SIMULASI DAN IMPLEMENTASI SISTEM SEPIC S

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SIDOARJO

1

Jurnal

Elektro

UMSIDA

SIMULASI DAN IMPLEMENTASI SISTEM SEPIC (SINGLE

ENDED PRIMARY INDUCTOR CONVERTER) UNTUK

MENGOPTIMALKAN KELUARAN DAYA PHOTOVOLTAIC

(PANEL SURYA) MENGGUNAKAN ARDUINO UNO

1

_{Abd. Gofar,}

2

_{Izza Anshory, ST., MT.}

Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Sidoarjo

abdu.gofaru@gmail.com

Abstrak

Kebutuhan energi yang tinggi menyebabkan ketersediaan bahan bakar fosil berkurang sangat cepat. Hal ini, menuntut riset pada bidang energi terbarukan sebagai pengganti bahan bakar fosil menjadi semakin mendesak. Penelitian pada bidang energi terbarukan saat ini berkembang dengan pesat, terutama penelitian tentang Photovoltaic (panel surya) dan permodelannya. Indonesia yang terletak di garis khatulistiwa dapat memperoleh sinar matahari rata-rata 8 jam perhari memiliki energi surya yang cukup tinggi. Pemanfaatan Photovoltaic yang semakin besar mendorong perkembangan kearah pemaksimalan daya yang dihasilkan oleh Photovoltaic (PV) tersebut. Saat ini, telah banyak dikembangkan metode untuk memaksimalkan keluaran daya dari Photovoltaic. Salah satunya sistem SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter) yang mana fariasi tegangan dan daya yang dikeluarkan oleh Photovoltaic (PV) distabilkan menjadi 14Volt dan daya maksimal sehingga diperoleh efisiensi yang baik.

2

1. PENDAHULUAN

SEPIC-Converter sangat erat kaitannya dengan penyimpanan energi dan efisiensi daya yang berhubungan dengan Photovoltaic, menjadi pilihan yang sangat diminati untuk diteliti dan terus dikembangkan menjadi lebih baik sebagai alternatif memaksimalkan daya pada sumber energi terbarukan.

Pada penelitian kali ini diajukan rangkaian Sepic Converter sebagai penyetabil tegangan ripel photovoltaic (PV) kemudian diteruskan sebagai penyimpan energi listrik seperti yang digambarkan pada Gambar 1 berikut:

Gambar 1. Blok diagram rangkaian Sepic-Converter sebagai penyetabil penyimpanan

energi listrik

Pada blok diagram yang ditunjukkan pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa masukan Sepic-Converter adalah dari photovoltaic (PV) kemudian modul Sepic menerima masukan tegangan dari photovoltaic dan meneruskan ke baterai sesuai pulse PWM dari Arduino UNO. Arduino UNO mengontrol modul SEPIC sesuai masukan dari PV, apabila tegangan PV lemah maka pulse PWM yang dikirim ke modul SEPIC akan semakin naik sesuai tegangan yang dikehendaki, apabila tegangan PV terlalu besar maka pulse PWM yang dikirim ke modul SEPIC akan semakin turun sesuai tegangan yang dikehendaki. Sedangkan Baterai digunakan sebagai storage/penyimpan tenaga yang tidak digunakan bila beban yang dipakai tidak digunakan dan juga sebagai penguat tegangan Output SEPIC. Load/Beban berupa Lampu 12V DC/20W.

Photovoltaic

Modul SEPIC ARDUINO UNO

Battery

3

Rangkaian Sepic-Converter ditunjukkan pada Gambar 2 berikut:

Gambar 2. Diagram Sepic-Converter

Diagram Sepic-Converter berfungsi sebagai converter aliran arus dan tegangan yang mempunyai dua mode yaitu mode buck dan mode buck. Yang mana mode buck digunakan untuk menurunkan tegangan dari output photovoltaic (PV) yang melebihi tegangan charging baterai sedangkan mode boost digunakan untuk menaikkan tegangan dari output photovoltaic (PV) yang kurang dari tegangan charging baterai.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pemodelan Photovoltaic (PV)

Gambar 2.1 PV Direct Series [7]

Modul PV terdiri dari multi sel yang menghasilkan tegangan DC ketika terkena cahaya. Modul PV dapat terdiri dari 36 sel atau 72 sel. Daya keluaran dari modul PV dipengaruhi oleh radiasi cahaya dan suhu. Semakin besar radiasi cahaya, semakin besar daya keluaran yang dapat dihasilkan oleh modul PV dan sebaliknya. Dalam penelitian ini digunakan 1 modul PV 50W 36 sel dengan tegangan maksimum 17.24V dan Arus maksimum 2.91A.

