Penerapan Hybrid Control sebagai Kendali pada High Ratio Boost Converter

Seminar Nasional Peranan Ipteks Menuju Industri Masa Depan (PIMIMD-4) Institut Teknologi Padang (ITP), Padang, 27 Juli 2017 ISBN: 978-602-70570-5-0 http://eproceeding.itp.ac.id/index.php/pimimd2017

Penerapan Hybrid Control sebagai Kendali pada High Ratio Boost Converter Andi M. Nur Putra*, Rahmat Rizki A. Putra, Fauzan Ismail, Asnal Effendi Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia *Korespondensi dialamatkan melalui email [email protected]

Abstrak Pembangunan sumber pembangkit listrik yang bersumber dari EBT terus meningkat. Namun rendahnya voltase keluaran pembangkit EBT seperti PV merupakan kendala saat harus dihubungkan secara langsung dengan sistem jala-jala. Penggunaan konverter daya merupakan langkah sederhana dibandingkan dengan menghubung sel PV secara paralel dalam jumlah yang sangat besar. High ratio boost converter merupakan konverter daya yang aplikasinya banyak dipakai untuk menaikkan voltase keluaran sel PV. Konverter ini bekerja dengan membagi beban kerja komponen saklar ke setiap saklar yang terdapat pada rangkaian konverter sehingga tidak perlu bekerja pada kondisi duty cycle yang sangat ekstrim. Untuk mengendalikan proses penyaklaran diterapkan hybrid control yang merupakan kendali non linier. Kendali ini dapat mengoptimalkan keluaran konverter dengan meminimalkan riak dan menurunkan frekuensi penyaklaran. Untuk melihat kinerja hybrid kontrol dalam mengendalikan proses penyaklaran pada high ratio boost konverter dilakukan simulasi pada perangkat lunak PSIM. Verifikasi dilakukan dengan mengubah ukuran boundary untuk melihat perubahan yang terjadi pada keluaran konverter. Dari hasil yang disertakan menunjukkan bahwa hybrid control bekerja dengan baik dimana diperoleh keluaran konverter yang diinginkan dengan riak yang sebesar 2,8% pada frekuensi penyekalran 8 kHz. hasil ini juga menujukkan bahwa meungkinkan untuk dilakukan pengembangan lebih lanjut terhadap topologi konverter dengan pendekatan hybrid control sebagai kendali proses penyaklarannya. Kata kunci: Hybrid control, high ratio, boost converter, PV systems.

1. Pendahuluan Saat ini, pembangunan pembangkit listrik yang bersumber dari energi baru dan terbarukan (EBT) terus meningkat, dimana sekitar 25% atau 8800 MW dari 35 ribu MW rencana pembangunan yang ditargetkan pemerintah Indonesia diupayakan dari EBT terutama energi surya (PV) [1]. Namun, voltase keluaran yang dapat dihasilkan oleh PV masih rendah sehingga dalam aplikasinya dibutuhkan jumlah sel yang banyak untuk memperoleh voltase keluaran yang tinggi agar bisa dihubungkan ke sistem jala-jala. Cara lain untuk menaikkan voltase keluaran PV adalah penggunaan konverter daya tipe boost [2]. Pada boost converter voltase keluaran yang lebih besar dibandingkan masukan diperoleh dengan mengendalikan duty cycle (D) komponen saklar selama berlangsungnya proses penyaklaran. Dengan mengubah-ubah besaran D maka akan diperoleh keluaran yang bervariasi. Penggunaan boost converter konvensional menjadi tidak efektif pada aplikasi PV karena rasio keluaran yang terbatas menyebabkan komponen saklar harus bekerja © 2017 ITP Press. All rights reserved.

dalam kondisi ekstrim ketika dituntut untuk memberikan keluaran dengan rasio yang tinggi. Akibatnya dapat menurunkan efisiensi keluaran dan menurunkan umur komponen saklar. Untuk alasan itu, dalam [2–6] telah dikembangkan topologi boost converter yang dapat menghasilkan keluaran dengan rasio yang tinggi tanpa menyebabkan saklar harus bekerja dengan kondisi yang ekstrim. kondisi ini diibaratkan seperti dua buah konverter yang terpisah bekerja bersamaan sehingga beban penyaklaran dibagi kepada masing-masing konverter [7]. Konverter ini tidak hanya dikembangkan untuk aplikasi PV namun juga pada aplikasi fuel cell [8–9]. Pemilihan tipe kontrol menjadi sangat penting dalam pengoperasian high ratio boost converter agar diperoleh keluaran yang diinginkan. Hybrid control merupakan salah satu jenis predictive control yang saat ini mulai banyak dikembangkan. Kontrol ini merupakan kontrol non linier yang bekerja sesuai prinsip penyaklaran dan mempunyai kelebihan seperti tidak memerlukan rumusan matematika yang sulit, tidak terpengaruh oleh perubahan DOI 10.21063/PIMIMD4.2017.291-295

