Implementasi MPPT (Maximum Power Point Tracker) DC-DC Converter Pada Sistem Photovoltaic dengan Menggunakan Algoritma Tegangan Konstan, P&O (Perturb and Observe) dan Incremental Conductance Harmini1) 1)JurusanTeknikElektro U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang50196,email:
[email protected]
Abstrak –PV mempunyai karakteristik kurva V-I yang tidak linier dan mempunyai daya maksimum pada titik tertentu dengan koordinat Vmpp dan Impp yang disebut dengan Maximum Power Point (MPP). Pada titik tersebut PV bekerja pada efisiensi maksimum dan menghasilkan daya keluaran yang paling besar.MPP tergantung dari intesitas radiasi matahari dan suhu, dimana intensitas dan suhu matahari tidak pernah konstan tergantung dari waktu dan kondisi cuaca.MPPT (Maximum Power Point Tracker) digunakan untuk mencari daya maksimum ketika terjadi perubahan cuaca dan menjaga titik kerja PV agar selalu berada pada titik MPP. Melalui penelitian ini, dibuat sebuah alat untuk optimalisasi MPPT pada sistem PV dengan mengimplementasikan algoritma MPPT yaitu Tegangan Konstan, Perturb and Observe dan Incremental Conductance.Ketiga algoritma tersebut dibandingkan untuk mendapatkan nilai efisiensi yang paling besar dalam pengkonversian energi matahari. Boost Converter dan mikrokontroler ATMEGA 32 digunakan untuk mengontrol tegangan dan arus kerja PV agar didapatkan nilai daya yang maksimum. Hasil pengujian di laboratorium dengan beban lampu 24V/16W dan baterai 24V/2,5Ah serta menggunakan algoritma tegangan konstan, P&O dan Incremental Conductance mendapatkan efisiensi berturut-turut adalah 43,523%, 39,741% dan 44,717%. Sedangkan pengujian dilapangan menghasilkan efisiensi berturut-turut 32,263%, 33,351% dan 38,568%. Incremental Conductance menghasilkan efisiensi yang paling besar dibandingkan dengan algoritma yang lain. Kata kunci : Algoritma MPPT, Boost Converter, Photovoltaic
tertentu dengan koordinat Vmpp dan Impp yang disebut dengan Maximum Power Point (MPP). Pada titik tersebut PV bekerja pada efisiensi maksimum dan menghasilkan daya keluaran yang paling besar.MPP tergantung dari intesitas radiasi matahari dan suhu, dimana intensitas dan suhu matahari tidak pernah konstan tergantung dari waktu dan kondisi cuaca [2].Pada saat kondisi radiasi sinar matahari rendah, efisiensi yang dihasilkan hanya mencapai 916 % [3].MPPT (Maximum Power Point Tracker) digunakan untuk mencari daya maksimum ketika terjadi perubahan cuaca dan menjaga titik kerja PV agar selalu berada pada titik MPP.Keluaran daya dipengaruhi oleh sinar matahari yang mengenai panel surya.Semakin besar intensitas radiasi matahari maka daya yang dikeluarkan semakin besar sedangkan semakin besar suhu maka daya yang dihasilkan semakin kecil atau menurun, sehingga daya keluaran sel surya tidak stabil. Pada penelitian ini akan dikembangkan MPPT dengan membandingkan tiga metode algoritma yaitu Tegangan Konstan (Constant Voltage), P&O (Perturb and Observe) dan Incremental Conductance untuk memaksimalkankan daya tanpa melakukan proses tracking atau perputaran secara mekanik terhadap panel surya. Peletakan panel surya tegak lurus terhadap arah datangnya sinar matahari.Pemilihan ketiga algoritma tersebut berdasarkan pada kebutuhan hardware atau perangkat keras yang digunakan termasuk jumlah sensor serta jumlah memori kontroler untuk mengimplemtasikan algoritma tersebut. Ketiga algoritma tersebut memiliki karakteristik yang berbeda dalam menetukan titik daya maksimum PV termasuk kecepatan dalam mencapai titik maksimum..
