Aplikasi MPPT (Maximum Power Point Tracker) – Fuzzy Logic Control (FLC) untuk pembangkit terdistribusi pada sistem on grid PV (Photovoltaic) Harmini1) Titik Nurhayati2) 1) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Semarang, Semarang Indonesia 50196, email :
[email protected] 2) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Semarang, Semarang Indonesia 50196, email :
[email protected]
Abstrak - Pada penelitian ini akan disimulasikan sebuah sistem terintegrasi antara inverter dengan MPPT menggunakan artificial intelligent berupa Fuzzy Logic Controller (FLC) pada sistem on grid sistem Photovoltaic. Topologi converter yang digunakan adalah Boost converter. Analisa yang akan dilakukan adalah mengetahui daya rata-rata PV dan rasio daya PV antara sistem tanpa MPPT – FLC dan menggunakan MPPT-FLC. Penggunaan MPPT dengan menggunakan metode Fuzzy Logic Control dapat meningkatkan daya keluaran PV bila dibandingkan dengan tanpa MPPT. Kenaikan daya cenderung stabil dengan perubahan beban. Daya rata-rata yang dihasilkan modul PV tanpa MPPT pada radiasi matahari 1000 W/m2 adalah sebesar 584.26 Watt, sedangkan daya ratarata yang dihasilkan oleh sistem PV menggunakan MPPT-FLC adalah sebesar 856.06 Watt pada radiasi matahari sebesar 1000 W/m2, sehingga kenaikan daya rata-rata sebesar 291.08 Watt. Rasio daya rata-rata sistem PV tanpa MPPT adalah 56.65% sedangkan rasio daya rata-rata sistem PV yang menggunakan MPPT-FLC adalah 86.46%, sehingga terjadi kenaikan rasio daya rata-rata sebesar 29.8% Kata kunci : MPPT, Fuzzy Logic Control (FLC), Photovoltaic
1. PENDAHULUAN Sinar matahari merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang sangat effektif dan ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polusi. Sinar matahari yang sampai kepermukaan bumi dapat diubah menjadi energi listrik menggunakan sel surya atau photovoltaic array (PV). Photovoltaic (PV) atau sel surya berkembang pesat terutama sistem PV yang terhubung dengan saluran distribusi atau biasa disebut dengan on grid system. Hasil tegangan yang
dikeluarkan oleh sistem PV adalah tegangan DC, agar bisa digunakan untuk beban AC harus dikonversikan kedalam bentuk tegangan AC dengan menggunakan inverter. Inverter mengubah keluaran sel surya sesuai dengan kebutuhan saluran distribusi. Sistem PV dapat secara langsung dihubungkan dengan saluran distribusi, sehingga memberikan interaksi yang menguntungkan dengan semakin terbatasnya supply dari saluran distribusi[1]. Permasalahan yang ditimbulkan pada penggunaan PV (Photovoltaic) adalah daya keluaran PV yang seringkali tidak mencapai maksimal dari daya yang sebenarnya dikeluarkan oleh PV terutama pada kondisi radisi matahari yang rendah[11]. Pada penelitian ini akan disimulasikan sebuah sistem terintegrasi antara inverter dengan MPPT menggunakan artificial intelligent berupa Fuzzy Logic Controller (FLC) pada sistem on grid sistem Photovoltaic. Topologi converter yang digunakan adalah Boost converter. Tujuan penggunaan boost converter untuk menaikkan tegangan kerja PV agar sesuai dengan kebutuhan beban yang digunakan. Penelitian ini fokus pada pengembangan inverter satu fase dengan Artificial Inteligent – MPPT berupa Fuzzy Logic Controller (FLC) untuk pembangkit terdistribusi pada sistem on grid PV. Analisa yang akan dilakukan adalah mengetahui performansi effisiensi daya PV antara sistem tanpa MPPT – FLC dan tanpa MPPT-FLC
2. MPPT-FLC DALAM SISTEM ON-GRID PV 2.1.
Karakteristik PV Model elektronik PV terdiri dari sumber arus konstan (Isc), diode, resistor
seri (Rs) dan resistor paralel (Rp). Persamaan model matematik photovoltaic ditunjukkan pada Pers.1. =
−
−1 −
.