292

frekuensi, dan riak yang dihasilkan jauh lebih kecil [10]. Selain itu, kontrol ini dapat memberikan keluaran yang optimal saat digunakan sebagai kendali pada boost converter [11]. Dalam makalah ini, hybrid control diaplikasikan sebagai kendali pada high ratio boost converter. Kontrol dioperasikan dengan meminimalkan riak pada keluaran dan menurunkan frekuensi penyaklaran. Untuk meminimalkan riak pada keluaran, kontrol melakukan proses penyaklaran dengan selalu memilih state yang arah vektornya paling dekat ke titik referensi. Sedangkan untuk menurunkan frekuensi penyaklaran, kontrol hanya melakukan proses penyaklaran ketika state yang dipilih mempunyai arah vektor menjauh dari titk referensi dan keluar dari batas aman yang ditetapkan. Sebagai validasi kinerja kontrol, hasil simulasi disertakan pada bagian akhir makalah ini.

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

D1

S2

L

Vin

C

S1

Vo

R_beban

D2

Gambar 1. Diagram high ratio boost converter

q1

q3

ẋ(t) – f1(x(t)) ẋ ϵ i1

ẋ(t) – f3(x(t)) ẋ ϵ i3

σ ϵ σ1 σ ϵ σ3

σ ϵ σ1 σ ϵ σ2

q2

σϵΣ

σ ϵ σ2 σ ϵ σ3

ẋ(t) – f2(x(t)) ẋ ϵ i2

q1

q3

σ-σ1

σ - σ3

x ϵ G13 x ϵ G31

x ϵ G21 x ϵ G12

xϵX

x ϵ G23 x ϵ G32 q2 σ-σ2

Gambar 2. Model hibrida high ratio boost converter

2. Automasi Hibrida Hybrid control bekerja berdasarkan interaksi antara dinamika kontinu dan state diskrit yang terdapat pada boost converter. Rangkaian konverter menghasilkan dinamika kontinu (arus dan voltase) dari komponen pasifnya seperti induktor dan kapasitor pada setiap state diskrit (konfigurasi ON/OFF) komponen saklarnya. Model hibrida high ratio boost converter diperoleh dengan menurunkan persamaan state space untuk setiap mode kerjanya seperti dijelaskan pada bagian selanjutnya.

L L

S1 S1

Vin Vin

D2 D2 L L

C C

Vo Vo

R_beban R_beban

C C

Vo Vo

R_beban R_beban

C C

Vo Vo

R_beban R_beban

(a) (a)

D1 D1

S2 S2

Vin Vin

(b) (b)

A. Model Hibrida Boost Converter Model topologi konverter yang telah diperkenalkan oleh [12] seperti ditunjukkan pada gambar 1 akan dikendalikan dengan hybrid control. Konverter tersebut bekerja secara komplementer antara S1 dengan D1 dan S2 dengan D2. Pada konverter terdapat kumpulan state diskrit yakni q1 (S1 ON; S2 OFF), q2 (S1 OFF; S2 ON), q3 (S1 OFF; S2 OFF), dan q4 (S1 ON; S2 ON). Dalam hal ini, konverter dioperasikan sebagai penaik voltase sehingga q4 merupakan state yang tidak mungkin terjadi pada konverter. Dengan demikian konverter mempunyai tiga himpunan state diskrit 𝑄 = {𝑞1 , 𝑞2 , 𝑞3 } dengan transisi E = {(q1,q2), (q1,q3), (q2,q1), (q2,q3), (q3,q1), dan (q3,q2)} seperti ditunjukkan pada gambar 2. Saat konverter berada pada mode kerja q1 arus akan mengalir melalui S 1 dan D2, sebaliknya mode kerja q2 arus mengalir melalui D1 dan S2 seperti gambar 3a dan 3b. Pada kedua mode ini diperoleh

L L

D1 D1

Vin Vin

D2 D2

(c) (c)

