JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
1
Sistem MPPT Untuk PV dan Inverter Tiga Fasa yang Terhubung Jala-Jala Menggunakan Voltage-Oriented Control Andi Novian L , Mochamad Ashari, Vita Lystianingrum Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak - Photovoltaic (PV) adalah komponen semikonduktor yang merubah energi cahaya menjadi energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan sel surya diperoleh dari kemampuan sel surya untuk memproduksi tegangan dan arus yang melalui beban pada waktu yang sama. Untuk mendapatkan performansi daya puncak sel surya digunakan maximum power point tracking (MPPT) dengan menganalisa perubahan irradiasi. Sel surya menghasilkan arus dan tegangan searah (dc). Untuk dapat menghasilkan keluaran dengan daya maksimum dibutuhkan boost konverter yang terhubung dengan inverter tiga fasa. Tugas akhir ini menyajikan perancangan sistem photovoltaic dan inverter berbasis MPPT Voltage-Oriented Control (VOC) yang tersusun atas dua loop pengaturan yang berupa kontrol tegangan dc pada boost konverter dan kontrol arus pada inverter. Kontrol arus disini merupakan pengontrolan dari orthogonal sinkron d,q frame. Arus referensi dari proporsional-integral (PI) yaitu d-axis yang berasal dari nilai set point yang telah ditentukan. Selain itu untuk memperoleh unity power factor nilai dari qaxis disetting sama dengan nol. Hasil simulasi menunjukkan ketika sistem diberi beban dan tanpa beban terdapat perbedaan nilai daya yang disalurkan ke grid. Kata kunci - Photovoltaic (PV) , MPPT, VOC
I. PENDAHULUAN i era globalisasi saat ini, kebutuhan akan sumber energi listrik menjadi faktor utama dalam kehidupan. Berbagai rutinitas kegiatan yang dilakukan manusia seharihari tidak jauh dengan barang elektronik sehingga membuat listrik menjadi kebutuhan pokok. Dengan semakin banyaknya permintaan akan listrik membuat kontinyuitas akan pasokan listrik semakin tinggi, sehingga membuat kinerja pembangkit semakin berat serta minyak bumi sebagai bahan bakar pembangkit semakin menipis. Untuk itu perlu adanya inovasi pembangkit listrik yang berasal dari energi terbarukan, sebagai contohnya adalah photovoltaic (PV). Photovoltaic array (PVA) dapat menghasilkan daya yang dapat berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya yang diterima oleh PVA. Semakin banyak cahaya yang diterima, maka semakin banyak pula daya yang dapat dibangkitkan. Dengan menganalisa masukan module photovoltaic dan memanfaatkan kemampuan kapasitas puncak module photovoltaic diharapkan efisiensi konversi dapat maksimum dan PV dapat memberikan daya keluaran sesuai dengan kapasitas. Maximum power point tacker (MPPT) adalah
suatu sistem elektronik untuk mencari point (titik) maksimum dari daya dengan melihat tegangan dan arus masukan atau dengan melihat irradiasi dan temperatur pada aplikasi solar photovoltaic. Ada dua tipe konfigurasi dari PV sistem yang terhubung ke tegangan jala-jala, yaitu satu tahap atau dua tahap. Pada sistem dua tahap, yang pertama yaitu menggunakan boost converter untuk dapat memaksimalkan tegangan dari PV array dan mencari daya maksimalnya. Yang kedua yaitu membuat daya yang dihasilkan PV menjadi tegangan bolak-balik dan dapat dihubungkan dengan tegangan jala-jala secara bersamaan [1]. II. URAIAN DESAIN SISTEM Pemodelan sistem untuk Tugas Akhir ini adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Pemodelan sistem ini hanya menunjukkan blok diagram yang berupa subsistem yang didalamnya terdapat rangkaian yang lebih kompleks lagi. Tujuan pemodelan sistem ini adalah untuk mempermudah pembaca dalam melihat sistem secara keseluruhan.