(1)
dengan I adalah arus keluaran PV (A), IL adalah arus yang terbangkit pada PV (A), ID adalah arus saturasi diode (A), q adalah muatan electron = 1.6x10 -19 (Coulomb), K adalah konstanta Boltzman (j/K), T adalah temperature sel (K), Rs
adalah resistansi seri sel (Ohm), Rsh adalah resistansi shunt (ohm) dan V adalah tegangan keluaran PV(V).
Gambar 1. Model elektronik sel photovoltaic [1]
Karakteristik PV ditunjukkan dengan grafik hubungan I-V dan P-V seperti pada gambar 2 dan gambar 3 yaitu pengaruh suhu dan radiasi matahari terhadap daya yang dihasilkan.
Gambar 2. Diagram karakteristik I-V sel PV pada suhu dan intensitas radiasi matahari yang berbeda[1]
Gambar 3. Kurva karakteristik V-I-P simulasi modul PV BP SX 150S[1]
Spesifikasi PV yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada tabel 1 dengan model simulasi PV seperti pada gambar 4.
Tabel 1. Parameter modul PV KC100T Electrical Parameter Isc 5.45 A Voc
22.2V
Imax
4.95A
Vmax
20.5 V
Pmax
100 Watt
NOTC
25oC
np
1
ns
65
Keterangan Short circuit current at standard condition Open circuit voltage at standard condition Current at the maximum power point Voltage at the maximum power point Maximum power point at standard condition Nominal operating cell temperature Number of parallel connected module Number of series connected module
Gambar 4. Kurva karakteristik V-I-P simulasi modul PV BP SX 150S[1]
2.2.
MPPT-FLC Controller MPPT digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang
optimal sehingga didapatkan daya keluaran yang maksimum dari suatu sistem PV. Prinsip dari MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja PV. MPPT controller didasarkan pada penerapan logika fuzzy yang terdiri dari tiga bagian yaitu fuzzyfikasi, rule base dan defuzzyfikasi. Fuzzy controller pada MPPT dapat digunakan untuk mengatasi ketidaktentuan dan ketidaktelitian nilai yang dihasilkan oleh PV.
Fuzzyfikasi Masukan proses fuzzyfikasi pada sistem MPPT adalah irradiasi matahari (Irr) dan daya photovoltaic (Ppv). Fungsi keanggotaan (membership function) fuzzyfikasi irradiasi matahari sebanyak 5 fungsi segitiga dengan range 1 W/m2 sampai 1000 W/m2 yaitu: VS (Very Small)
: [0 200 300]
S (Small)
: [200 400 500]
M (Medium)
: [400 600 700]
B (Big)
: [600 800 900]
VB (Very Big)
: [800 1000 1000]
Sedangkan fungsi keanggotaan daya PV sebanyak 5 fungsi segitiga dengan range 1 Watt sampai 1000 Watt yaitu: VS (Very Small)
: [0 200 300]
S (Small)
: [200 400 500]
M (Medium)
: [400 600 700]
B (Big)
: [600 800 900]
VB (Very Big)
: [800 1000 1000]
Fuzzy Rule Base Fuzzy rule yang digunakan pada penelitian ini adalah “if-than”. Syntax “if-than” selalu digunakan untuk mengekspresikan aturan dalam logika fuzzy. Sistem MPPT-FLC menggunakan 25 aturan fuzzy seperti ditunjukkan pada tabel 2. Metode fuzzy yang digunakan adalah metode Mamdani karena keluaran dari proses fuzzy berupa sebuah angka bukan dalam bentuk persamaan. Defuzzyfikasi Keluaran dari proses fuzzyfikasi adalah nilai duty cycle. Fungsi keanggotaan duty cycle sebanyak 5 fungsi segitiga dengan range antara 0 sampai 1 yaitu: VS (Very Small)
: [0 0.2 0.3]
S (Small)
: [0.2 0.4 0.6]
M (Medium)
: [0.4 0.6 0.8]
B (Big)
: [0.6 0.8 0.9]
VB (Very Big)
: [0.8 0.95 1]
Tabel 2. Aturan dasar fuzzy Ir/Ppv
VS
S
M
B
VB
VS
VS
VS
S
M
B
S
VS
S
S
M
B
M
VS
S
M
M
VB
B
S
S
M
B
VB
VB
M
B
VB
VB
VB
2.3.
