Perancangan Maximum Power Point Tracker (MPPT) Untuk Panel Surya Menggunakan Konverter Cuk Dengan Metode Hill Climbing Dianggoro Darmawan 2207 100 539 Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111 Email:
[email protected] Abstrak - DC-DC konverter dengan Maximum Power Point Tracker (MPPT) diperlukan untuk memaksimalkan daya keluaran panel surya dengan radiasi matahari yang berubah-ubah.yang terpasang antara panel dengan beban atau baterai.. Untuk mendapatkan daya maksimum dari panel surya, tegangan output dari panel surya harus dioperasikan pada tegangan saat titik daya maksimum (mpp). Dengan metode MPPT, dutycycle pada swicth konverter dirubah pada nilai yang tepat, sehingga tegangan keluaran dari panel surya beroperasi pada tegangan saat titik daya maksimum (mpp). MPPT membutuhkan ripple tegangan dan arus input yang kecil dari panel agar didapatkan data daya keluaran panel surya dengan akurat. Hal itu bisa dipenuhi dengan menggunakan Continous Conduction Mode (CCM) konverter Cuk. Dengan metode ini, daya keluaran maksimum pada panel surya dapat disalurkan pada beban atau baterai sehingga dapat meningkatkan efisiensi kerja dari sistem panel surya. Kata kunci : Cuk konverter, Kurva I-V, Maximum Power point Tracker Hill Climbing.
Keandalan setiap panel surya ditentukan oleh kondisi pengoperasian beban dan perubahan cuaca yang mendadak. Dc-dc konverter Cuk dipilih karena 1) ripple arus input sangat kecil sehingga didapatkan Kurva I-V yang akurat, 2) tegangan beban sama dengan tegangan sumber, 3) pengurangan electromagnetic Interference (EMI) dikarenakan rendahnya input ripple arus dari panel surya, dan kecilnya kapasitansi yang dibutuhkan untuk mengatasi ripple arus[1]. Data kurva I-V ini nantinya untuk mengatur duty-cycle dari switch konverter sehingga resistansi input konverter sama dengan resistansi ekivalen dari panel surya[2].Dc-dc konverter Cuk dioperasikan Continous Conduction Mode (CCM) sehingga arus di sisi input konverter selalu mengalir. 2. Pemodelan Panel Surya[3,4] Model matematika dari panel surya merupakan arus short circuit (Isc) panel surya dimana dipengaruhi oleh fungsi radiasi matahari (S) dan tegangan open circuit (Voc)dengan persamaan di bawah ini.
1.
⎡ ⎛ qV0 I 0 = n p I ph − n p I rs ⎢exp⎜⎜ ⎣⎢ ⎝ kTAnS
Pendahuluan Krisis energi dan pemanasan global memaksa para peneliti mengembangkan sumber energi alternatif seperti panel surya yang bersifat terbarukan dan juga ramah lingkungan. Panel surya saat ini memberikan harapan menjadi sumber energi alternatif yang terbarukan. Kendala utama dari panel surya adalah daya keluaran panel yang dipengaruhi radiasi matahari yang selalu berubah-ubah. Sistem panel surya memperlihatkan bahwa hubungan nonlinier arus-tegangan, membutuhkan pencarian dan identifikasi Maximum Power Point (MPP) yang optimal. Maximum Power Point tracker dibutuhkan untuk memaksimalkan energi panel surya terhadap setiap temperatur dan level iluminasi matahari.