D
Gambar 1. Pemodelan sistem keseluruhan
Pada bagian yang pertama terdapat permodelan dari Photovoltaic (PV) yang disimulasikan dalam sebuah PC dan akan memberikan nilai tegangan, arus serta daya sesuai dengan irradiasi dan suhu yang diberikan. Hasil simulasi untuk tegangan pada PV tersebut menjadi nilai refrensi pengontrol tegangan pada bagian VOC. Pada bagian selanjutnya terdapat rangkaian DC-DC converter jenis boost konverter yang berfungsi untuk menaikan nilai tegangan dari sumber DC agar tegangan yang tersalurkan ke inverter tetap pada ratingnya. Selanjutnya pada bagian inverter yang merupakan rangkain DC-AC konverter di
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 kontrol oleh VOC juga yang didalamnya terdapat kontrol arus pada inverter, kontrol arus disini merupakan pengontrolan dari orthogonal sinkron d,q frame. Arus referensi dari proporsional-integral (PI) yaitu d-axis yang berasal dari nilai set point yang telah ditentukan.[1]. A. Karakteristik PV Sel surya atau PV merupakan suatu komponen semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Adapun karakteristik besarnya daya yang dapat dikeluarkan oleh PV bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan PV dan suhu pada permukaan PV.[3]. Pada Gambar 2 dan Gambar 3 menunjukkan pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari dan suhu pada sel surya.
2
I I L I O e q V IRS / nkT 1 I L I L T1 1 K 0 T T1
(2)
I LT1 G I SCT1, nom / Gnom
(3)
K 0 I SC T 2 I SC T 1 / T2 T1
(4)
I 0 I O (T 1) T / T1 3 / n e
I O (T 1) I SC (T 1) /(e
(1)
qVg / nk 1 / T 1 / T1
qVOC ( T 1 ) / nkT1
)
(5) (6)
RS dV / dIVOC 1 / X V
(7)
qV / nkT1 X V I O(T 1) q / nkT1 e OC (T 1)
(8)
Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya Solarex MSX60 dengan spesifikasi ditunjukkan pada Tabel 1 dengan keluaran daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari 36 PV dengan diode jenis crystalline yang dirangkai secara seri. Tabel 1 Parameter Panel Surya Solarex MSX-60
Gambar 2. Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari terhadap Sel Surya Grafik I-V (kiri) dan Grafik P-V (kanan)
Gambar 3. Pengaruh Suhu terhadap Sel Surya Grafik I-V (kiri) dan Grafik P-V (kanan)
Pemodelan PV yang kita gunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 4.
Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan PV secara seri dan paralel. Persamaan untuk penentuan pemasangan PV secara seri dan paralel : M I iNb 1 I i
V iNm 1Vi
M
(9) (10)
Dengan berasumsi bahwa irradiasi dan suhu yang diterima oleh setiap modul PV sama besar maka :
I NB I M Gambar 4. Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)
Persamaan untuk rangkaian ekuivalen Gambar 4 dalam menentukan kurva karakteristik I-V output sel surya adalah [2]:
V N B V
(11)
M
(12)
Dari persamaan 11 dan 12 didapatkan bahwa modul PV terhubung sebanyak 18 seri dan 8 paralel. Pemodelan PV pada Matlab untuk tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 5.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
Gambar 5. Model Sel Surya pada Matlab
B. Boost Konverter Desain dari boost-converter ini menggunakan komponen yang ada pada SimPower System environment dalam Matlab Simulink. Boost konverter digunakan untuk menaikkan tegangan DC [6] dan boost konverter ini mempunyai dua komponen penting seperti yang disebutkan diatas yaitu sebuah induktor dan sebuah kapasitor. Adapun gambar rangkaian dari boost konverter diperlihatkan pada Gambar 6. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output : Vo
Vin 1 D
3 C. Voltage Oriented Control Voltage Oriented Control merupakan metode MPPT yang digunakan dalam tugas akhir ini. Metode ini merupakan metode yang tersusun atas dua bagian loop pengaturan yang terpisah, yaitu pengaturan tegangan pada bagian dc-link yang akan digunakan sebagai pengaturan duty-cyle pada boost konverter dan pengaturan arus pada bagian ac-link. Pengaturan arus ini menggunakan orthogonal sinkron d, q frame. Nilai referensi arus pada kontroler P-I yaitu pada sisi d-axis yang ditentukan berdasarkan set-point. Selain itu untuk memperoleh unity power factor nilai dari q-axis disetting sama dengan nol.[1]. Algoritma kontrol tegangan ini mencakup langkah-langkah sebagai berikut : 1) Ukur tegangan PV saat daya maksimum. 2) Berikan nilai set point sesuai tegangan saat daya maksimum. 3) Referensi tegangan PV ini kemudian digunakan untuk duty cycle yang dibandingkan dengan PWM sebagai switch IGBT pada boost konverter.