Boost Converter Boost converter digunakan untuk menaikkan tegangan keluaran PV. Nilai
keluaran boost converter ditentukan dengan menggunakan persamaan 2. =
(2)
Parameter boost converter: Vin
: 180 volt,
Vout
: 240 volt
∆Vout
: 10mV
fs
: 20 kHz
L C
: 160
R
: 47Ω
: 6800µF.
Gambar rangkaian boost converter pada MATLAB ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian boost converter menggunakan MATLAB
2.4.
Inverter Inverter adalah rangkaian yang mengkonversikan tegangan DC ke
tegangan AC. Inverter mengirimkan daya dari sumber DC ke sumber AC. Spesifikasi perancangan Inverter yang dibuat dalam sistem MPPT PV adalah: Vdc
: 240 volt
P
: 1000 Watt
f
: 50 Hz
Irms
: 4.95 Ampere
Gambar rangkaian Inverter pada MATLAB ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 6. Rangkaian Inverter menggunakan MATLAB
2.5.
MPPT-FLC secara keseluruhan Rangkaian keseluruhan MPPT-FLC sistem on grid ditunjukkan pada
gambar 7 rangkaian terdiri dari modul PV sebesar 1000 Watt yang terdiri 10 x 100 Volt modul PV dirangkai secara seri, kemudian dihubungkan dengan DC-DC converter yang dikendalikan oleh fuzzy logic control, keluaran dari DC-DC converter langsung digunakan langsung ke inverter untuk dijadikan ke dalam bentuk tegangan AC. Tegangan keluaran inverter akan dimasukkan dalam sistem grid dengan nilai tegangan sesuai dengan inverter yaitu 220ѵ2
Gambar 7. MPPT-FLC secara keseluruhan
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1.
Pengujian modul PV Pengujian model PV digunakan untuk mengetahui karakteristik panel
surya terhadap perubahan beban. Nilai perubahan beban adalah 20Ω sampai dengan 200Ω. Karakteristik PV ditunjukkan dengan menggunakan grafik antara arus dengan tegangan dan perubahan daya dengan tegangan, seperti ditunjukkan pada grafik 1.
Grafik 1. Karakteristik daya vs tegangan dan arus vs tegangan berdasarkan perubahan beban
3.2.
Pengujian modul PV tanpa menggunakan MPPT-FLC Pengujian modul PV tanpa menggunakan MPPT dilakukan dengan
menghubungkan panel PV dengan beban, dimana beban divariasi mulai dari 20 Ω sampai dengan 200 Ω dan variasi radiasi matahari yaitu 200 W/m 2, 400 W/m2, 600 W/m2, 800 W/m2 dan 1000 W/m2. Hasil pengujian ditunjukkan pada grafik 2 yaitu grafik perubahan antara daya dengan perubahan beban.
Daya (Watt)
Grafik Daya Vs beban - Tanpa MPPT 800 700 600 500 400 300 200 100 0
200 W/m2 400 W/m2 600 W/m2 800 W/m2 1000 W/m2 20 40 60 80 100120140160180200 Beban (Ohm)
Grafik 2. Grafik antara daya dengan perubahan beban dan radiasi matahari
Semakin besar radiasi matahari yang diterima oleh modul PV maka daya yang dihasilkan juga semakin meningkat tetapi daya akan menurun apabila beban yang diberikan tidak sesuai dengan kapasitas PV. Daya rata-rata yang dihasilkan modul PV tanpa MPPT pada radiasi matahari 1000 W/m2 adalah sebesar 584.26 Watt
3.3.