Gambar 1 Blok Diagam Rangkaian
⎞ ⎤ ⎟⎟ − 1⎥ ⎠ ⎦⎥
Io merupakan arus keluaran panel surya, np banyaknya sel yang terhubung parallel, ns banyaknya sel terhubung seri, k konstanta Boltzmann, q kecepatan perpindahan electron, T suhu permukaan panel, dan A konstanta deviasi karakteristik sel p-n junction. Irs merupakan arus saturasi sel yang berubah mengikuti temperatur dengan persamaan 3
⎛ qE ⎡ 1 1 ⎤ ⎞ ⎡T ⎤ I rs = I rr ⎢ ⎥ exp⎜⎜ G ⎢ − ⎥ ⎟⎟ ⎣Tr ⎦ ⎝ kA ⎣Tr T ⎦ ⎠
Gambar 2 Rangkaian ekivalen panel surya 1
Photo currrent (Iph) tergaantung pada raadiasi cahaya dan suhu sel yang dituunjukkan padaa persamaan dibawah inni
s I ph = [I scr + k i (T − Tr )] 10 00 Dimana Iscr = Aruus sel short-circcuit (A) ki = koeffisien suhu shoort-circuit currrent S = radiasi cahaya (Waatt/m2) Ketika sel dalaam kondisi sh K hort circuit, arus maksimum atau arus short circuit c (ISC) dihasilkan,, sedangkan pada p kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengaalir sehingga tegangannyya maksimum m, disebut teggangan open circuit. (V ( OC). Titik pada kurvaa I-V yang menghasilkkan arus daan tegangan maksimum disebut maximum p power poinnt (MPP). Karaktersittik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan d persam maan,
D Dengan mengggunakan fill factor f maka maksimum m daya dari sel surya didapat d dari persamaan n, Seehingga efisiensi sel surya s yang didefinisikkan sebagai daya yang dihhasilkan dari sel (Pmaxx) dibagi deng gan daya dari cahaya c yang datang (P cahaya) c / N Nilai efisiensi ini yang men njadi ukuran global dallam menentuk kan kualitas performansi suatu sel suurya. D Dalam perancanngan simulasi panel surya, dibutuhkann beberapa paraameter untuk mendapatkan m kurva karaakteristik yang g sesuai dengaan datasheet panel yangg disimulasikaan. Dalam tuggas akhir ini digunakan panel surya El E Sol 50 Waatt. Beberapa parameter panel surya El E Sol 50 W ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1 Parameter pannel surya El So ol 50 Watt Parameteer Nillai Maximum m Power (Pmaxx) 50 Watt Short Cirrcuit Current (IIsc) 3,2 25 Ampere Maximum m Power Current 2,9 91 Ampere (Imax) Open Cirrcuit Voltage (V Voc) 21,,75 Volt Nominal Voltage (Vmaxx) 17..24 Volt Series Coonnection (ns) 32 Fill Facto or (FF) 0.7 77 Luas panel surya 0.3 36 m2
Gambbar 3 Perancanngan simulasi panel surya El E Sol 50 Watt pada PSIIM Tabel 2 Perbbandingan datta panel Haasil D Data meter Param ssheet sim mulasi Maximum Power 550 Watt 50 Watt (Pmax)) Short Circuit 33,25 3,225 Curren nt (Isc) A Ampere Am mpere Maximum Power 22,91 2,994 Curren nt (Imax) A Ampere Am mpere 21,04 Volt Open Circuit 221,75 V Volt Voltagee (Voc) Nominaal Voltage 117.24 16,99 Volt (Vmax)) V Volt
Errror 0% 0% 1.003 % 3.226 % 1,445 %
Pemoddelan panel suurya pada Pssim ditunjukkaan pada gambar 3 daan perbandinggan pemodelaan dengan n datasheet panel surya El E Sol 50 Waatt ditunjuukkan pada tabeel 2.\ 3.
MPPT Hill Clim mbing[3,5] Maximum P Power Point Tracker T (MPPT T) adalah suatu metodde untuk meencari maximuum power point (mpp) dari d kurva karrakteristik dayyategangaan panel suryaa agar dapat mengambil m nillai duty cyycle yang nom minal, sehingga konverter dappat menyallurkan daya maksimum m darii panel surya ke k beban. Algoritma Hiill Climbing merupakan m salaah urah dan mudaah satu metode MPPT yyang sangat mu n MPPT ini i diimpleementasikan. Perancangan membu utuhkan dua pparameter unttuk menentukaan slope yaitu y tegangan input konverteer (VIN) dan aruus input konverter k (IIN).
