1
Desain dan Simulasi Boosting MPPT Tiga Level untuk Photovoltaic Distributed Generation Tiga Fasa Hafizh Hardika Kurniawan, Heri Suryoatmojo, Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] &
[email protected]
Abstrak - Distributed generation dengan memanfaatkan photovoltaic sebagai alat pengkonversi energi surya menjadi energi listrik membutuhkan peningkatan efisiensi, baik dari efisiensi daya output maupun efisiensi biaya investasi. Pada makalah ini dipaparkan desain dan simulasi boosting MPPT tiga level untuk photovoltaic distributed generation tiga fasa. Untuk pencarian daya maksimum digunakan metode P&O yang ditanam pada boost converter dengan dua buah IGBT. Kedua IGBT tersebut membentuk boosting MPPT tiga level.Untuk mengurangi biaya investasi boost converter langsung terkoneksi dengan inverter tanpa melalui baterai. Selanjutnya pengiriman daya menuju grid dilakukan dengan membuat selisih sudut fasa antara tegangan output inverter dengan tegangan grid. Hasil simulasi diperoleh bahwa MPPT dapat bekerja dengan baik untuk melakukan pencarian titik daya maksimum hingga diatas 60 % dari daya maksimal PV.
II. METODOLOGI A. Metoda Maximum Power Point Tracker (MPPT) Maximum Power Point Tracking (MPPT) [2] adalah sebuah algoritma yang digunakan pada solar cell untuk mengoptimalkan daya keluaran dari solar cell. Metode MPPT digunakan karena sifat dari cahaya matahari yang berubahubah mengakibatkan perubahan pada daya keluaran pada solar cell.
Kata Kunci—Boost Converter, Distributed Generation, MPPT, Photovoltaic.
P
I. PENDAHULUAN
ENGGUNAAN photovoltaic sebagai alat pengkonversi energy surya menjadi energy listrik membutuhkan algoritma MPPT (Maximum Power Point Tracking) agar photovoltaic dapat menghasilkan daya maksimum dengan kondisi beban berapapun. Beberapa metode yang biasa digunakan pada MPPT antara lain metode lookup table, metode tegangan open circuit sel surya, metode arus short circuit sel surya, metode perturbation & observation(P&O), metode kecerdasan buatan (artificial intelegent method). Pada makalah tugas akhir ini digunakan metode perturbation & observation(P&O). Dengan metode ini algoritma MPPT dapat dijalankan tanpa membutuhkan input data dari spesifikasi photovoltaic yang digunakan. Algoritma MPPT ditanam pada boost converter agar dapat mengatur tegangan output dari photovoltaic. Selanjutnya output boost converter terhubung dengan inverter tiga fasa yang berfungsi merubah tegangan DC menjadi ac dan mengatur tegangan output sistem agar dapat mensuply daya menuju grid. Makalah ini membahas bagaimana sistem photovoltaic distributed generation dapat mensuply daya secara maksimal menuju grid.
Gambar 1. Grafik metode P&O pada kurva karakteristik photovoltaic
Gambar diatas merupakan kuva karakteristik daya terhadap tegangan yang dimiliki oleh photovoltaic. Metode P&O pada algoritma MPPT menggunakan kurva tersebut untuk dapat melakukan pencarian titik daya maksimum dari photovoltaic. Berdasarkan gambar 1 metode P&O, tegangan dijejak dengan kenaikan yang kecil dan perubahan daya ∆P dapat diamati. Bila ∆P positif berarti mendekati titik daya maksimum dan bila negatif berarti menjauh dari titik daya maksimum, sehingga penjejakan harus dikembalikan kearah yang berlawanan. Masalah yang dihadapi P&O adalah terjadinya osilasi disekitar titik daya maksimumnya. Gambar di bawah iniadalah diagram alir algoritma P&O.