(13)
Adapun dalam menentukan parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan : Lmin
1 D 2 D R 2f
(14)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan : C
Vo D VR R f
(15)
Gambar 8. Algoritma kontrol tegangan
Sedangkan algoritma kontrol arus ini mencakup langkahlangkah sebagai berikut : 1) Ukur arus referensi dari saluran ke grid. 2) Arus referensi 3 fasa ini kemudian dirubah ke bentuk orthogonal sinkron dq-frame. 3) Memberikan nilai set-point pada Id. 4) Kemudian nilai dari set-point Id dan arus referensi akan diolah oleh kontroler PI 5) Dari kontroler PI ini kemudian orthogonal sinkron dq dirubah kembali ke bentuk 3 fasa untuk masukan pada SVPWM yang merupakan kontrol pada switch IGBT di inverter.
Gambar 6. Gambar Rangkaian Boost
Gambar 9. Algoritma kontrol arus
Gambar 7. Konverter Boost pada Matlab
D. Inverter Dalam tugas akhir, ini inverter digunakan untuk mentransformasi tegangan dari DC mennjadi AC. Inverter tiga fasa terdiri dari enam IGBT yang dihubungkan dengan svpwm generator. Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 10.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
4
Gambar 10. Desain Inverter Tiga fasa pada simulink
III. KONFIGURASI SISTEM Sistem PV-grid yang digunakan pada tugas akhir ini diperlihatkan pada Gambar 11. Sistem PV-grid yang diperlihatkan oleh Gambar 11 terdiri dari 5 bagian penting, diantaranya adalah: PV, VOC, konverter boost, inverter, dan grid.
a. b.
c.
d.
e.
IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi Suhu yang digunakan = 25 0 C - Daya Wattpeak PV = 8032 W (Saat intensitas cahaya matahari = 1000 W/m2) - Tegangan PV = 377.4 volt (saat kondisi wattpeak) Konverter Boost 1. Induktor = 5 mH 2. Kapasitor = 10 mFarad 3. Frekuensi switching = 10 kHz Inverter - Tegangan referensi = 220√2 V - Induktor = 5 mH Grid - Tegangan grid = 220√2 V
B. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan Beban Bervariasi Pengujian ini digunakan untuk mengetahui karakteristik dari model PV. Adapun karakteristik dari PV dapat dilihat dari kurva hubungan antara arus-tegangan (IV) dan kurva hubungan daya-tegangan (P-V). Pengujian model PV untuk mengetahui karakteristik I-V dan P-V ini dapat dilakukan dengan menghubungkan PV dengan beban yang bervariasi antara 0.001 – 1000 Ω. Pengujian dilakukan pada dua keadaan intensitas sinar matahari yakni 800 W/m2, dan 1000 W/m2. Tabel 2 Data Daya Max, Vmp, dan I mp
Iradiansi (kW/m2) 0.8 1
Pmax (W) 6352 8032
V mp (V) 295,6 296,3
Imp (A) 26.94 21.11
Gambar 12. Grafik Perbandingan Tegangan dan Daya
Gambar 13. Grafik Perbandingan Tegangan dan Arus
C. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT dan Beban Bervariasi Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan model PV dengan hambatan yang nilainya berubah. Pengujian ini dilakukan pada dua kondisi, yakni sebelum menggunakan MPPT dan setelah menggunakan MPPT. Adapun data yang akan dianalisis adalah daya PV sebelum dan sesudah menggunakan MPPT. Pengujian dan analisis dilakukan pada dua keadaan intensitas sinar matahari yakni 800W/m2, dan 1000W/m2. Tabel 3 Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban Bervariasi
Irad (kW/m^2) 0.8 1
Pmax (W) 6352 8032
P PV tanpa MPPT (W) 2994.03 3389.67
P PV dengan MPPT (W) 6170.67 7937
Berdasarkan Tabel 3. Terlihat bahwa daya rata-rata PV adalah Daya Rata-Rata tanpa MPPT = 3191.85 W Daya Rata-Rata menggunakan MPPT = 7053.84 W
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
5
Gambar 11. Gambar Sistem Keseluruhan
D. Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban Dalam pengujian ini dilakukan dengan menggabungkan semua komponen dari sel surya sampai grid. Pemodelan sederhana pengujian dapat ditunjukkan pada Gambar 14.
