Template dan JURNAL 2 kolom

www.jurnalpa.eepis-its.edu

Teknik Elektro Industri Vol.2, No.2, 2017

Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

Desain dan Implementasi

Zeta Converter

dengan Metode

MPPT

Modified P&O

pada Aplikasi Rumah Mandiri

Mohammad Hefdi, Endro Wahjono, Syechu Dwitya Nugraha

Program Studi D4 Teknik Elektro Industri

Departemen Teknik Elektro Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS, Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111

Tel: (031) 594 7280; Fax: (031) 594 6114

Email: mohammadhefdi@gmail.com, syechu@pens.ac.id,Endro@pens.ac.id

Abstrak

Panel surya memiliki peranan penting sebagai konversi energi terbarukan dari energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Peranan panel surya sebagai sumber listrik mempunyai kelemahan pada daya keluaran yang dihasilkan tidak maksimal, nilai efisiensi yang rendah, daya keluaran pada panel surya fluktuatif dan dipengaruhi oleh tingkat irradiasi cahaya yang diterima pada permukaan panel surya. Banyak metode yang dapat digunakan untuk mengatasi kelemahan pada panel surya dengan metode Maximum Power Point Tracking (MPPT). Metode MPPT yang digunakan ModifiedPerturb &

Observe untuk memaksimalkan keluaran daya panel

surya dan mengurangi ripple output yang diterpakan pada pengaturan duty cycle sebagai penyulutan

switching konverter Zeta. Konverter ZETA

merupakan salah satu dc-dc konverter yang memiliki peranan penaik dan penurun tegangan di sisi output

dengan ripple tegangan yang rendah. Penggunaan metode MPPT modified P&O pada konverter Zeta diharapkan dapat memaksimalkan daya luaranpanel surya dan mengurangi ripple tegangan output

konverter dengan kombinasi antara algoritma

modified P&O dan konverter ZETA.

Kata kunci –Panel Surya, Modified P&O, Konverter Zeta

1. Pendahuluan

Dalam membangkitkan daya maksimum dari panel surya salah satu cara yang banyak digunakan adalah

Maximum Power Point Tracking (MPPT). MPPT

merupakan algoritma penjejak daya maksimum yang dikombinasikan dengan konverter dc-dc. Algoritma

MPPT yang telah banyak diterapkan seperti Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (IC), Open Voltage, Fixed Duty Cycle, Temperature

Methods, Fuzzy Logic method . Sedangkan konverter

dc-dc yang digunakan berupa konverter Buck, Boost, Buck-Boost, dan pengembangan dari ketiga konverter tersebut.

Algoritma MPPT modified P&O merupakan algoritma pengembangan dari algortima P&O yang dimodikasi dengan menambah parameter tentu sebagai peningkatan performa koreksi dari algoritma konvensional. Salah satu MPPT yang popular dan banyak digunakan untuk memaksimalkan daya keluaran panel surya yaitu MPPT P&O . Dengan memodifikasi MPPT P&O konvensional dapat meningkatkan performa koreksi terhadap peningkatan daya dan ripple output dari konverter. Modifikasi metode tersebut membentuk algoritma baru yang dapat meningkatkan performa koreksi untuk memaksimalkan daya keluaran panel surya.

Salah satu pendukung dalam

mengimplementasikan MPPT yaitu konverter dc-dc. Banyak jenis konverter dc-dc yang dapat digunakan seperti buck, boost, buck-boost dan lain-lain. Salah satu dc-dc konverter yang dapat digunakan untuk mengatur tegangan pada panel surya untuk menghasilkan daya maksimum pada panel surya adalah konverter ZETA. Konverter ZETA merupakan pengembangan dari konverter buck-boost dengan menghasilkan ripple tegangan keluaran yang rendah dan polaritas yang sama dengan polaritas tegangan masukan pada konverter. Pada proyek akhir ini,

MPPT yang digunakan jenis modified P&O dengan

Jurnal

Elektro

dc-dc konverter jenis ZETA untuk meningkatkan performa koreksi dalam meningkatkan daya keluaran panel surya.

2. Metode

Pada perancangan dan pembuatan perangkat keras dari sistem Maximum Power Point Tracking (MPPT) mengacu pada blok diagram seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Blok diagram sistem.