1.PENDAHULUAN
2.TINJAUAN PUSTAKA
Permasalahan yang ditimbulkan pada penggunaan PV (Photovoltaic) adalah daya keluaran PV yang seringkali tidak mencapai maksimal dari daya yang sebenarnya yang bisa dikeluarkan oleh PV terutama pada kondisi radiasi matahari yang rendah.Radiasi matahari yang diterima panel surya tergantung cuaca dan posisi matahari terhadap panel surya. Selain itu, PV mempunyai karakteristik kurva V-I yang tidak linier dan mempunyai daya maksimum pada titik
2.1. Karakteristik Photovoltaic Photovoltaic digunakan untuk menghasilkan energi listrik pada berbagai macam penerapan, seperti penerangan rumah, lampu lalu lintas, mobil ramah lingkungan dan aplikasi yang lainnya. Sel PV dapat dimodelkan secara elektronik seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [4][5][9]. Model elektronik tersebut terdiri dari sumber arus konstan (Isc), diode, resistor seri (Rs) dan resistor paralel (Rp).Persamaan model matematik
photovoltaic ditunjukkan pada Pers.1. I=I_(s-) I_o [e^((V+IR_s)/V_T )-1] (1) dengan I adalah arus yang mengalir keterminal, Is adalah sumber arus konstan, Io adalah arus diode kondisi reverse saturasi, VT adalah tegangan akibat panas, V adalah tegangan terminal dan Rs adalah resistor.
Gambar 1.Model elektronik sel photovoltaic [4][5][9].
Daya yang dibangkitkan oleh modul PV tergantung pada radiasi, suhudan kondisi penyinaran. Panel PV mempunyai karakteristik yang tidak linier dan mempunyai daya tertinggi yang berada pada titik tertentu dengan koordinat tegangan Vmpp dan arus Impp [2]-[5][8][9]. Tegangan dan arus dari keluaran modul PV harus diatur secara tepat untuk mendapatkan titik daya maksimum.Titik tersebut tidak selalu terdapat pada tegangan nominal sel PV dan dapat berpindah secara cepat akibat perubahan penyinaran dan suhu sel PV.Untuk mendapatkan daya yang optimal diperlukan sebuah alat yang digunakan untuk mencari titik daya tertinggi dan mengubah tegangannya ke tegangan yang diinginkan. Alat tersebut dinamakan Maximum Power Point Tracker (MPPT ) yang berfungsi untuk mengatur perubahan arus dan tegangan kerja sesuai dengan karakteristik sel PV. 2.2.MPPT (Maximum Power Point Tracking) Sistem PV mempunyai karakteristik yang tidak linier serta sangat tergantung pada suhu dan intensitas radiasi matahari, sehingga pada sistem PV terdapat titik tertentu yang dapat menghasilkan keluaran daya maksimal. Titik tersebut adalah Maximum Power Point (MPP), letak titik tidak diketahui tetapi dapat dicari dengan menggunakan perhitungan atau algoritma tracking. Maximum Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk mendapatkan daya maksimum dari sistem PV tanpa tergantung pada suhu dan radiasi matahari serta menjaga agar titik kerja PV tetap pada titik MPP saat terjadi perubahan kondisi lingkungan. MPPT sangat penting untuk meningkatkan efisiensi. Kontrol tegangan MPPT menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) atau lebar pulsa (Duty Cycle) melalui rangkaian DC-DC Converter. Prinsip dari MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja PV. Apabila dalam suatu sistem PV, tegangan kerja PV lebih kecil dari tegangan Vmpp maka tegangan kerja PV akan dinaikkan sampai mendekati tegangan Vmpp. Sebaliknya, apabila tegangan kerja PV lebih besar dari tegangan kerja
Vmpp maka tegangan kerja PV akan diturunkan mendekati tegangan Vmpp. Algoritma MPPT atau pendekatan secara matematik digunakan untuk men-dapatkan nilai daya maksimum. Algoritma yang dikembangkan untuk mengontrol MPPT antara lain Constant Voltage Method [3], Perturbion and Observation [2-4][8] dan Incremental Conductance algorithm [5][8]. Algoritma-algoritma tersebut mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing diantaranya kecepatan dalam mencari titik maksimum, efisiensi yang dicapai serta pengaruh terhadap perubahan kondisi lingkungan. Pada penelitian ini menggunakan ketiga algoritma tersebut untuk mendapatkan nilai efisiensi paling tinggi yang sesuai dengan kebutuhan beban, antara lain:. a. Metode Tegangan Konstan (Constant Voltage Method) Algoritma tegangan konstan adalah metode kontrol MPPT yang paling sederhana. Titik operasi dari PV dijaga didekat dengan MPP dengan mengatur tegangan dan menyesuaikan dengan tegangan referensi, dimana tegangan referensi di atur sama dengan tegangan MPP (VMPP) sesuai dengan karakteristik modul PV yang digunakan atau ditentukan dengan nilai tegangan yang lain. b. Perturbation and Observation P&O algoritma bekerja dengan mengganggu tegangan keluaran sel PV secara berkala dengan menaikkan atau menurunkan tegangan kerja PV dan membandingkannya dengan nilai daya terukur sebelumnya. Jika hasil perturbation (gangguan) lebih besar dari nilai sebelumnya maka gangguan selanjutnya dilakukan dengan menaikkan tegangan keluaran sel PV dan demikian juga sebaliknya. Gambar 2 menunjukkan flowchart algoritma P&O.
