1
OPTIMALISASI DAYA PADA INTERKONEKSI PHOTOVOLTAIC (PV) DAN JARINGAN DISTRIBUSI MENGGUNAKAN MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) METODE PENGUKURAN ARUS HUBUNG SINGKAT Dwi Agustina Hery Indrawati – 2206100028 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Istitut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih – Sukolilo, Surabaya - 60111 Abstrak - Energi matahari adalah pilihan terbaik untuk pembangkit listrik karena tersedia di setiap tempat secara gratis. Topik pada tugas akhir ini adalah tentang perancangan dari optimalisasi daya pada sistem interkoneksi Photovoltaic (PV) dengan Maximum Power Point Tracker (MPPT) dan jaringan distribusi. Salah satu metode PV konversi dengan MPPT adalah menggunakan metode Short Circuit Current (arus hubung singkat dengan menggunakan MPPT Buck-Boost Converter. Tegangan output dari MPPT berupa tegangan dc diubah menjadi tegangan ac melalui sebuah inverter. Tegangan ac yang dihasilkan kemudian akan disalurkan grid. Melalui simulasi dengan software MATLAB dibuat pemodelan PV, Buck-Boost Converter, MPPT, Inverter dan integrasi dari keseluruhannya. PV dengan MPPT mempunyai rasio daya lebih tinggi dibanding PV tanpa MPPT. Pada tugas akhir ini, PV menggunakan MPPT saat iradiasi 1000 Watt/m² menghasilkan rasio daya sebesar 60.37% . Tahapan dalam perancangan PV inverter terhubung ke grid meliputi pencarian daya puncak PV, menentukan besar nilai index modulasi untuk SPWM dan penentuan sudut δ antara tegangan grid dengan tegangan keluaran inverter. Hasil dari PV terhubung grid untuk m = 0.8 maka menghasilkan sudut δ sebesar 6.82º. Kata kunci : PV, MPPT, Buck-Boost Converter, Jaringan Distribusi, MATLAB
Gambar 1. Diagram kofigurasi sistem keseluruhan
II. KARAKTERISTIK PV, MPPT, RATIO DAYA 2.1. Prinsip kerja sel surya 2.1.1.Karakteristik Panel Photovoltaic PV mempunyai dua karakteristik yaitu P-V dan I-V karakteristik pada gambar 1 ditunjukkan pada [2]. Persamaan pada [3,4,5] yang memenuhi karakteristik panel surya yang digunakan pada Tugas Akhir ini antara lain: (1) (2) (3) (4) (5)
I. PENDAHULUAN Permasalahan yang timbul pada optimalisasi daya PV dan jaringan distribusi melalui MPPT antara lain adalah karakteristik arus dan tegangan keluaran PV yang bergantung dengan intensitas cahaya matahari dan suhu lingkungan (PV hanya menghasilkan listrik pada siang hari saja [1] . Batasan – batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah simulasi yang dilakukan menggunakan software MATLAB, desain model simulasi merupakan model photovoltaic dengan MPPT buck boost yang dikoneksikan ke grid satu phasa 220 Vac/50 Hz dengan mengabaikan adanya ripple, dan tidak membahas harmonisa pada keluaran inverter. Tujuan yang ingin dicapai dari pembuatan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui hubungan antara intensitas matahari serta suhu lingkungan terhadap kinerja PV , membuat suatu desain model PV dengan MPPT Buck-Boost Converter agar didapat daya maksimum yang akan disalurkan ke grid.
(6) (7) (8)
Gambar 1. Pengaruh intensitas sinar matahari terhadap I-V dan P-V karakteristik
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI - ITS
2
Gambar 2. Pengaruh suhu terhadap I-V dan P-V karakteristik Gambar 4. model sel surya pada Matlab
Gambar 3. Rangkaian Pengganti PV dengan nilai Rs tak hingga Tabel 1. parameter panel surya BPSX-60
2.2. MPPT Pengukuran Arus Hubung Singkat Prinsip kerja dari MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja sel surya. Apabila dalam suatu sistem sel surya, tegangan kerja sel surya jatuh pada daerah disebelah kiri Vmp (tegangan kerja lebih kecil daripada tegangan Vmp), maka tegangan kerja sel surya akan dinaikkan sampai mencapai Vmp, begitu juga sebaliknya. Setelah mencapai tegangan maximum point, secara otomatis daya keluaran pada sel surya juga akan menjadi maksimal. Adapun yang bertugas untuk menaikkan dan menurunkan tegangan adalah DC/DC konverter. Sistem MPPT dengan menggunakan arus hubung singkat adalah salah satu jenis metode dari MPPT dimana untuk mendeteksi daya keluaran maksimum dengan mencari nilai arus hubung singkat terlebih dahulu.