Pada gambar 1. merupakan blok diagram sistem MPPT dengan menggunakan konverter ZETA dengan metode modified P&O untuk mendapatkan daya maksimum dari 6 PV sebagai konsumsi beban pada rumah mandiri. Dari blok diagram tersebut, dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. PV berjumlah 6 dengan spesifikasi yang sama dengan total daya 810 watt

2. Konverter ZETA sebagai penaik dan penurun tegangan melalui proses switching PWM yang di atur dengan duty cycle menggunakan algoritma MPPT modified P&O

3. Algoritma MPPT modified P&O bekerja

melalui sensing arus dan tegangan di sisi panel surya kemudia dikonversi menjadi duty cycle.

4. Mikrokontroller yang digunakan STM32F407

Discovery

5. LCD menampilkan daya maksimum, daya

output, tegangan input dan tegangan output. .1 Panel Surya

Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi listrik. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic,

Photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Panel surya terdiri dari sel-sel photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari cahaya matahari. Rangkaian ekivalen sel surya dipresentasikan sebagai sumber arus ideal, diode, resistansi paralel dan resistansi seri. Arus searah yang dihasilkan dari sumber arus ideal adalah sebanding dengan iradiasi cahaya yang diterima sel surya. Resistansi seri dan paralel mempresentasikan nilai drop tegangan sepanjang sampai kontak terminal luar dan arus bocor sepanjang jalur sel[1]. Rangkaian ekivalen panel surya ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Rangkaian ekivalen PV

Model matematika dari PV divariasikan dengan arus short circuit dan tegangan open. Dengan menggunakan hokum Kirchhoff rangakain tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

Ipv = Iph – Io (1)

Iph adalah arus yang dihasilkan pada panel, I pv merupakan arus yang mengalir ke beban dan Io merupakan arus pada diode internal PV. Daya listrik yang dihasilkan panel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat panel surya tersebut untuk memproduksi tegangan. Kemampuan ini mempresentasikan dalam kurva daya-tegangan (V-P) sesuai pada gambar 3.

Gambar 3. a) Kurva V-P pada irradiasi konstan b) Kurva V-P pada temperature konstan

Pada gambar 3.a menggambarkan kurva V-P kondisi irradiasi konstan pada PV dan gambar 3.b menggambarkan kurva V-P kondisi temperature

konstan. Dari kedua gambar tersebut, posisi daya maksimum dari PV berbeda akibat pengaruh temperature dan irradiasi.

Pada proyek akhir ini akan digunakan panel surya dengan kapasitas 135WP setiap panel dan digunakan sebanyak 6 buah dengan rangkaian 3 seri yang diparalel dengan 3 seri (3//3). Panel surya memiliki spesifikasi seperti pada tabel 1.

Tabel 1. Spesifikasi panel surya

Parameter Nilai

Konverter ZETA bekerja layaknya buck boost, dimana dapat menaikkan maupun menurunkan tegangan DC yang masuk berdasarkan besar duty

cycle PWM yang disulut pada komponen pensaklaran.

Gambar 4. Rangkaian ZETA Converter[2] 1) Prinsip Kerja

Konverter ini bekerja berdasarkan sinyal pensaklaran, ton dan toff. Hubungan tegangan input

dan output dapat dicari dengan kondisi saklar ON dan OFF. Kodisi saklar ON ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 5. Kondisi saklar tertutup

Saat saklar dalam kondisi On atau terutup, seperti pada gambar 5. yaitu dari t=0 sampai t=DT, arus pada induktor dapat ditulis :

dIl

dt

=

Vl

L

(2)

Sehingga nilai perubahan arus pada induktor saat akhir dari kondisi on adalah

∆ILon=

∫

terbuka (OFF), seperti pada gambar 6.

Gambar 6. Kondisi saklar terbuka

Pada kondisi off atau saklar terbuka, seperti pada gambar 6. arus pada induktor dapat dirumuskan :

dIl

pada saat awal dan akhir pensaklaran, rumus energi pada induktor dapat dituliskan pada persamaan 6. E =

1

₂

L I

L

2

(6)

Karena energi yang disimpa pada harus sama dengan 0 pada setiap cycle, maka

∆ILoff + ∆ILon = 0 (7)

Dengan mensubsitusikan ∆ILon dan ∆ILoff didapat :

∆ILon+ ∆ILoff =

Vi DT

_L

+

Vo

(

1

−

D

)

T

Gambar 7. Gelombang arus dan tegangan konverter ZETA

Pada gambar 7. ketika saklar on, kapasitor C mengisi Vout dan terhubung seri dengan Lib sehingga yang melewati Lib adalah +Vin seperti yang ditampilkan pada gambar 7.