Gambar 2. Flowchart algoritma P&O [8]
c. Incremental Conductance Algoritma incremental conductance digunakan untuk mengatasi masalah yang ditimbulkan oleh algoritma P&O. Dasar algoritma ini adalah kurva kemiringan P-V. Pengontrolan dilakukan dengan
menaikkan atau menurunkan tegangan MPPT. Algoritma ini digunakan untuk memperbaiki algoritma P&O dan algoritma tegangan konstan. Gambar 3 menunjukkan flowchart algoritma Incremental Conductance. Gambar 5. Desain rangkaian boost converter[Skematik software Diptrace]
Gambar 3. Flowchart algoritma Incremental Conductance [8]
3.3. Perbandingan sistem MPPT antara metode tegangan konstan, Perturb and Observe dan Incremental Conductance. Hasil pengujian di laboratorium dan pengujian lapangan dengan meng-gunakan metode tegangan konstan, Perturb and Observe dan Incremental Conductance ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2 beban yang digunakan adalah lampu 24V/16W dan baterai 24V/2.5Ah. Tabel 1. Pengujian Laboratorium
3.HASILDANPEMBAHASAN
No
3.1. Blok diagram sistem MPPT Gambar 4 menunjukkan blok diagram dari system MPPT yang dibuat dalam penelitian ini. Beban yang digunakan adalah berupa beban DC dan baterai.
1 2 3
Pin (W)
Pout (W)
Efisiensi (%)
23.743 23.060 24.248
10.666 9.294 10.801
43.523 39.741 44.717
Tabel 1, Gambar 7 dan Gambar 8 menjelaskan bahwa pada pengujian di laboratorium sistem MPPT menggunakan algoritma tegangan konstan, P&O serta Incremental Conductance berturut-turut menghasilkan daya keluaran rata-rata sebesar 10,666 Watt, 9,294 Watt dan 10,801 Watt. Algoritma Incremental Conductance pada tegangan dan arus masukan yang sama serta beban resistif yang sama mempunyai daya rata-rata keluaran yang besar dibandingkan kedua algoritma yang lain. Efisiensi rata-rata yang dihasilkan berturut-turut adalah 43,523%, 39,741% dan 44,717% seperti ditunjukkan pada Gambar 9. Jadi, algoritma Incremental Conductance lebih efisien dibandingkan dengan algoritma tegangan konstan dan P&O. Daya yang konversikan oleh algoritma incremental conductance lebih besar dibandingkan algortima yang lain. Grafik Daya Input
28
26
24
Daya (W)
Gambar 4. Blok diagram sistem MPPT
3.2. PerancanganBoost Converter Spesifikasi perancangan boost converter yang dibuat dalam sistem MPPT adalah: Tegangan Masukan Vin : 17,4 volt Tegangan Keluaran Vout : 27,6 volt Tegangan ripple keluaran Vrr : 10mV Arus searah keluaran rata-rata Io : 3A Frekuensi pensaklaran fs :50 kHz Arus keluaran minimum I1 : 0,1 x Io Tegangan keluaran yang diinginkan adalah 27,6 volt untuk mengisi baterai sebesar 24 volt (menghubungkan seri dua baterai 12 volt). Tegangan terendah yang digunakan untuk mengisi baterai 24 volt adalah sebesar 27,6 volt. Gambar 5 menunjukkan desain rangkaian boost converter
Mode Voltage Constan P&O Inc.Cond
P Input Inc P Input VC P Input PO
22
20
18
16
0
20
40
60 80 Time (s)
100
120
140
Gambar 7. Perbandingan Daya input pengujian laboratorium
Grafik Daya Output
15
Grafik Daya Output
20
P Output Inc P Output VC P Output PO
18 16 14
10
Daya (W)
Daya (V)
12
P Output Iinc P Output VC P Output PO
10 8 6
5
4 2 0
0
0
20
40
60 80 Time (s)
100
120
500
1000
1500
2000
2500 3000 Time (s)
3500
4000
4500
5000
Gambar 11. Perbandingan Daya keluaran pengujian lapangan
Gambar 8. Perbandingan Daya output pengujian laboratorium Grafik Efisiensi
60
0
140
Grafik Efisiensi
70
Eff Inc Eff VC Eff PO
60
50
50 Efisiensi (%)
Efisiensi (%)
40 Eff Inc Eff VC Eff PO
30
40 30 20
20
10
10 0
0
0
20
40
60 80 Time (s)
100
120
140
Gambar 9. Perbandingan efisiensi pengujian laboratorium Tabel 2. Pengujian Lapangan.