Standard condition : 25 ºC dan 1000W/m²
2.1.2 Pemasangan secara Seri dan Paralel Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan sel surya secara seri dan paralel. Oleh karena itu perlu adanya modifikasi pada persamaan yang ada pada sel surya [6]. M V M −VOC + RSM ⋅ I M M I M = I SC 1− exp NSMVtC
Gambar 5. Blok diagram secara umum dari sistem MPPT
(9)
Dimana : Arus Short Circuit PV Modul I SC = Tegangan Open Circuit PV Modul M
M C VOC = N SM VOC
C N PM I SC (10)
(11)
N M C Resistansi seri PV modul RS = SM ⋅ RS N PM (12) C Tegangan Termal PV sel Vt = nkT / q (13)
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI - ITS
Gambar 6. buck boost converter
3
Gambar 8. Kontrol MPPT Lookup Table pada Matlab
Gambar 7. flowchart metode Isc
Buck boost converter digunkan untuk manaikkan dan menurunkan tegangan. Rangkaian buck boost ditunjukkan pada gambar 6. Persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output [6]:
VO =
D ⋅ Vin 1− D
(14)
Besarnya Arus output :
IO =
1− D ⋅ I in D
Gambar 9. Simulasi Konverter Buck Boost pada Matlab
2.2 Ratio Daya PV Ratio daya PV adalah perbandingan antara daya beban dengan daya maksimum nameplate, dihitung dengan cara pembagian antara daya beban dengan daya maksimal yang bisa dikeluarkan oleh PV. Makin tinggi nilai ratio daya maka makin baik dan makin efisien kinerja PV tersebut. Persamaan ratio daya:
(15)
(18)
Buck-Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM (Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan :
Lmin =
(1 − D )2 ⋅ R 2f
(16)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan :
C=
VO ⋅ D ∆VO ⋅ R ⋅ f
(17)
Perhitungan nilai kapasitor (C) dan induktor (L) dari buck boost konverter tersebut pada kondisi CCM (Continous Conduction Mode) dengan D = 30% dan frekuensi switching 1 kHz ditunjukkan pada tabel 4. Tabel 2. parameter buck boost
Induktor / Kapasitor L (Induktor) C (Kapasitor) C1 (Kapasitor)
Keterangan 5660 µH 259 µF 259 µF
III . PEMODELAN SISTEM PV - GRID INTERKONEKSI Untuk menghubungkan PV ke grid diperlukan inverter yang mengubah keluaran dc menjadi keluaran ac. Pada Tugas Akhir kali ini digunakan singla phase full bridge inverter yang dikontrol oleh Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). SPWM ini terdiri atas sinyal modulasi dan sinyal carier. Sinyal modulasi merupakan keluaran ac yang diharapkan dan sinyal carier adalah gelombang triangular . Jika maka switch S+ pada inverter on dan switch S_ off. Begitu pula sebaliknya [7,8]. Ketika sinyal modulasi berupa gelombang sinusoidal dengan frekuensi dan amplitudo dan sinyal triangular dengan frekuensi dan amplitudo maka dapat dicari index modulasi ( ) .
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI - ITS
(19)
4
Gambar 10. pemodelan SPWM untuk inverter
Gambar 12. kurva tegangan dan arus PV (Iradiasi 500 Watt/m²)
Gambar 13. kurva daya PV (Iradiasi 500 Watt/m²)
4.1.2 Pengujian PV untuk Iradiasi 1000 Watt/m² Gambar 11. Rangkaian utama PV terkoneksi ke grid
Rasio frekuensi modulasi (
) (20)
Tegangan inverter ( ) (21) Dimana inverter.
adalah tegangan dc terhubung pada
Agar photovoltaic inverter dapat terhubung dengan grid, maka diperlukan pengaturan sudut δ antara tegangan keluaran inverter dan tegangan grid yang sebelumnya menentukan index modulasi untuk SPWM. Untuk menghubungkan grid dan inverter menggunakan persamaan aliran daya : (22)
Gambar 14. kurva tegangan dan arus PV (Iradiasi 1000 Watt/m²)
Gambar 15. kurva daya PV (Iradiasi 1000 watt/m²)
(23) = daya maksimum yang diinginkan Dimana = tegangan inverter = tegangan grid = sudut antara tegangan keluaran inverter dan tegangan grid =harga inductor yang menghubungkan antara inverter dengan grid = tegangan dc yang terhubung keinverter m = index modulasi
IV. HASIL SIMULASI dan ANALISIS
Gambar 16. daya keluaran maksimum pada PV tanpa MPPT dengan Suns = 1000 Watt/m², R = 25.6Ω.
4.2 Pengujian sistem PV yang dihubungkan dengan MPPT Daya maksimum nameplate adalah daya maksimum yang harus keluar pada suatu kondisi intensitas cahaya tertentu, misal saat iradiasi 1000 Watt/m² maka daya maksimum yang harus muncul adalah 4740 Watt.