Sedangkan pada gambar 6. pada saat kondisi saklar off, tegangan melalui Lib sama dengan Vout karena diparallel dengan Cout. Karena Cout mengisi Vout sehingga tegangan yang melewati saklar ketika saklar off adalah Vin + Vout, menyebabkan tegangan yang melalui Lia adalah –Vout seperti yang ditampilkan pada gambar 7.

2.3 MPPT Modified P&O

Karakteristik daya keluaran sel surya dipengaruhi oleh irradiasi sinar matahari dan temperature permukaan sel surya. MPPT merupakan metode penjejak daya maksimum seperti Perturb and Observe (P&O). (P&O) sebagai algoritma kontrol

Gambar 8. Karakteristik V-P Panel Surya

Di sebelah kiri puncak dP/dV >0, dipuncak kurva dP/ dV=0 dan di sebelah kanan puncak dP/dV<0. Di sebelah kiri dari MPP perubahan daya terhadap perubahan tegangan dP/dV>0, sementara di sebelah kanan, dP/dV<0 (lihat gambar 8.). Pada gambar 8. jika dP/dV>0, penggangguan (perturbation) dilakukan untuk memindahkan tegangan kerja sel surya maju ke arah MPP. Jika dP/dV<0, kemudian perubahan titik kerja mengarahkan sel surya jauh dari MPP, maka algoritma P&O membalik arah penggangguan. Flowchart dari algoritma ini ditunjukkan pada gambar 9.

Gambar 9.Flowchart MPPT P&O

Flowchart algoritma MPPT P&O

membandingkan daya keluaran pada saat sedang diukur dan sebelumnya untuk dikonversi kedalam

duty cycle dengan cara mengambil data tegangan dan

arus pada panel surya melalui sensor arus dan tegangan.

Modified P&O merupakan pengembangan dari P&O dengan mengubah proses drift slope untuk mendapatkan daya maksimu pada saat perubahan iradiasi yang diterima panel surya[4]. Flowchart dari kontrol algoritma MPPT modified P&O ditunjukkan pada gambar 10. Dengan inisialisasi arus dan tegangan untuk mendapatkan daya maksimum dengan membandingan tegangan sebelum dengan tegangan saat terukur. Modifikasi dengan mencari perubahan arus dan penambahan duty cycle dengan hubungan perubahan daya dan tegangan yang terukur.

Duty cycle dimodifikasi menjadi :

Dk = D(k-1) – N*(

_dV

dP

) (11)

∆Dk merupakan perubahan duty cycle setiap step k. Nilai N merupakan scaling factor yang mempunyai nilai 0<N<1. Pada paper yang dijadikan sebagai refrensi, nilai N= 0.02[3].

Gambar 10.Flowchart Modified P&O

3. Pengujian dan Hasil

Pengujian ini terdiri dari hardware dan simulasi dengan menggunakan PSIM untuk membuktikan suatu perencanaan yang dibuat. Perencanaan berupa konverter ZETA dan algoritma P&O seperti berikut ini:

3.1 Konverter ZETA

Konverter ZETA dibuat sebagai penaik dan penurun tegangan sesuai dengan duty cycle pada algoritma P&O. Perancangan konverter ZETA ditunjukkan pada tabel 2 :

Tabel 2. Komponen konverter ZETA

NO Komponen Nilai

1 L1 dan L2 0.97mH

2 C1 dan C2 470uF

3 Frekuensi 40kHz

4 Daya 1 kW

5 Vin 120-150V

Gambar 12. Simulasi konverter ZETA dengan PSIM

Sesuai dengan perhitungan, tegangan masuk sebesar 120V, dengan duty cycle 0.66 dengan mode boost sehingga tegangan keluaran naik menjadi 230V. Tegangan dan arus luaran konverter ditunjukkan pada gambar 13.

Gambar 13. Hasil tegangan dan arus output konverter

Setelah disimulasikan konverter ZETA, maka di uji dengan beban 10 lampu dengan tegangan input 100 V dan duty

cycle 60%. Pengujian konverter ZETA ditunjukkan pada gambar 14. dan hasil pengujian ditunjukkan pada tabel 3.

Gambar14. Pengujian konverter ZETA

Tabel 3. Hasil pengujian konverter ZETA

Dari hasil pengujian open loop, nilai efisiensi dari konverter ZETA 86.707%.