d Dayya Dari dua paarameter itu didapatkan masuk (PIN), dan deengan IIN, makka dibandingkaan dengan n parameter dari pembacaaan data yanng sebelum mnya, yaitu PIN(n-1) dan VN(n-1). Hassil perbandingan itu didaapatkan ∆P dan n ∆I. ∆
1
∆
1
2
Dan hasil perkalian antara ∆P dan ∆V nantinya dinamakan slope. ∆ ∆
Gambar 4 memperlihatkan salah satu kurva panel P-V yang mempresentasikan dasar dari metode algoritma hill climbing. Garis merah menunjukan daerah dengan sinyal nol, yang merupakan nilai mpp. Bila nilai sinyal (slope) positif, maka tegangan akan naik untuk mendapatkan nilai mpp yang baru dan sebaliknya, jika nilai sinyal (slope) negatif, maka tegangan panel surya akan turun. Arah slope ditentukan dengan perbandingan ΔP dan ΔV. Dengan karakteristik dari konverter Cuk didapatkan ketetapan arah dari duty cycle. Bila hasil perbandingan (slope) itu jika dikalikan menghasilkan nilai positif maka nilai duty cycle ditambah dan bila menghasilkan nilai negatif maka nilai duty cycle dikurangi. Dengan menentukan slope maka didapatkan referensi duty cycle yang baru.
Gambar 4 Kurva P-V dengan perubahan tegangan untuk kondisi MPP
Sebelum eksekusi slope dilakukan untuk mengurangi atau menambah duty cycle, maka melihat dahulu karakteristik dari konverter yang digunakan, yaitu persamaan fungsi resistansi dalam konverter (Ri) terhadap duty cycle pada konverter Cuk mode Continous Conduction Mode (CCM) adalah sebagai berikut[6]. 1 Flowchart dari metode Hill Climbing ditunjukkan pada gambar 5. 4.
Perancangan Konverter Cuk[6,7] Pada cuk konverter, tegangan output bisa lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input sesuai dengan kebutuhan. Cuk konverter menggunakan dua konduktor L1 dan L2. Capasitor C1 memisahkan input dengan output dan memberikan perlindungan terhadap short pada beban. 4.1 Pemilihan kapasitor C1 Dalam rangkaian konvensional konverter Cuk, tegangan kapasitor C1 dianggap konstan. Ketika dioperasikan sebagai tracker kurva P-V, tegangan kapasitor harus memenuhi 2 hal, yaitu : 1.) untuk menghasilkan tegangan yang konstan antara periode switching dan 2.) untuk mengikuti tegangan input dari kurva I-V panel (frekuensi sweep).
Dengan periode switching (TS) adalah 50 µs, D saat maksimum yaitu 1, dan R sama dengan 4 ohm, maka didapatkan C1 > 6µF, sehingga dipilih C1=10µF. 4.2 Pemilihan induktor L1 dan L2 Syarat terbaik dalam menentukan induktansi adalah memberikan arus ripple peak-topeak lebih dari 40% dari arus input maksimum saat tegangan input minimum. Aliran ripple arus terhadap nilai induktor L1 dan L2 diberikan oleh persamaan ∆
40%
40% Untuk mendapatkan L1 dan L2 digunakan pendekatan nilai ripple arus input konverter. Nilai induktor dihitung dengan persamaan ∆
Gambar 5 Flowchart metode Hill Climbing
Nilai maksimum didapatkan dengan D=1 dan VIN=VOC, sehingga L1 ditentukan dengan ripple arus maksimum. Biasannya, nilai ∆iL1 adalah persen dari nilai rata-rata arus input konverter. ∆iL1 3
C1=10µF
+ VIN
SK KN 3F20/12
L1=0,8mH C2=100µF
C1=10µF
L2=0,8mH
VOOUT
IRF460
+
Gambar 6 Rangkaian keeseluruhan Konnverter Cuk tidak diijinnkan untuk meenjadi besar, karena k dapat menaikkann arus punccak pada innduktor dan komponen switching semikonduktor s , dan akan memperbesar bentuk dann harganya. D Dengan VOC = 21,75Volt dan d ∆iL1=2.4 Ampere maka m didapatk kan L1 sebesaar 453 µH. karena konverter k diooperasikan CCM C maka L1=L2>4533µH maka dipillih L1=L2= 8000 µH. 4.3 Pem milihan beban resistansi Rbebban K Konverter bekeerja dengan mode m CCM maka dalam pemilihan n beban adaalah sebagai berikut:
berubahh setiap waktuu swap mendekkati nilai tertenntu sesuai dengan data dari tegangann dan arus padda s resiistansi internnal input konveter, sehingga ma dengan ressistansi internnal konverrter akan sam panel surya. s p levvel Dari Gambaar 8 dengan perubahan iluminaasi dari level 300 W/m2 meenjadi 800W/m m2 dapat dilihat d bahwa daya d keluaran koverter k berubaah seiring dengan perubbahan level iluuminasi. Hal iini uktikan bahw wa konverter dengan MPP PT membu metodee Hill Climbinng dapat meng gikuti perubahaan level iluminasi matahhari. Simulasi diilakukan denggan pemodelaan dari panel surya El Sol 50 wattt dengan levvel ilumiannsi matahari ddari 200 W/m2 sampai dengaan 1000 W/m W 2 dan disiimulasikan den ngan temperattur 25 deraajat Celcius, sehingga s daya yang dihasilkaan saat leevel iluminasi matahari 10000 W/m2 adalaah sebesarr 50 Watt.