Gambar 3. Rangkaian ekivalen

𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑖 𝑑𝑣𝐶 𝑉𝑜 (1) = ; =− 𝑑𝑡 𝐿 𝑑𝑡 𝑅 Pada mode kerja q3 yakni ketika kedua saklar dalam keadaan OFF terjadi penyaluran enerbi ke beban dimana arus mengalir melalui D1 dan D2 seperti terlihat pada gambar 3c. Kondisi ini memberikan 𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑖 − 𝑉𝑜 𝑑𝑣𝐶 𝑖𝐿 𝑉𝑜 (2) = ; = − 𝑑𝑡 𝐿 𝑑𝑡 𝐶 𝑅𝐶 Dari persamaan (1) dan (2), maka besarnya medan vektor lipschitz dari setiap state diskrit adalah

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

293

Up + Ref

X3(k+1)

e Kp

+

1 Ti

1 s

Ui

Umax

+

+

U

Upresat +

+

-

Umin

Ud

Fdb Td

s Esat Kc

+

X1(k) θ3 θ1

θ2

Gambar 5. Diagram kontrol PID

e X2(k+1)

Tabel 1. Parameter boost converter

X1(k+1)

0

Xd

Gambar 4. Ilustrasi proses pengendalian hybrid control

1 0 0 𝑖 𝑓1 (𝑥) = [0 − 1⁄ ] [ 𝐿 ] + [𝐿 ] 𝑉𝑖 𝑅 𝑉𝑜 0 1 0 0 𝑖 𝑓2 (𝑥) = [ ] [ 𝐿 ] + [𝐿 ] 𝑉𝑖 1 0 − ⁄𝑅 𝑉𝑜 0 1 0 − 1⁄𝐿 𝑖𝐿 𝑓3 (𝑥) = [ ] [ ] + [𝐿 ] 𝑉𝑖 1⁄ 1 𝑉𝑜 0 𝐶 − ⁄𝑅𝐶

(3) (4) (5)

B. Metode Pengontrolan Didalam hybrid control, perubahan terhadap waktu pada dinamika kontinu merupakan akibat dari perubahan state diskrit saat proses penyaklaran yang mana dilakukan ketika kondisi yang ditetapkan oleh guard telah terpenuhi. Guard merupakan suatu fungsi yang akan mengatur kapan perlu dilakukan perpindahan dari state diskrit satu ke lainnya. Agar diperoleh keluaran dengan riak yang kecil, maka kendali akan memilih guard dari suatu vektor lipschitz yang memiliki arah paling mendekati titik referensi yakni vektor yang mempunyai sudut paling kecil terhadap vektor galat. Sedangkan untuk menjaga frekuensi penyaklaran agar tidak terlalu tinggi maka kendali hanya akan melakukan proses penyaklaran ketika arah vektor lipschitz telah terlalu jauh dari titik referensi atau keluar dari boundary yang ditetapkan sebagai batas aman pergerakan state trajectory. Dalam [11] dijelaskan bahwa ukuran boundary yang paling baik ada di rentang 50 – 65 persen dari ukuran maksimalnya yang dapat dipakai. Proses ini dapat dilihat pada gambar 2 dan 4 dengan guard dari state diskrit satu ke lainnya adalah

Parameter

Unit

Resistansi beban

6 ohm

Induktor

150 uH

Kapasitor

110 uF

Voltase masukan

50 volt

Voltase keluaran

110 volt

G (q1, q2) = σ2, G (q2, q1) = σ1, G (q1, q3) = σ3, G (q3, q1) = σ1, G (q2, q3) = σ3, G (q3, q2) = σ2.

3. Simulasi PSIM Penerapan hybrid control sebagai kendali pada high ratio boost converter gambar 1 disimulasikan pada perangkat lunak PSIM dengan parameter seperti tabel 1. Keluaran yang diinginkan pada konverter ini adalah 110 V dengan riak sebesar 5%. Referensi arus induktor diperoleh dengan menerapkan kendali PID dimana masukannya adalah galat antara referensi tegangan dengan tegangan keluaran konverter dc-dc boost. Diagram blok kontrol PID dengan anti wind-up ditunjukkan oleh gambar 5. Konstanta Kp dan Ki ditala dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols. Apabila konstanta Kp yang dipilih menghasilkan nilai tegangan puncak yang jauh dengan nilai puncak tegangan referensi, maka nilai Kp diperbesar sampai terjadi osilasi di sekitar referensi. Saat terjadi osilasi, konstanta Kp diperkecil dan dipilih konstanta Ki yang memberikan galat yang kecil. Konstanta Kp yang digunakan dalam simulasi adalah 10 dan Ti sebesar 0,1. Dengan demikian, titik referensi yang akan dicapai oleh vektor lipschitz di atur pada F = (33,33 𝐴, 110 𝑉).