Gambar 2.2 Rangkaian Ekuivalen Standar PV [7]

4

Menggunakan rangkaian ekuivalen standar sel PV ditunjukkan pada Gambar 2.2, arus-tegangan (I-V) persamaan karakteristik dari string p paralel dengan sel s seri per string dikembangkan dari (1) ke (5) seperti di bawah ini [7].

(2-1)

= + − (2-2)

= ( ) exp [!"#( − )/ _#$] (2-3)

= &'

[()*+_0'123,-./ 45 ] (2-4)

6= 7 − 7 [exp(!8/7 $) − 1] (2-5)

2.2 Sepic-Converter

(a)

6

=

− ;exp +

_$

!8

<

#

4 − 1= −

8

<

>

= ?ℎABA − CDEEFGB (A)

6 = Arus pada terminal keluaran (A)

= Arus saturasi diode (A)

= Saturasi arus balik (A)

= Temperatur XAYZE CFYY (°C)

] = Temperatur referensi (25°C)

> =Resistansi seri (Ohm)

# = Konstanta Boltzman (1,38x105h J/°K)

8< = Tegangan diode (V)

5

(b)

(c) Gambar 2.3 Rangkaian SEPIC-Converter

[7]

Bentuk rangkaian umum SEPIC terlihat pada (Gambar 2.3(a)). Untuk mendapatkan hubungan tegangan masukan dan keluaran, digunakan beberapa asumsi awal yaitu

[7]

:

a. Nilai induktansi kedua induktor sangat besar dan arus yang melewatinya konstan. b. Nilai kapasitansi kedua kapasitor sangat besar dan tegangan pada kapasitor tersebut

konstan.

c. Rangkaian dioperasikan dalam kondisi steady-state (bentuk gelombang arus dan tegangan berulang).

d. Untuk sebuah duty cycle D, saklar tertutup untuk waktu DT dan terbuka untuk (1-D)T. e. Saklar dan dioda ideal.

Hukum Kirchoff tegangan di sekitar jalur yang terdapat Vs, L1, C1, dan L2 memberikan

Dengan menggunakan rata-rata dari tegangan – tegangan ini, maka

1

Menunjukkan bahwa tegangan rata-rata pada kapasitor C1 adalah

1

C s

V =V

(2-8)

Ketika saklar tertutup, dioda off, dan rangkaian terlihat seperti pada (Gambar 2.3(b)). Besar tegangan pada L1 untuk interval DT adalah

1

L s

V =V

(2-9)

6

Dengan mengasumsikan tegangan pada C1 tetap konstan pada nilari rata-rata Vs, maka

1 0 operasi berulang, persamaan (2-5) dan (2-6) digabung untuk mendapatkan

(

)

( )

(

)

(

)

dengan D adalah duty cycle dari saklar. Hasilnya adalah

1

yang dapat juga diekspresikan sebagai

DC

Dengan mengasumsikan tidak ada rugi-rugi pada konverter, daya yang tersuplai dari sumber adalah sama dengan daya yang diserap beban (Ps = PDC). Daya yang tersuplai dari

sumber DC adalah

1

s s s s L

P =V I =V I

(2-15)

Sedangkan daya keluaran pada DC bus dapat diekspresikan sebagai

DC DC DC

Penyelesaian untuk arus rata-rata induktor, yang juga merupakan arus rata-rata sumber, maka

Variasi di dalam iL1 ketika saklar tertutup didapat dari

1 1 1

Sehingga, besarnya nilai induktor L1 yang dipilih adalah

7

dengan f adalah frekuensi saklaring yang dipakai.