1 Kcrit merupakann suatu batasaan konverter untuk bek kerja dalam mode m DCM atau CCM, dimana billa K lebih besar dari Kcrit maka m sistem bekerja dengan d modde CCM, begitu b juga sebaliknyaa. Leq merupak kan persamaann kondisi L1 dan L2 dallam keadaan coupled c dengann persamaan sebagai berrikut
C2 = 1000 μF Sehingga rangkaian r keseluruhan dari koonverter Cuk ini ditunjukkkan pada gam mbar 6.
Hasil Simulasi sisteem dengan Psiim D Diagram simu ulasi pada gambar 7 merupakann sistem MPPT T menggunakaan konverter Cuk dengaan metode Hill H Climbing. Duty cycle PWM yanng dihasilkan oleh o metode MPPT M selalu 5.
Gam mbar 8 Daya kkeluaran (bawaah) konverter menggikuti perubahaan daya level illuminasi (atas))
100..00 90..00 80..00 70..00 60..00 50..00 40..00 30..00 20..00 10..00 0..00
Efisiensi Load Factor ηLF (%)
D Dengan L1 dan d L2 dalaam keadaan uncoupled,, maka N1/N2 bernilai 0 maaka, Leq=L1. Dengan niilai D=0 mak ka didapatkan nilai beban adalah R <32 < ohm. 4.4 Pem milihan koponeen Dioda U Untuk komponnen dioda diipilih dioda dengan jenis SEMIKRO ON SKN3F200/12, karena berdasarkaan datasheet yang y ada diodaa ini mampu melewatkaan tegangan daan arus maksiimal sebesar 1200 Volt 41 Ampere, seelain itu dioda ini memiliki kemampuaan reverse recoovery time yang g cepat yaitu 250 nano detik. d U Untuk kompon nen kapasitorr C2 dapat diperoleh dari d persamaann 2.26 dengan asumsi a riplle tegangan 2 mVolt, yaitu: DV g ΔVc 2 = 8C 2 L2 f s 2
Ga ambar 7 Diagrram simulasi siistem MPPT mengg gunakan Konveerter Cuk denggan metode Hilll Climbing
100.00
5 ohm m 10 ohm m 15 ohm m 600.00
level Iraadiasi Matahaari (W/m2) mbar 9 Grafik hhasil simulasi perbandingan p Gam setiap bebann tanpa metodee MPPT 4
Effisiensi Load Factor ηLF (%)
95.00 90.00 85.00 5 ohm 80.00 75.00
10 ohm 15 ohm
70.00
Level Iluminasi Matahari (W/m2) Gambar 10 Grafik hasil simulasi perbandingan setiap beban dengan metode Hill Climbing Gambar 9 adalah hasil simulasi data efisiensi dari sistem tanpa metode MPPT. Setiap beban hanya mencapai nilai efisiensi load factor yang tinggi hanya pada level iluminasi matahari tertentu, karena nilai beban mendekati nilai resistansi internal panel surya. Dibandingkan dengan sistem dengan metode MPPT Hill climbing nilai efisiensi load dengan beban yang berbeda-beda semuanya mendekati maksimum. Hasil Pengujian Sistem Metode MPPT Pengujian ini dirangkai dengan panel surya yang terhubung langsung ke beban. Pengujian ini ditujukan untuk mendapatkan data daya maksimum panel surya pada level iluminasi tertentu dan juga untuk mengetahui daya yang diserap beban tanpa sistem MPPT serta untuk mengetahui resistansi internal dari panel surya El Sol 50 Watt. Pengujian sistem MPPT dengan metode Hill Climbing dilakukan pada level iluminasi matahari 683 W/m2 sampai dengan 757 W/m2.Perubahan signifikan terjadi pada beban 15 ohm karena pada saat pengukuran tanpa sistem MPPT nilai resistansi internal panel lebih kecil dibandingkan resistansi beban, sehingga beban tidak menyerap daya yang maksimum.