No 1 2 3
Mode Voltage Constan P&O Inc.Cond
Pin (W)
Pout (W)
Efisiensi (%)
15.993 18.474 26.174
5.275 6.358 10.071
32.263 33.351 38.568
Pada pengujian dilapangan daya yang dihasilkan sangat tergantung dari kondisi cuaca. Dari Tabel 2, Gambar 10 dan Gambar 11 terlihat bahwa daya masukan rata-rata untuk algoritma tegangan konstan, P&O dan Incremental Conductance berturut-turut adalah 15,993 Watt, 18,474 Watt dan 26,174 Watt, sedangkan daya keluaran rata-rata adalah 5,275 Watt, 6,358 Watt dan 10,071 Watt. Grafik Daya Input
60
P Input Inc P Input VC P Input PO
50
Daya (W)
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
2500 3000 Time (s)
3500
4000
4500
5000
Gambar10. Perbandingan Daya masukan pengujian lapangan
0
500
1000
1500
2000
2500 3000 Time (s)
3500
4000
4500
5000
Gambar 12. Perbandingan nilai efisiensi pengukuran lapangan
Algoritma Incremental Inductance juga mempunyai efisiensi rata-rata yang tinggi dibandingkan dengan algoritma yang lainnya.Efisiensi yang dihasilkan oleh algoritma ini juga cenderung konstan karena respon yang cepat dalam mencari titik maksimumnya.Hal ini disebabkan karena kenaikan dan penurunan duty cycle yang sangat cepat berdasarkan nilai konduktansi masukannya. Nilai efisiensi dari algoritma tegangan konstan, P&O dan Incremental Conductance berturut-turut adalah 32,263%, 33,351% dan 38,568% seperti ditunjukkan pada Gambar 12. Pengujian lain dilakukan dilabaoratorium dengan menggunakan beban motor 24 Vdc dan beban resistif murni yaitu 47Ω/20W. Power supply sebagai simulator dari PV diatur pada tegangan 12 V dan arus 3 A. Hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 3 dengan memvariasi algoritma yang digunakan. Pengujian dengan menggunakan variasi beban bertujuan untuk mengetahui kehandalan dari sistem MPPT yang dibuat karena pada kondisi lapangan beban yang digunakan untuk kebutuhan sehari-hari berbeda-beda baik beban resistif maupun beban induktif. Tabel 4.3 menjelaskan bahwa algoritma incremental conductance menghasilkan efisiensi rata-rata yang paling besar dibandingkan dengan algoritma yang lain yaitu 50,975%, daya rata-rata yang dihasilkan juga lebih besar yaitu 4,673W. Sedangkan Tabel 4 menjelaskan hasil pengujian dengan menggunakan beban resistif murni 47Ω/20W, terlihat bahwa algortima
Incremental Inductance menunjukkan efisiensi yang paling besar dibandingkan dengan algoritma yang lain. Efisiensi rata-rata yang dihasilkan adalah 56,142% dengan daya keluaran rata-rata 10,880W. Pengujian beban resistif murni memberikan hasil perbandingan yang tidak terlalu signifikan karena beban dianggap ideal tidak ada rugi-rugi lain seperti induksi balik pada beban motor atau pada beban lampu yang mempunyai nilai kapasitif meskipun sangat kecil. Tabel 3. Pengujian Laboratorium beban induktif (motor). Pin Pout No Mode Eff (%) (W) (W) Voltage 1 8,980 4,450 49,430 Constan 2 P&O 9,069 4,508 49,697 3 Inc.Cond 9,184 4,673 50,975 Tabel 4. Pengujian Laboratorium beban resistif murni 47Ω/20W. Pout No Mode Pin (W) Eff (%) (W) Voltage 1 17,741 9,428 52,565 Constan 2 P&O 19,382 10,857 56,073 Inc.Con 3 18,861 10,880 56,142 d
4.KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. KESIMPULAN Dari data-data yang diperoleh dari pengujian alat, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Perancangan alat atau modul MPPT dengan mengimplementasikan algoritma tegangan konstan, P&O dan Incremental Conductance pada sistem photovoltaic ini menggunakan DC-DC Converter topologi boost converter yaitu menaikkan tegangan 12 V sampai 17,4 V menjadi tegangan 24 sampai 27,6 Volt dengan frekuensi switching sebesar 50 kHz, efisiensi yang dihasilkan boost converter mencapai 90%, sedangkan efisiensi dari modul photovoltaic setelah dikurangi rugi-rugi boost converter sebesar 84,5%. 2. Hasil perbandingan ketiga algoritma sistem MPPT dalam menentukan titik daya maksimum dengan pengujian mengunakan beban bervariasi (Lampu, Motor dan beban resistif murni) menunjukkan bahwa algoritma Incremental conductance lebih effisien dibandingkan dengan algoritma Tegangan Konstan atau Perturb and Observe, sehingga algoritma Incremental Conductance yang akan diimplementasikan untuk pemakaian dilapangan dengan skala PV yang lebih besar.
