswa penuh dari Eka Tjipta Foundation selama empat tahun.
60.00% 40.00% 20.00% 0.00% 0
50
100 150 Beban (Ohm)
200
Gambar 16. Grafik Hubungan Beban dengan Efisiensi
Maka dengan mengasumsikan bahwan Pin = Pconv dan Pout adalah daya keluaran sistem, maka karena P loss semakin meningkat sehingga nilai dari Pout semakin turun,. Dari Persamaan 18 didapat efisiensi berbanding lurus dengan Pout. Dari grafik tersebut didapatkan kesimpulan bahwa semakin besar nilai dari beban maka akan terjadi penurunan terhadap efisiensi.
67
78