Pengujian modul PV menggunakan MPPT-FLC Sistem MPPT yang digunakan adalah model kontroler fuzzy, yang
berfungsi untuk mengubah duty cycle pada DC-DC converter agar modul PV dijaga pada titik maksimum meskipun beban berubah-ubah. Tujuan dari MPPTFLC (fuzzy logic controller) adalah agar daya keluaran modul PV sesuai dengan daya yang dibutuhkan oleh beban. Hasil pengujian ditunjukkan pada grafik 3 yaitu grafik perubahan antara daya dengan perubahan beban dan perubahan radiasi matahari.
Grafik Daya Vs Beban - MPPT FLC 1200 Daya (Watt)
1000 800
200 W/m2
600
400 W/m2
400
600 W/m2
200
800 W/m2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
1000 W/m2
Beban (Ohm)
Grafik 3. Grafik antara daya dengan perubahan beban dan radiasi matahari
Sistem MPPT-FLC mampu mencari titik maksimum PV atau titik MPP dengan mengubah nilai duty cycle PWM (pulse width modulation) yang digunakan untuk mengontrol DC-DC converter agar menghasilkan tegangan dan arus yang diperlukan oleh beban. daya rata-rata yang dihasilkan oleh sistem PV menggunakan MPPT-FLC adalah sebesar 856.06 Watt pada radiasi matahari sebesar 1000 W/m2. Kenaikan daya rata-rata antara sistem tanpa MPPT dengan sistem menggunakan MPPT-FLC sebesar 291.08 Watt. Sistem MPPT-FLC dapat digunakan untuk meningkatkan rasio keluaran daya PV
3.4.
Perbandingan daya dan rasio daya antara sistem PV tanpa MPPT dengan sistem PV MPPT-FLC Perbandingan daya dan rasio daya antara sistem tanpa menggunakan
MPPT dengan sistem MPPT-FLC digunakan untuk mengetahui kinerja sistem PV yang dibuat. Tabel 2 dan grafik 4 menunjukkan hasil perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh sistem tanpa MPPT dengan sistem menggunakan MPPTFLC. Tabel 2. Perbandingan nilai daya berdasarkan perubahan radiasi matahari system tanpa MPPT dengan system menggunakan MPPT-FLC Irr(w/m2)
Pmax(W) Ppv tanpa MPPT(W)
Ppv Mppt-FLC(W)
200
585
475
265
Irr(w/m2)
Pmax(W) Ppv tanpa MPPT(W)
Ppv Mppt-FLC(W)
400
740
385.3
620
600
875
457.8
735
800
980
624.5
850
1000
1020
712.6
965
Irradiasi Vs Daya 1200
Daya (Watt)
1000 800 600
Pmax(W)
400
Ppv Tanpa MPPT(W) Ppv MPPT- FLC (W)
200 0 200
400
600
800
1000
Irradiasi (W/m2)
Grafik 4. Grafik antara daya dengan perubahan radiasi matahari antara sistem PV tanpa MPPT dengan sistem mengunakan MPPT-FLC
Sistem MPPT-FLC dapat menghasilkan daya keluaran yang lebih besar dibandingkan dengan sistem tanpa MPPT. Hal ini berarti sistem MPPT dengan menggunakan FLC dapat meningkatkan daya hasil keluaran dari sistem photovoltaic. Kenaikan daya berdasarkan kenaikan nilai radiasi matahari. Rasio kenaikan daya antara sistem tanpa MPPT dan sistem menggunakan MPPT-FLC ditunjukkan pada tabel 3 dan grafik 5 Tabel 3. Perbandingan rasio daya berdasarkan perubahan radiasi matahari sistem PV tanpa MPPT dengan sistem menggunakan MPPT-FLC Irr(w/m2)
Rasio Daya Rata-rata tanpa
Rasio Daya Rata-rata MPPT-
MPPT (%)
FLC(%)
200
45.30
81.20
400
52.07
83.78
600
52.32
84.00
Irr(w/m2)
Rasio Daya Rata-rata tanpa
Rasio Daya Rata-rata MPPT-
MPPT (%)
FLC(%)
800
63.72
86.73
1000
69.86
96.57
Irradiasi Vs Rasio Daya Rasio Daya (%)
120.00 100.00 80.00 60.00
Ppv Tanpa MPPT (W)
40.00
Ppv MPPT-FLC (W)
20.00 0.00 200
400
600
800
1000
Irradiasi (W/m2)
Grafik 5. Grafik antara rasio daya dengan perubahan radiasi matahari antara sistem PV tanpa MPPT dengan sistem mengunakan MPPT-FLC
Rasio daya rata-rata sistem PV tanpa MPPT adalah 56.65% sedangkan rasio daya rata-rata sistem PV yang menggunakan MPPT-FLC adalah 86.46%, sehingga terjadi kenaikan rasio daya rata-rata sebesar 29.8%. Hal ini terbukti bahwa sistem MPPT-FLC mampu meningkatkan rasio daya rata-rata PV.