Untuk L2, arus rata-rata ditentukan dari Hukum Kirchoff Arus pada titik dimana C1, L2, dan

dioda terhubung.

arus rata-rata pada setiap kapasitor adalah nol, sehingga arus rata-rata pada L2 adalah

2

L DC

I =I

(2-23)

Variasi didalam iL2 ditentukan dari rangkaian ketika saklar tertutup. Dengan

menggunakan Hukum Kirchoff Tegangan pada jalur saklar yang tertutup, C1, dan L2

dengan tegangan pada C1 diasumsikan adalah Vs yang konstan, maka

2 2 2

sehingga, besarnya nilai induktor L2 yang digunakan adalah

2 2

Hukum Kirchoff Tegangan diaplikasikan untuk menentukan nilai C1 dan C2 yang

diperlukan. Pada (Gambar 2.3(c)), diasumsikan tidak ada tegangan pada kapasitor, maka tegangan pada saklar ketika open adalah Vs + VDC. Dari (Gambar 2.3(b)), tegangan reverse

bias dioda ketika off juga Vs+VDC. Bagian keluaran terdiri dari dioda, C2, dan resistor beban

yang sama seperti konverter Boost

[7]

, sehingga tegangan ripple keluaran adalah

2

Sehingga, nilai kapasitor C2 yang diperlukan adalah

(

)

ditentukan mempunyai nilai rata-rata dari IDC. Dari definisi kapasitansi dan memikirkan

besarnya muatan,

kemudian mengganti IDC dengan VDC/R, maka didapat besarnya C1 yang diperlukan adalah

8

3.

METODOLOGI PENELITIAN

Tabel 3.1 Spesifikasi Modul PV

Parameter Nilai

Maximum Power (Pmax) 50 W

Voltage @ Pmax (Vmp) 17.8 V

Current @ Pmax (Imp) 2.81 A

Short-circuit Current (Isc) 3,45 A Open-circuit Voltage (Voc) 22.4 V

Tolerance ±3%

Normal Temperature 25o_C

Gambar 3.1 Modul PV dan Spesifikasi Modul PV

Modul PV yang digunakan adalah modul PV jenis Polycrystaline yang berwarna biru dengan suhu maksimal 85o_{C. Modul ini sangat cocok apabila digunakan di daerah}

Surabaya, dikarenakan suhu di Surabaya mencapai 50o_C

Gambar 3.2 Skematik Sistem SEPIC-Converter

Keterangan Gambar 3.2 :

1. PV1 : PhotoVoltaic (PV)

2. L1 : Lilitan Induktor 1 3,46mH 3. Q1 : Mosfet IRFP460

9

6. D1 : HF Diode 10A

7. C1 : Kapasitor Elektrolit 2200mF 50V DC 8. R1 : Resistor 50 Ohm

9. R2,3,4 : Resistor 1k Ohm

10. RV1,2 : Variable Resistor 1k Ohm 11. D2 : Led

12. Duino1: Arduino Uno

Adapun cara kerja dari alat ini adalah:

Photovoltaic mengirimkan Tegangan sesuai dengan besaran radiasi dan panas dari paparan matahari menuju photovoltaic, kemudian modul SEPIC menerima masukan tegangan dari photovoltaic dan meneruskan ke baterai sesuai pulse PWM dari Arduino UNO, sedangkan Arduino UNO mengontrol modul SEPIC sesuai masukan dari PV, apabila tegangan PV lebih dari 6 Volt DC dan kurang dari 14 Volt DC maka pulse duty cycle PWM yang dikirim ke modul SEPIC akan naik sesuai dengan tegangan output yang dikehendaki yaitu 14 Volt DC, apabila tegangan PV melebihi 14 Volt DC dan Kurang dari 21 Volt DC maka pulse duty cycle PWM yang dikirim ke modul SEPIC akan semakin turun sesuai dengan tegangan output yang dikehendaki yaitu 14Volt. Baterai digunakan sebagai storage/penyimpan tenaga yang tidak digunakan bila beban yang dipakai tidak digunakan dan juga sebagai penguat tegangan Output SEPIC setelah itu diberi Load/Beban berupa Lampu 12V DC 20W untuk mengetahui bahwa sistem SEPIC dapat bekerja dengan maksimal.

4.

HASIL

4.1

modul Sepic-Converter

10

Gambar 4.1 Modul Sepic-Converter

Tabel 4.1 Hasil pengujian Mode Boost

11

Gambar 4.2 Grafik pengambilan data tegangan dari Lab-View (input: 0Volt s/d 13Volt,

output: 12Volt s/d 14Volt).

Dari hasil pengujian rangkaian Sepic-Converter dalam mode boost dengan fariasi tegangan input 0V0lt s/d 13Volt didapati tegangan Output 12Volt s/d 14Volt dengan fariasi duty cycle PWM 0% s/d 19,53125%.