3.2 Pengujian MPPT P&O

Pengujian MPPT P&O pada konverter zeta untuk melihat respon dari kerja MPPT dengan konverter ZETA sehingga tegangan kerja maksimu dapat diketahui. Pembuatan algoritma P&O menggunakan flowchart sesuai pada perencanaan ditunjukkan pada gambar 15. Dan integrasi antara konverter ditunjukkan pada gambar 16.

Gambar 15.Flowchart P&O dengan PSIM

Gambar 16. Integrasi Sistem MPPT P&O

Hasil dari integarsi sistem MPPT dapat dilihat pada gambar 17. Berupa tegangan kerja dari MPPT untuk mencapai daya maksimum dari MPPT

Gambar 17. Integrasi Sistem MPPT P&O

4. Kesimpulan

Dari hasil pengujian konverter ZETA, konverter ZETA dapat menaikkan tegangan sesuai dengan sistem kerja dari konverter ZETA sesuai simulasi PSIM. Konverter tersebut mampu dengan daya 525 watt mesikipun total daya beban 1kW. Dengan menambah beban sebesar 2 kali, maka konverter akan bekerja hingga 1 kW sesuai dengan desain konverter. Sedangkan pada hasil simulasi, terlihat

D Vin

(V) (A)Iin Vout(V) Iout(A) Beban (%)Eff

0.6

100 2.6 156.4 1.4 4 Lampu 84.21

100 3.2 153.2 1.8 5 Lampu 86.17

100 3.7 151 2.2 6 Lampu 89.78

100 4.25 150.6 2.5 7 Lampu 88.58

100 4.8 149 2.8 8 Lampu 86.91

100 5.4 148.7 3.2 9 Lampu 84.97

bahwa pada kondisi transient terjadi overshot yang tinggi akibat sistem open loop. Sedangkan pada simulasi dengan sistem close loop, terlihat bahwa nilai ripple yang rendah, dan tidak ada overshot.

References

[1] Dhuhari Chalis Bani, Pujiantara & Heri Suryoatmojo, “ MPPT Pada Sistem PV Menggunakan Algoritma Firefly dan Modified P&O dengan Konverter Hybrid Cuk terkoneksi ke Grid Satu phasa di Bawah Kondisi Partial Shaded, ITS : Indonesia, 2016, Vol 5 No. 2.

[2] J.Falin, “Design DC/DC converter based on ZETA topology”, IT Analog Application Journal Q2, (Texas, 2010), hal 3

[3] Samresh Satapathy, K Mahesh Dash and B.Chitti Babu “Variable Step Size MPPT Algorithm for Photo

Voltaic Array using ZETA Converter” journal IEEE, 2015.

[4] Muralidhar kili dan Susuvon Samanta “Modified Perturb and Observe MPPT Algorithm for Drift Avoidance in Photovoltaic Systems”. Journal IEEE. 2012.

[5] M.Imran Hamid, Makbul Anwari, Z. Salam and Taufik,"Load Sharing Characteristic of Single Phase PV Inverter Connected to Grid", 2nd IEEE International Conference on Power and Energy (PECon 08), Johor Bahru, Malaysia,2008.

[6] Akhil Nigam. “Discrimination between Conventional and Modified P&O Algorithm for Solar PV Cell

Application Using MATLAB”.India.2016.

[7] Rozana Alik, Awang Jusoh and Tole sutikno, “ A Review on Perturb and Observe Maximum Power Point

Tracking in Photovoltaic System”Malaysia.2015.

[8] Ishaque, K., Salam, Z., Mekhilef, S., et al.: ‘An Improved particle swarm optimization (PSO)-based MPPT for PV with reducing steady-state oscillation’, IEEE Trans. Power Electron., 2012, 27, (8), pp. 3627–3638

[9] Alqarni, M., Darwish, K.: ‘Maximum power point tracking for photovoltaic system: modified perturb and observe algorithm’. 2012 47th IEEE Int.Universities Power Engineering Conf. (UPEC), 2012, pp. 1–4

[10]Joe-Air, J., Tsong-Liang, H., Ying-Tung, H., et al.: ‘Maximum power tracking for photovoltaic power systems’, Tamkang J. Sci. Eng., 2005, 8, pp. 147–153

[11]Femia, N., Petrone, G., Spagnuolo, G., et al.: ‘Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method’, IEEE Trans. Power Electron., 2005, 20,(4), pp. 963–973