Gambar 15 Hasil Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban Irrad 1000W/m2 Gambar 14. Pemodelan Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban
Tabel 4 Data Daya PV, Daya Output, VLine dan I d-ref
Iradiansi (kW/m2) 0.8 1
PPV (W)
Pout (W)
VL-N (V)
Id-ref
6352 8032
6060 7930
311 311
13 17
Dari Hasil pengujian dengan tingkat intensitas cahaya matahari 1000 W/m2 dan 800 W/m2 serta suhu ambient 25̊C didapatkan hasil keluaran seperti pada Gambar 15 dan Gambar 16. Terlihat pada Gambar 15 dan Gambar 16 bahwa daya dari PV dan daya output saat irradiasi 1000 W/m2 dan 800 W/m2 nilainya hampir sama besar sesuai dengan nilai pada Tabel 4.
Gambar 16 Hasil Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban Irrad 800W/m2
E. Pengujian Sistem Keseluruhan Dengan Beban Bervariasi Dalam pengujian ini dilakukan dengan menggabungkan semua komponen dari sel surya sampai grid dengan beban yang berubah-ubah. Pemodelan sederhana pengujian dapat ditunjukkan pada Gambar 17.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
6 UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Allah SWT yang telah memberikan semua apa yang saya minta, terima kasih juga kepada kedua orang tua saya dan kedua kakak saya yang telah memberikan dukungan morilnya melalui doa, dan terima kasih juga kepada pembimbing saya Bapak Mochamad Ashari dan Ibu Vita Lystianingrum, serta tidak lupa saya berterima kasih kepada para teman-teman saya yang senantiasa membantu saya dalam menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Gambar 17. Pemodelan Dalam Pengujian Sistem Keseluruhan Dengan Beban Bervariasi
Dari hasil pengujian dengan memvariasikan nilai beban antara 4000 Ω sampai 6000 Ω dengan tingkat intensitas cahaya matahari sebesar 1000 W/m2 dan suhu ambient 25̊C didapatkan hasil simulasi seperti pada pada Gambar 16. Pada Gambar 18 memperlihatkan bahwa ketika sistem diberi perubahan beban daya ouput yang akan disalurkan ke grid berkurang sebesar nilai beban yang diberikan, karena daya yang akan disalurkan akan menyuplai beban terlebih dahulu.
Gambar 18 Hasil Pengujian Sistem Keseluruhan Dengan Beban Bervariasi Irrad 1000W/m2
V. KESIMPULAN 1. Dengan menggunaan sistem Maximum Power Point Traking (MPPT) pada sistem panel surya dapat memaksa panel surya menghasilkan daya keluaran yang maksimum pada berbagai kondisi irradiasi. 2. Model PV dalam tugas akhir ini mendekati spesifikasi. Model PV memiliki error daya keluaran sebesar 4%, error tegangan pada daya maksimum sebesar 1.75%, error arus maksimum sebesar 2.85%. 3. Dengan menggunakan metode Voltage Oriented Control Sistem PV dalam tugas akhir ini mengalirkan daya secara optimal sesuai perubahan irradiasi ketika tanpa beban. 4. Ketika Sistem PV diberi beban yang bervariasi nilai daya yang tersalurkan ke grid akan berkurang sebesar beban yang diberikan.
DAFTAR PUSTAKA [1] Riad Kadiri, Jean-Paul Gaubert, “An Improved Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Grid-Connected Inverter Based on Voltage-Oriented Control,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 1, Jan. 2011. [2] Geoff Walker, "Evaluating MPPT Converter Topologies Using A Matlab PV Model” Dept of Computer Science and Electrical Engineering, University of Queensland, Australia. [3] T. Tafticht, K. Agbossou, M.L. Doumbia, A. Cheriti, “An Improved Maximum Power Point Tracking Method for Photovoltaic Systems”, Elsevier Renewable Energy 33, 1508-1516, October, 2007. [4] Hansen A. D., Sorensen P., Hansen L. H., Bindner H. “Models for a stand alone PV system”., Riso National Laboratory, 2000. [5] Chang, Yuen-Haw, dan Chang, Chia-Yu, “Maximum Power Point Tracking of PV System by Scaling Fuzzy Control”, Proceeding IMECS, Hong Kong, March, 2010. [6] Rashid M.H, “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2007.