4. Hasil Simulasi Simulasi high rasio boost converter menggunakan PSIM dilakukan pada time

294

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

Gambar 6. Grafik keluaran high rasio boost converter

sampling 2.5µs. Analisis dilakukan dalam kondisi tunak selama 1ms pada rentang waktu 0,199s – 0,2s seperti ditunjukkan pada gambar 5. Terlihat bahwa konverter dapat menaikkan voltase hingga diperoleh keluaran yang diinginkan dengan riak sebesar 2,5% pada frekuensi penyaklaran 19 kHz. Selain itu, dari gambar juga ditunjukkan bahwa beban komponen saklar selama terjadinya proses penyaklaran juga terbagi pada kedua saklar. Untuk memverifikasi kinerja kendali, maka dilakukan simulasi dengan menggunakan ukuran boundary (safe ball) yang lebih kecil dari sebelumnya. Diperoleh hasil bahwa perubahan ini dapat mengoptimalkan kinerja konverter dimana frekuensi penyaklaran turun hingga 8 kHz dan riak sebesar 2,8%.

Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih disampaikan kepada Institut Teknologi Padang melalui Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat yang telah mendukung kegiatan penelitian ini .

Referensi [1] [2]

[3]

5. Kesimpulan Penerapan hyrid control sebagai kendali penyaklaran pada high ratio boost converter telah disimulasikan. Dengan menggunakan topologi ini komponen saklar tidak harus bekerja dalam kondisi yang ekstrim karena proses penyaklaran dilakukan oleh dua buah saklar secara bergantian. Hybrid kontrol dapat mengotimalkan kinerja konverter dengan menurunkan frekuensi penyaklaran dan menghasilkan riak yang kecil pada keluaran. Ini memungkinkan bahwa pengembangan model topologi yang lebih sempurna dapat dibuat dengan menggunakan pendekat hybrid control sebagai kendalinya.

[4]

[5] [6]

DEN, “Outlook Energi Indonesia 2016,” 2016. P. Muthukrishnan and R. Dhanasekaran, “Dc-Dc Boost Converter for Solar Power Application,” Journal of Theori Application Information and Technology., vol. 31, no. 683, pp. 630– 636, 2014. B. Gu, J. Dominic, J. S. Lai, Z. Zhao, and C. Liu, “High boost ratio hybrid transformer DC-DC converter for photovoltaic module applications,” IEEE Trans. Power Electronics., vol. 28, no. 4, pp. 2048–2058, 2013. R. Basak, P. Nishita, Z. Elias, and S. Sreejith, “High gain Boost Converter with reduced switching stress,” 4th IEEE Spons. Int. Conf. Comput. Power, Energy, Inf. Commun. ICCPEIC 2015, pp. 393–399, 2015. Z. Chen and J. Xu, “High boost ratio DC – DC converter with ripple-free input current,” vol. 50, no. 5, 2014. A. S. Musale and E. Engineering, “Three Level DC-DC Boost Converter For High Conversion Ratio,” pp. 643–647, 2016.

Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang

[7]

[8] [9]

[10]

[11]

[12]

F. Sasongko, P. A. Dahono, and A. Rizqiawan, “Teknik Kendali Konverter DC-DC Topologi Baru Mode Boost,” J. Eng. Sci., no. 10, pp. 1–6, 2009. H. Hatsuyado and N. Hoshi, “A High Boost Ratio DC-DC Converter for Low Voltage Fuel Cell,” pp. 674–679, 2014. Dang Bang Viet, Y. Lembeye, J. P. Ferrieux, J. Barbaroux, and Y. Avenas, “New high power - high ratio non isolated DC-DC boost converter for Fuel cell applications,” 37th IEEE Power Electron. Spec. Conf., pp. 1–7, 2006. T. D. Rachmildha and Y. Haroen, “Power Electronic Circuit Control Using Hybrid Approach,” no. August, 2015. A. M. N. Putra, T. D. Rachmildha, Y. Haroen, and A. P. Sadono, “The Effect of Safe Ball Size Changes on Boost,” in The 3rd IEEE Conference on Power Engineering and Renewable Energy (ICPERE), 2016, pp. 19–23. A. Purwadi, K. A. Nugroho, A. Rizqiawan, and P. A. Dahono, “A New Approach to Synthesis of Static Power Converters,” no. August, pp. 627–633, 2009.

295