2 adalah perbedaan amplitudo tegangan mereka. Jika tegangan inverter lebih besar dari tegangan grid, tetapi mereka sefasa, maka inverter menyerap daya reaktif dari grid (mode induktif). Sebaliknya, jika tegangan output inverter lebih rendah dari tegangan grid tetapi masih sefasa, maka inverter menyuplai daya reaktif menuju grid (mode kapasitif). III. PEMODELAN DAN PERANCANGAN ALAT Sesuai dengan judul tugas akhir ini yang mendesain photovoltaic distributed generation, sumber daya sistem ini berasal dari photovoltaic. Photovoltaic menjadi input bagi tiga level boost converter. Pada tiga level boost convereter dilakukan peningkatan tegangan untuk mencari daya output maksimum dari photovoltaic. Pencarian titik daya maksimum dilakukan dengan algoritma MPPT (maximum power point tracking) dan metode P&O (Peturb and Observe). Selanjutnya untuk dapat memasukkan daya ke grid, maka output dari boost converter diinputkan kedalam inverter tiga fasa. Untuk memaksimalkan transfer daya sistem dilakukan penggesaran sudut fasa dan pengaturan tegangan output inverter. Boost Converter
P PWM
Gambar 2. Flow chart algoritma MPPT dengan metode P&O
Inverter 3 Fasa
Induktor
V Index modulasi
Photovoltaic
MPPT B. Aliran Daya Inverter Menuju Grid Voltage P&O Grid Pada pengiriman daya dalam suatu jaring distribusi perlu Control method diperhatikan adalah pergeseran sudut fasa tegangan grid dan inverter, amplitudo tegangan inverter dan grid. Daya aktif (P) Gambar 3. Blok diagram sistem keseluruhan dan daya reaktif (Q) yang dikirim menuju grid dapat dihitung A. Pemodelan Tiga Level Boost Converter melalui persamaan berikut [4],[11]. Boost Converter yang digunakan adalah boost converter yang memiliki tiga cara peningkatan tegangan dengan Vinv V grid menggunakan dua switch. Cara ini dapat mereduksi rugi-rugi Pout Sin (1) pada diode dan IGBT bila dibandingkan dengan tiga level X boost converter yang biasanya [2]. Berikut gambar rangkaian tiga level boost converter dengan tiga level peningkatan 2 Vinv Vgrid Vgrid tegangan. Q Cos (2) out
Dimana
Vinv
X
X
= tegangan inverter,
V grid = tegangan grid X
= impedansi = perbedaan sudut fasa antara Vinv dengan
V grid
Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa besarnya daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) untuk komponen fundamental dari arus output, tergantung pada parameter tegangan, impedansi, dan perbedaan sudut fasa. Sehingga, aliran daya menyumbang atau menyerap daya reaktif atau aktif dapat dikontrol dengan menentukan amplitudo dari tegangan output inverter dan pergeseran fasa Ø antara tegangan output inverter dan tegangan grid. Untuk mengirim daya reaktif dari inverter menuju ke grid, yang diperlukan
Gambar 4. Rangkaian Tiga Level boost converter
3 Tabel 1 Daftar Komponen tiga level boost converter Parameter
Besar
Lf Cf Cd1 & Cd2
2 mH 10 μF 10 mF
Sesuai dengan fungsinya pada sistem ini yaitu sebagai pengatur tegangan untuk mendapat nilai daya maksimum dari photovoltaic maka boost converter diatur berdasarkan daya output dari boost converter. Sesuai dengan algoritma MPPT dan metode P&O, dilakukan sampling data output daya dari boost converter dengan frekuensi sebesar 10kHz. Sampling dilakukan karena adanya respon transient dari perubahan daya sehingga data yang diambil sesuai frekuensi sampling merupakan output daya yang cukup stabil setelah terjadinya perubahan duty cycle pada sinyal kontrol IGBT. Berikut gambar sinyal kontrol pada tiga level boost converter.
Gambar 7. Inverter tiga fasa
Inverter tiga fasa sumber tegangan yang didesain menggunakan 6 buah IGBT. Pada inverter ini dilakukan pengontrolan tegangan untuk memaksimalkan daya keluaran dari inverter. IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS A. Pengujian Photovoltaic Pada tugas akhir ini, simulasi dan analisa tentang photovoltaic akan menganalisa sesuai dengan dasar teori, yaitu photovoltaic memiliki karakteristik titik daya maksimum dengan tegangan tertentu. Selain itu daya pada photovoltaic dapat maksimal jika pada kondisi intensitas cahaya dan temperatur yang sesuai Pada kenyataannya photovoltaic memiliki variasi jenis, diantaranya adalah tegangan maksimum dan arus maksimum yang dapat dihasilkan oleh photovoltaic. Berikut spesifikasi salah satu jenis photofoltaic yaitu KC200GT :
Gambar 5. Bentuk arus pada inductor jika duty cycle
Tabel 2. Spesifikasi Photovoltaic
0,5
Gambar 6. Bentuk arus pada inductor jika duty cycle > 0,5
B. Pemodelan Inverter tiga fasa Sesuai dengan judul tugas akhir ini, maka dibutuhkan device yang dapat merubah tegangan output dari boost converter yang berupa tegangan DC menjadi tegangan ac sinusoidal. Untuk dapat membuat output tegangan ac sinusoidal makadigunakan inverter tiga fasa SPWM switching. pengontrolan pada inverter ini menggunakan sinyal carrier berupa sinyal triangle (segitiga) dan sinyal referensi berupa sinyal ac tiga fasa. Hasil dari kontroler tersebut digunakan sebagai switching pada enam buah IGBT. Berikut gambar rangkaian simulasi inverter.