Tabel 4.2 Hasil pengujian Mode Buck

No. Input Tegangan

12

Gambar 4.3 Grafik pengambilan data tegangan dari Lab-View (input: 14Volt s/d

21Volt, output: 13Volt s/d 14Volt).

Dari hasil pengujian rangkaian Sepic-Converter dalam mode boost dengan

fariasi tegangan input 14V0lt s/d 21Volt didapati tegangan Output 12Volt s/d

14Volt dengan fariasi duty cycle PWM

17,1875%

s/d

10,546875%.

5. DISKUSI

Dengan mengunakan rangkaian Sepic-Converter saat mode buck

prosentase duty cycle PWM naik dan memperkecil nilai induktansi untuk

13

mempertahankan tegangan output tetap stabil sesuai yang diinginkan yaitu

mendekati tegangan 14Volt, sedangkan pada saat mode boost prosentase duty cycle

PWM turun dan memperbesar nilai induktansi untuk mempertahankan tegangan

output tetap stabil sesuai yang diinginkan yaitu mendekati tegangan 14Volt, pada

proyek akhir ini Sepic-Converter didesain dengan arus keluaran maksimal 4,5A

dengan beban berupa lampu 12V/20W, lampu 12V/30W, lampu 12V/40W dan

Lampu 12V/50W.

6.

KESIMPULAN

1. Hasil pengukuran konverter dalam mode buck dan mode boost telah mampu mempertahankan tegangan output mendekati stabil ditegangan 14Volt.

2. Hasil pengujian dengan menggunakan beban

lampu 12V/20W, lampu 12V/30W,

lampu 12V/40W dan Lampu 12V/50W telah mampu menghasilkan keluaran

arus maksimal 4,5Volt.

Referensi

[1] Ki-Bum Park, Student Member, IEEE, Gun-Woo Moon, Member, IEEE, and Myung-Joong Youn, SEPTEMBER 2010, “Nonisolated High Step-up Boost Converter

Integrated With Sepic Converter”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER

ELECTRONICS, VOL. 25, NO. 9.

[2] Ovidiu Pop, Gabriel Chindris, Alin Grama, Florin Hurgoi, May 5-9,2001, “Power

Factor Correction Circuit with a New Modified SEPIC Converter”, 24th International

Spring Seminar on Electronics Technology.

[3] Seung-Pil Mun’, Jin-Tae Kim3, Su-Jh Jang4, Chung-Yuen Won’, November 2 – 6, 2004, “A New Sepic- Flyback Converter. Soo-Seok Kim”, The 3Mh Annual Conference of the IEEE lnduslrial Electronics Soclety.

[4] Jingying Hu, Student Member, IEEE, Anthony D. Sagneri, Student Member, IEEE,JuanM.Rivas, Member, IEEE, Yehui Han, Member, IEEE, Seth M. Davis, and David J. Perreault, JANUARY 2012, “High-Frequency Resonant SEPIC Converter

With Wide Input and Output Voltage Ranges”. IEEE TRANSACTIONS ON POWER

ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 1.

[5] Seema P. N, Gireesh. G. 20I5, “High Frequency SEPIC Converter with PWM Integral

Sliding Mode Contro”l. IEEE Interational Conference on Technological

14

[6] https://id.wikipedia.org/wiki/Panel_surya. Diakses tanggal 21-April-2016.

[7] Farid Dwi Murdianto, 2015, “Simulasi dan Implementasi MPPT-Bidirectional Menggunakan Adaptive Neuro Fuzzy Inference System (ANFIS) pada Sistem Energi Pembangkit Terdistribusi”, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

[8] Dr. Eng. R.H. Sianipar, S.T, M.T, M.Eng I. Ketut Wiryajati, S.T, M.T Herry S. Mangiri, S.T, M.Eng., 2013, “Pemrograman & Struktur Data C”, ISBN 978-602-1514-12-2, Penerbit IF “Informatika” Bandung.

[9] http://www.geyosoft.com/2014/pwm-pulse-width-modulation. Diakses tanggal-08-Agustus-2016.

[10] F. U. Ermawati, 2010, “Photovoltaic in Indonesia Research, Projects and Market

Possibilities”, Physics Dept., Surabaya State University.

[11] Farid Dwi Murdianto, 2013, “Rancang Bangun Bidirectional Dc-Dc Converter

Sebagai Penyimpan Energi Listrik”, Jurusan Teknik Elektro Industri, Politeknik