3.
Pada pengujian laboratorium efisiensi ratarata algoritma Tegangan Konstan, Perturb and Observe dan Incremental Conductance berturut-turut adalah 43,523%, 39,741% dan 44,717%. Sedangkan, pada pengujian lapangan efisiensi rata-rata algoritma Tegangan Konstan, Perturb and Observe dan Incremental Conductance berturutturut adalah 32,263%, 33,351% dan 38,568%.
4.2. SARAN 1. Meningkatkan Efisiensi sesuai standar untuk sistem PV yaitu 92% sampai 95% dengan pemilihan komponen-komponen elektronika yang mempunyai rugi-rugi kecil atau ESR (Equivalent Series Resistor) rendah. Komponen-komponen elektronika yang perlu diperhatikan adalah MOSFET, Dioda, Induktor dan Kapasitor. 2. Kontrol MPPT menggunakan sistem BuckBoost converter yaitu menurunkan dan menaikkan tegangan kerja PV. 3. Pengontrolan MPPT dilakukan pada sistem inverter dengan standart THD (Total Harmonic Distorsion) tegangan 2% dan THD arus 5% [StandartIEC 1000-3-2 (EN 610003-2) dan IEC 1000-3-3 (EN 61000-3-3)]. 5.DAFTAR PUSTAKA [1] J.Hamilton Scott “Sun-Tracking Solar Cell Array” Department of computer science and Electrical Engineering, University of Queensland. [2] D.Sera, T. Kerekes “Improved MPPT method for rapidly changing environment conditions,”journal Aalborg university/Institute of Energy Technology,Aalborg,denmark [3] Faranda, Roberto. Leva, Sonia. 2008. “Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems”. Italia. [4] Joe-Air Jiang,Tsong-Liang,Ying Tung Hsiao and Chia-Hong Chen,”Maximum Power Tracking for Photovoltaic Power System,”Journal of Science and Engineering,vol.8,No 2,pp.147-153(2005) [5] J.Kouto,A.El-Ali,N.Moubayed and R.Outbib,”Improving the incremental conductance control method of a solar energy convertion system,” Departement of Electrical Engineering Faculty of Engineering-Lebanese University [6] http://en.wikipedia.org/wiki/Sistem bumi dan matahari [7] http://www.timegenie.com/latitude_and_longitud e/state_coordinates/idjw [8] Akhiro Oi,”Design and simulation of photovoltaic water pumping system,”presented to
[9]
[10]
[11] [12]
[13]
[14]
[15]
[16]
the Faculty of California Polytechnic State University. D.C Riawan,C.V Nayar,”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 Mohan, Ned. Undeland, Tore M. Robbins, William P. 1995. “Power Electronics Converters, Applications, And Design”. New York. John Wiley & Sons, Inc. “MSX-77 and MSX-83 Photovoltaic Modules” 1999 193.190.56.244/~jelsen/msx83.pdf . T.Tafticht,K.Agbossou and M.L.Doumbia.”A new MPPT method for photovoltaic systems used for hydrogen production,” The International journal for computation and mathematics in Electrical and Electronic Engineering vol.26 No.1. 2007 pp.62-74. Dariusz Czarkowski,”DC-DC Converter in Power Electronic Handbook” Editing by Rashid,Muhammad H, University of Florida. Mann Kin (Eddie) Lee and Chem Nayar “Implementation of Photovoltaic Maximum Power Point Tracking using a Microcontroller” Curtin University of Technology. Elsevier’s Science & Technology Right Department in Oxfort “Solar Energy Engineering Process and System”, 2009 Rosaidi Bin Roslan,“A maximum Power Point Tracking Converter For Photovoltaic Application”, 2009