3.5. Pengujian modul PV dihubungkan dengan sistem MPPT-FLC dan grid Pemodelan secara sederhana ditunjukkan pada gambar 8 yang dilakukan dengan memvariasi beban.
Gambar 9. Pengujian modul PV yang dihubungkan dengan sistem MPPT-FLC dengan grid
Pengujian dilakukan dengan memvariasi beban dari 20Ω sampai dengan 200 Ω dengan tingkat intensitas matahari 1000 W/m2 dan suhu ambient 25oC. Hasil pengujian ditunjukkan pada grafik 6.
Daya (Watt)
Daya Vs Beban 1200 1000 800 600 400 200 0
Pconv Pout 20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 Beban (Ω)
Grafik 6. Grafik perbandingan antara daya konverter dengan daya output
Berdasarkan grafik 6 terlihat bahwa dengan menggunakan MPPT daya yang dihasilkan oleh sistem converter cenderung konstan tidak terpengaruh dengan perubahan beban. Hal ini berbanding terbalik dengan daya keluaran (Pout) pada sistem yang mengalami penurunan yang linier sesuai dengan perubahan beban. Semakin besar beban yang diberikan pada sistem PV maka daya keluaran yang dihasilkan akan semakin menurun, hal ini disebabkan karena semakin meningkatnya beban maka Ploss (rugi-rugi daya) semakin meningkat, sehingga menyebabkan nilai Pout semakin menurun. Effisiensi digunakan untuk mengetahui kinerja dari sistem PV. Nilai effisiensi berbanding lurus dengan daya keluaran. Hasil effisiensi ditunjukkan
pada grafik 7. Berdasarkan grafik 7 terlihat bahwa perubahan beban berbanding terbalik dengan nilai effisiensi. Semakin besar beban yang diberikan maka effisiensi akan semakin turun
Efsiensi (%)
Effisiensi Vs Beban 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00
Effisiensi
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Beban (Ω)
Grafik 7. Grafik hubungan Effisiensi dengan Beban
4. KESIMPULAN
Dari data – data dan hasil analisa dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Daya berbanding lurus dengan radiasi matahari. Semakin besar radiasi matahari yang diterima oleh modul PV maka daya yang dihasilkan juga semakin meningkat 2. Daya rata-rata yang dihasilkan modul PV tanpa MPPT pada radiasi matahari 1000 W/m2 adalah sebesar 584.26 Watt, sedangkan daya ratarata yang dihasilkan oleh sistem PV menggunakan MPPT-FLC adalah sebesar 856.06 Watt pada radiasi matahari sebesar 1000 W/m2, sehingga kenaikan daya rata-rata sebesar 291.08 Watt 3. Rasio daya rata-rata sistem PV tanpa MPPT adalah 56.65% sedangkan rasio daya rata-rata sistem PV yang menggunakan MPPT-FLC adalah 86.46%, sehingga terjadi kenaikan rasio daya rata-rata sebesar 29.8%
4. Penggunaan MPPT-FLC pada sistem PV dapat digunakan untuk mengatasi perubahan daya yang diakibatkan karena perubahan beban yang bervariasi. 5. Pada pengujian sistem secara on grid dengan variasi beban didapatkan bahwa ketika beban semakin meningkat maka daya converter cenderung konstan tetapi daya keluaran semakin menurun sehingga effisiensi menurun. Saran Saran-saran untuk pengembangan penelitian tentang implemetasi MPPTFLC pada sistem PV antara lain: 1. Mengaplikasikan simulasi yang telah dibuat kedalam bentuk hardware yang sebenarnya sehingga bisa aplikasikan ke dalam kondisi real dilapangan. 2. Meningkatkan Efisiensi sesuai standar untuk sistem PV yaitu 92% sampai 95% [Agilent AN 1273 “Compliance Testing to the IEC 1000-3-2 (EN 61000-3-2) and IEC 1000-3-3 (EN 61000-3-3) Standard].