Parameter
Besar
Imax Vmax Isc Voc Eg A KV KA Rp Rs Ns
7.61 A 26,3 V 8,21 A 32,9 V 1,12 1,3 -0,373% / °C 0,039% /°C 415,405 Ω 0,0085 Ω 54
Pada tugas akhir ini model photovoltaic diatas diseri sebanyak sebelas dan diparalel sebanyak dua sehingga menghasilkan daya 4,2 kW. Untuk mengetahui karakteristik daya terhadap tegangan photovoltaic dilakukan pengujian dengan cara memberi menjadikan photovoltaic sumber daya dengan variasi beban. Pengujian ini berfungsi membuktikan perlunya MPPT pada penggunaan photovoltaic sebagai sumbar daya, hasil dari simulasi dapat dilihat pada tabel 3.
4
Beban (Ω)
1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tabel 3. Pengujian photovoltaic Tegangan (Volt) 16 164 285 315 327 334 339 342 344 346 348
Daya (Watt)
271 2.715 4.105 3.335 2.702 2.256 1.392 1.688 1.498 1.347 1.222
Gambar 8. Daya output boost converter dengan beban 40Ω
Dari data diatas dapat dilihat bahwa daya maksimum dari photovoltaic dengan parameter tabel 2 adalah 4kW, namun daya maksimum tersebut dapat tercapai saat tegangan 285 volt dengan beban 20Ω. Selanjutnya saat beban ditambah daya output photovoltaic semakin berkurang. B. Pengujian Boost Converter Boost Converter pada system ini berfungsi untuk meningkatkan tegangan output pada photovoltaic. Peningkatan tegangan dilakukan untuk memperoleh titik daya maksimum dari photovoltaic. Sebelum melakukan pengontrolan menggunakan MPPT dan memasukkan metode P&O, dilakukan uji terhadap boost converter dengan masukan supply konstan 1 Volt. Hasil uji dapat dilihat pada tablel 2. Tabel 4. Pengujian boost converter Duty Cycle R Vout (Volt) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1
Vin (Volt)
1
0,8 0,6 0.4 0,2 0.1
9,9 4,9 3,2 2,5 2,2 5 2,5 1,67 1,25 1,11
(Ω) 10.000
25
Setelah diketahui bahwa boost converter dapat bekerja dengan baik untuk menaikkan tegangan sesuai dengan duty cycle, selanjutnya boost converter dikoneksikan dengan photovoltaic. Pada system ini boost converter tidak dikontrol berdasarkan tegangan output, melainkan berdasarkan daya output. Sesuai dengan kegunaanya untuk mencari titik daya maksimum dengan control MPPT dan metode P&O. Berikut hasil simulasi dari photovoltaic dengan daya maksimum 4,2 kW.
Gambar 9. Daya output boost converter dengan beban 100Ω Tabel 5. Pengujian algoritma MPPT Beban (Ω)
Tegangan (Volt) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Daya (Watt) 147 261 357 400 463 489 518 548 572 600
2.000 3.390 3.976 4.027 3.981 3.968 3.847 3.789 3.724 3.644
Dari gambar 7 dan gambar 8 diatas dapat diketahui bahwa algoritma MPPT dengan metode P&O dapat mencari titik daya maksimum dari photovoltaic, hal ini dapat diketahui dari daya output boost converter. Pada gambar 8 dimana boost converter dibebani 20Ω pada saat satu detik terukur daya sebesar 9.690,76 Watt. Begitu juga dengan gambar 9 dimana boost converter dibebani 80Ω pada saat satu detik terukur daya sebesar 7.983,38 Watt. Untuk mengetahui dengan jelas fungsi MPPT pada sumber daya photovoltaic, gambar 10 membandingkan antara sistem dengan MPPT dan tanpa MPPT.