Tabel 3 Perbandingan daya terukur antara sistem tanpa MPPT dengan sistem MPPT BEBAN LEVEL TANPA DENGAN KENAIKAN ILUMINASI MPPT MPPT (%) (W/m2) (Watt) (Watt) 5 OHM 683 22.11 23.20 4.70 718 22.94 24.31 5.64 757 24.31 24.99 2.72 10 683 20.25 22.25 8.99 OHM 718 20.14 24.06 16.29 757 20.16 25.31 20.35 15 683 15.49 22.37 30.76 OHM 718 15.50 23.59 34.29 757 15.59 24.53 36.45 32,63 W 24,53 W 15,59 W
Sistem MPPT Sistem tanpa MPPT
1,86 A 1,02 A
13,48 V 15,28 V
6.
Gambar 11 Pengujian Sistem MPPT menggunakan konverter Cuk dengan metode Hill Climbing
mpp
Gambar 12 perbandingan titik kerja sistem dengan beban 15 ohm dan level iluminasi 757 W/m2 Gambar 12 memperlihatkan perbedaan titik kerja antara sistem MPPT dengan sistem tanpa MPPT pada kurva karakteristik panel surya dengan beban 15 ohm dan level iluminasi 757 W/m2. 7.
Kesimpulan Hasil pengukuran mendapatkan efisiensi alat yang dibuat mencapai 76,66 %. Dalam pembuatan sistem MPPT menggunakan konverter Cuk dengan metode Hill Climbing ini masih terdapat ketidaksempurnaan dalam rangkaian konverter yang dibuat. Dalam pemilihannya, mosfet IRF460 dapat bekerja pada range arus 0 – 20 Ampere dengan tegangan breakdown sebesar 400 Volt. Dalam hal ini sebenarnya sudah dapat memenuhi kebutuhan dari kondisi rangkaian saat beroperasi. Tetapi pada saat pengoperasiannya mosfet bekerja pada temperatur yang tinggi sehingga mengakibatkan losses yang besar. 8. Daftar Pustaka [1] V. Mummadi, “Power Tracking for Nonlinier PV Sources with Coupled Inductor SEPIC Converter”, IEEE Trans. Aerospace and Electronics System, Vol.41, No. 3, July 2005. [2] Henry Shu-H.C, K. K. Tse, Ron Hui S. Y. “A Novel Maximum Power Point Tracking Technique for Solar Panel Using a SEPIC or
5
[3] [4]
[5]
[6]
[7]
Cuk Converter”,IEEE Trans Power Electron, Vol. 18, No. 3, May 2003. Rashid, M.H, "Power Electronics Handbook", Academic Press. Canada, 2001. G.J. Yu,Y.S. Yung, J.Y. Choi, G.S. Kim, “A Novel two-mode MPPT control Algorithm based on comparative study of existing algoritms”,Science Direct Solar energy, 2004. Peftitsis D., Adamidis G., Balouktsis A., “A New MPPTMethod for Photovoltaic Generation Systems Based on Hill Climbing Algorithm”, IEEE on Electrical Machines, 2008. E. Duran, J.M. Enrique, M.A. Bohorquez, “A new Application of the Coupled-Inductors SEPIC Converter to obtain I-V and P-V Curves of Photovoltaic Modules” Proc. IEEEAPEC, 2001 G. Wei, Z. Dongbing, “designing a SEPIC Converter”, National Semiconductor Application Note, April 2008
9.
Riwayat Penulis
Dianggoro Darmawan, dilahirkan di Jember tanggal 13 Mei 1986. Pendidikan dari masa TK sampai pada masa SMA dihabiskan penulis di Kabupaten Jember. Riwayat pendidikan penulis adalah sebagai berikut : 1. Taman Kanak-kanak HAVEA Jember 2. SDN Kebonsari II Jember. 3. SLTP Negeri 10 Jember 4. SMU Negeri 3 Jember 5. D3 Computer Control FTI ITS Surabaya. Ketertarikan dalam bidang elektro dimulai penulis sejak masa SMP dengan karya pertama yaitu bel listrik.
6