DAFTAR PUSTAKA
[1] Akhiro Oi, 2002, ”Design and simulation of photovoltaic water pumping system,”presented to the Faculty of California Polytechnic State University. [2] Chang, Yuen-Haw, and Chang,Chia-Yu, 2010, “Maximum Power Point Tracker of PV System by Scalling Fuzzy Control”, Proseding IMECS, hongkong, March. [3] D.C Riawan,C.V Nayar, 2008, ”Design and Implemantation of P-I based MPPT scheme for PV modules Operated on Wide Temperatur Range,” Department of Electrical & Computer Engineering, Curtin University of Technology Australia [4] D.Sera,T Kerekes, 2006, “Improved MPPT method for rapidly changing environment conditions,”journal Aalborg university/Institute of Energy Technology,Aalborg,denmark
[5] Dariusz Czarkowski, 2001, ”DC-DC Converter in Power Electronic Handbook” Editing by Rashid,Muhammad H, University of Florida, chapter 13. [6] Faranda, Roberto. Leva, Sonia. 2008. “Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems”. Italia. [7] Hajizadeh, Amin and Golkar,Masoud Aliakbar, September 2009, “Control of Hybrid Fuel Cell/Energy Storage Distributed Generation System Against Voltage Sag”, Electrical Power and Energy System,pp.488-497, iran. [8] Joe-Air Jiang,Tsong-Liang,Ying Tung Hsiao and Chia-Hong Chen, 2005, ”Maximum Power Tracking for Photovoltaic Power System,”Journal of Science and Engineering,vol.8,No 2,pp.147-153(2005) [9] J.Hamilton Scott “Sun-Tracking Solar Cell Array” , 2000, Department of computer science and Electrical Engineering, University of Queensland. [10] J.Kouto,A.El-Ali,N.Moubayed
and
R.Outbib,
2009,
”Improving
the
incremental conductance control method of a solar energy convertion system,” Departement of Electrical Engineering Faculty of EngineeringLebanese University [11] Messenger,Roger
A.
Ventre,
Jerry,
2003,
“Photovoltaic
Systems
Engineering”, second edition, CRC Press. [12] Mohan, Ned. Undeland, Tore M. Robbins, William P. 1995. “Power Electronics Converters, Applications, And Design”. New York. John Wiley & Sons, Inc [13] Mann Kin (Eddie) Lee and Chem Nayar, 2007, “Implementation of Photovoltaic Maximum Power Point Tracking using a Microcontroller” Curtin University of Technology. [14] Rosaidi Bin Roslan,2009, “A maximum Power Point Tracking Converter For Photovoltaic Application” [15] Elsevier’s Science & Technology Right Department in Oxfort, 2010 “Solar Energy Engineering Process and System”. [16] Zeller, J.; Zhu, M.; Stimac, T.; Gao, Z., 2001, Nonlinear Digital Control Implementation for a DC-to-DC Power Converter. Proc. of 36th Intersociety
Energy Conversion Engineering Conference IECEC’01, July 29 – August 2, Savannah, Georgia. [17] Agilent AN 1273 “Compliance Testing to the IEC 1000-3-2 (EN 61000-3-2) and IEC 1000-3-3 (EN 61000-3-3) Standard”