5
Gambar 10. Grafik perbandingan daya output tanpa MPPT dan dengan MPPT
Gambar 11. Output daya sistem dengan intensitas cahaya 1000 W/m²
C. Pengujian Inverter Pengujian sub sistem inverter dimaksudkan untuk mengetahui apakah inverter dapat bekerja dengan baik, yaitu dapat menghasilkan sinyal sinusoidal tiga fasa dengan jarak antar fasa sebesar 120°. Selain itu pada tugas akhir ini dibutuhkan pengaturan tegangan output dari inver. Pengaturan tegangan output diakukan dengan mengatur index modulasi pada pengaturan sinyal PWM sebagai triger IGBT. Dari percobaan dengan hasil pada tabel 4 terlihat bahwa tegangan output inverter tiga fasa berbentuk tegangan ac sinusoidal yang dapat diatur besar amplitudonya dengan jalan mengatur index modulasi inverter. Untuk hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 4.
Gambar 12. Output daya sistem dengan intensitas cahaya 700 W/m²
Dari grafik diatas nampak bahwa dengan algoritma MPPT daya output yang dihasilkan photovoltaic dapat selalu maksimal jika dibebani resistansi diatas 20Ω, sedangkan jika tanpa MPPT daya akan kembali turun saat dibebani diatas 20Ω. Hal ini disebabkan tidak adanya pencarian daya maksimum dengan cara mengatur tegangan, sehingga daya maksimal didapat hanya saat tegangan maksimum photovoltaic. Sedangkan pada penggunaan algoritma MPPT dengan boost converter, tegangan dinaikkan sehingga dapat mencapai tegangan dimana titik daya maksimum photovoltaic. Dari gambar 11 dan 12 diatas dapat diketahui bahwa daya bernilai positif yang berarti photovoltaic distributed generation mentransfer daya menuju grid. Selanjutnya perlu diketahui juga tegangan dan arus output dari sistem, gambar merupakan gambar tegangan dan arus output sistem
Tabel 4. Pengujian inverter
Tegangan Sumber (Volt)
100
Index modulasi 1.0 0,8 0,6 0,4 0,2
Tegangan Output (L-N) (Volt) 40,93 32,78 24,48 16,28 9,47
D. Pengujian Sistem Keseluruhan Pada Sub bab ini membahas tentang hasil simulasi sistem secara keseluruhan, Dimana bagian – bagian dari sistem seperti yang telah dijelaskan diatas dirangkai untuk dapat menjalankan tujuan dibuatnya tugas akhir ini yaitu sebuah distributed generation. Seperti pembangkit listrik pada umumnya, perlu diketahui output dari sistem ini yang berupa tegangan, arus, dan daya. Untuk mendapatkan informasi ini maka pada sub bab ini dilakukan pengujian dengan melihat output daya pada saat intensitas cahaya 1.000 w/m² dan 700 w/m². Berikut hasil dari simulasi :
Gambar 13. Tegangan dan Arus output sistem
Gambar 13 diatas memberikian informasi perbedaan sudut fasa antara tegangan dan arus. Dari keduanya diketahui arus leading terhadap tegangan dengan Ф = 53,7°. Sehingga power factor (Cos Ф) adalah 0,59. Dari data ini didapatkan bahwa sistem menyuplai daya aktif dan daya reaktif. Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, pengiriman daya dilakukan dengan membuat selisih sudut antara tegangan output sistem dan tegangan grid. Pada makalah ini perbedaan sudut sebesar 20º. Selanjutnya dilakukan analisa arus dan tegangan pada grid untuk mengetahui efek dari DG terhadap grid. Dengan cara membandingkan arus dan tegangan pada grid diketahui arus leading sebesar 73º terhadap tegangan. Jika dilakukan pengukuran didapatkan daya reaktif yang dikirim menuju grid sebesar -3.305 VAR. Hasil ini sesuai dengan hasil perhitungan secara power factor dan teori pengiriman daya.