4.1Pengujian PV 4.1.1 Pengujian PV untuk Iradiasi 500 Watt/m²
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI - ITS
5
Tabel 3. Pmax nameplate, Vmp, Imp dan Isc
Iradiasi Pmaks Vmp Imp (A) Isc (Watt/ nameplate (V) (A) m²) (W) 100 360.9 273.5 1.32 1.52 200 792.2 295.6 2.68 3.04 300 1249 312.1 4 4.56 400 1723 320.1 5.38 6.08 500 2208 327.5 6.74 7.6 600 2702 333.6 8.09 9.12 700 3204 337.2 9.5 10.64 800 3711 341.9 10.85 12.16 900 4223 345.7 12.22 13.68 1000 4740 348.3 13.6 15.2 4.2.1 Pengujian PV terhubung MPPT pada iradiasi 500 Watt/m²
Ratio daya rata-rata tanpa MPPT : 61.77% Ratio daya rata-rata dengan MPPT : 81.2% 4.2.4 Ratio daya pada iradiansi 1000 Watt/m² Gambar 17. Grafik daya beban tanpa dan dengan menggunakan MPPT (iradiasi 500 Watt/m²)
Tabel 5. Data ratio daya Tanpa dan dengan MPPT untuk Ir = 1000 W/m2.
4.2.2 Pengujian PV terhubung MPPT pada iradiansi 1000 Watt/m²
Gambar 18. Grafik daya beban tanpa dan dengan MPPT (iradisi 1000 Watt/m²)
Gambar 19. Daya beban dengan MPPT pada iradiasi = 1000 Watt/m², R = 13Ω 4.2.3 Ratio daya pada iradiansi 500 Watt/m² Tabel 4. Data ratio daya Tanpa dan dengan MPPT untuk Ir = 500 W/m2
Ratio daya rata-rata tanpa MPPT : 59.87% Ratio daya rata-rata dengan MPPT : 80.53%
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI - ITS
6
3.
Gambar 20. Ratio daya rata-rata
Dari kedua pengujian tersebut didapatkan, modul PV yang menggunakan MPPT mempunyai ratio daya yang lebih tinggi daripada modul PV yang tidak menggunakan MPPT. 4.3 Pengujian modul PV yang terhubung MPPT ke grid Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan modul PV dengan sumber yang lain yaitu grid. Pengujian dan analisis dengan menggunakan iradiansi 1000 Watt/m². Dari hasil simulasi dengan Vgrid = 220 Volt , link induktor = 0.004 H , Pmax = 5000 watt, Vdc = 340 Volt maka untuk besar index modulasi m= 0.8 diperoleh sudut δ = 6.82º untuk iradiasi 1000 Watt/m².
sedangkan saat iradiasi 1000 Watt/m² menghasilkan ratio daya sebesar 80.53% Tahapan dalam perancangan photovoltaic inverter terhubung ke grid meliputi pencarian daya puncak PV, menentukan besar nilai index modulasi untuk SPWM dan penentuan sudut δ antara tegangan grid dengan tegangan keluaran inverter. Untuk indeks modulasi m = 0.8 maka menghasilkan sudut sebesar 6.82º.
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4]
[5] Gambar 21. gelombang I load
[6] [7] [8]
Ikbal, M, “Interkoneksi Sistem Photovoltaic dengan Grid”, Sekolah teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia T.Taftich , et al., “An improved maximum power point tracking method for photovoltaic systems”, Institut de recherche sur l’hydroge`ne, Canada, G9A 5H7, 2007. S. Yuvarajan, et al., “A novel power converter for photovoltaic applications”, Electrical and Computer Engineering Department, North Dakota State University, Fargo, ND 58105, USA, 2004. Walker, Geoff, “Evaluating MPPT converter topologies using MATLAB PV model”, University of Queensland, Australia. V.Salas, et al., “Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems”, Spain, 2005. Messenger, Roger A, “Photovoltaic systems engineering second edition”, crcpress, 2003. \ Rashid, M.H, “Power electronics handbook”, Academic Press. Feel-soon Kang, et al., “Photovoltaic power interface circuit incorporated with a buck-boost converter and a full bridge inverter”, Republic of Korea, 2004
RIWAYAT HIDUP PENULIS Gambar 22. gelombang tegangan grid dan tegangan inverter
V. KESIMPULAN Dari simulasi dan analisis yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Daya puncak maksimum PV diperoleh dengan penelusuran karakteristik PV berdasarkan parameter solar irradiasi dan temperature. 2. PV menggunakan MPPT mampu mengasilkan ratio daya lebih tinggi dibanding PV yang tidak menggunakan MPPT, saat iradiasi 500 Watt/m² mampu menghasilkan ratio daya sebesar 81.2%,
Penulis lahir di Klaten pada tanggal 25 Agustus 1988 dengan nama Dwi Agustina Hery Indrawati. Pada tahun 2006 mendaftarkan diri menjadi mahasiswa Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dan diterima melalui jalur PMDK Kemitraan. Selama kuliah penulis mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga dan aktif menjadi asisten di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran Listrik dan Identifikasi Sistem Tenaga (LIPIST).
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI - ITS