6 V. KESIMPULAN
Gambar 14. Perbandingan tegangan output sistem dengan tegangan grid
Untuk mengetahui keandalan sistem ini maka dilakukan pengujian dengan beberapa intensitas cahaya, sehingga didapatkan perbandingan output daya sistem dengan daya maksimal dari photovoltaic sebagai berikut :
Dalam pembuatan Tugas Akhir ini yang berjudul “Desain dan Simulasi Boosting MPPT Tiga Level untuk Photovoltaic Distributed Generation” dengan melalui studi literatur, perancangan, analisa dan pengujian, maka dapat disimpulkan bahwa: 1. Algoritma MPPT dengan metode P&O dapat mencari titik daya maksimum dari photovoltaic. Terbukti dari perbandingan daya maksimum yang dihasilkan photovoltaic saat diuji stand alone, dengan beban 20Ω hingga 100Ω daya yang dihasilkan stabil pada kondisi 70 % hingga 92% dari daya maksimum photovoltaic sedangkan tanpa MPPT daya yang dihasilkan maksimal hanya saat tegangan output berkisar pada tegangan maksimal photovoltaic. 2. Pembangkit listrik tenaga surya dapat bekerja tanpa menggunakan baterai, yaitu dengan koneksi langsung dari boost converter dengan inverter yang terkoneksi dengan grid. Dari pengujian dngan intensitas cahaya 700w/m² hingga 1.000 w/m² didapatkan efisiensi tracking MPPT diatas 68%. 3. Pengiriman daya menuju grid bergantung pada tegangan output, impedansi saluran, dan perbedaan sudut antara tegangan grid dan tegangan output inverter. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember atas pendidikan yang didapatkan penulis selama kuliah.
Gambar 15. Efisiensi tracking sistem
Sesuai dengan kondisi nyata, photovoltaic kemungkinan mendapatkan intensitas cahaya yang berubah dalam waktu tertentu, maka dilakukan juga pengujian dengan melakukan perubahan intensitas cahaya dari 1.000 W/m² lalu turun menjadi 700 W/m² dan meningkat lagi 900 W/m². Hasil simulasi dapat dilihat pada gambar 16.
Gambar 16. Intensitas Cahaya (atas), daya output tiga level boost converter (tengah), daya output sistem (bawah)
[1]
DAFTAR PUSTAKA
Muhammad H Rashid , “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2001 [2] Jung Min Kwon, Bong Hwan Kwon, Kwang Hee Nam, "Three-Phase Photovoltaic System With Three-Level Boosting MPPT Control", IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 23, No. 5, pp. 2319-2327, 2008. [3] Fauzi Noval ,”Desain Dan Implementasi Maximum Power Point Tracker (Mppt) Solar Pv Berbasis Fuzzy Logic Menggunakan Mikrokontroller Avr”, Tugas Akhir, Teknik Elektro,, ITS, 2012. [4] Stevenson Jr., Wiliam D., “ Elements of Power System Analysis, fourth ed”. McGraw-Hill College,1982. [5] L. Egiziano, N. Femia, D. Granozio, and M. Vitelli, "Photovoltaic inverters with perturb & observe MPPT technique and one-cycle control," in Proc. IEEE ISCAS, pp.3718-3721,2006. [6] Ashari Mochamad, DC to DC Converter, Department of Electrical Engineering Sepuluh Nopember Institute of Technology (ITS) Surabaya. [7] Widodo Rusminto Tjatur, Rugianto Asmuniv dan Purnomo Sejati," Maximum Power Point Tracker Sel Surya Menggunakan Algoritma Perturb and Observe ," 2008 [8] Faranda, Roberto. Leva, Sonia. 2008. “Energy comparison of MPPT techniques for PV S ystems”. Italia. [9] Mohan, Ned. Undeland, Tore M. Robbins, W illia m P . 1 9 9 5 . “ Power Electronics Conve rters, Applica tio n s, A nd Desig n ” . New York. John Wiley & Sons, Inc. [10] Stan Mark Kaplan, Fred Sissine,(ed.), Smart grid: modernizing electric power transmission and distribution, The Capitol Net Inc, ISBN 1587331624, page 217, 2009. [11] Salman Mochammad,“ Perancangan Inverter Satu Fasa Yang Terhubung Dengan Jaring Distribusi Menggunakan Metode Hysterisis Current Control”, Tugas Akhir, Teknik Elektro,, ITS, 2011.
