DESAIN DAN IMPLEMENTASI MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT)
SOLAR PV BERBASIS FUZZY LOGIC MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLLER AVR
Noval Fauzi, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo Jurusan Teknik Elektro-FTI
Abstrak: Sistem photovoltaic (PV) pada umumnya digunakan sebagai distributed generating unit, sumber DC yang dihasilkan dari PV di masukkan ke dalam jaring distribusi melalui unit pengkondisi daya. Tetapi daya output PV tidak maksimum bila beban tidak sesuai atau berubah-ubah. Sehingga dengan maximum power point tracker (MPPT) akan meningkatkan efisiensi daya output. Pada riset ini di desain dan implementasi prototipe berupa MPPT dengan metode fuzzy logic. Fuzzy logic digunakan untuk mengontrol boost converter yang selanjutnya akan mengatur tegangan output PV. Fuzzy logic menggunakan daya PV sebagai input dan duty cycle sebagai output, dengan input 11 membership function dan 11 output membership function. Prototipe MPPT yang telah dibuat memiliki rating tegangan 70V dan daya maksimal 130WP dengan syarat cahaya matahari 600W/m2. Hasil simulasi dan hasil pengujian prototipe menunjukkan bahwa hasil daya output PV dengan MPPT menggunakan metode fuzzy logic mendekati hasil simulasi dengan cahaya matahari 600W/m2 sehingga prototipe pada tugas akhir ini telah berhasil dibuat. Prototype MPPT ini dapat memaksimalkan daya output rata-rata sebesar 100W.
Kata Kunci : photovoltaic (PV), MPPT, fuzzy logic, boost converter.
I.PENDAHULUAN
Dengan meningkatnya kebutuhan akan energi listrik maka dibutuhkan pula sumber energi listrik alternatif selain dari PLN. Sementara itu, banyak pemadaman dilakukan di daerah-daerah secara bergilir. Ini dilakukan karena suplai energi listrik dari PLN sering mencapai beban penuh. Pembangkit listrik yang ada tidak mencukupi walaupun sudah melakukan kerja parallel. Dengan realita tersebut maka pengembangan listrik tenaga surya yang berbasis kepada efek photovoltaic dari piranti solar cell sebagai salah satu sumber tenaga listrik yang murah, bebas polusi, dan alami menjadi suatu pilihan yang tepat. Namun realita yang ada sekarang ini penggunaan solar cell sebagai sumber listrik masih sangat minimum dan belum bisa diandalkan sebagai suatu sumber tenaga alternatif yang dapat menggantikan tenaga listrik.
Solar cell dibagi bermacam-macam menurut dayanya antara lain yang dijual di pasaran yaitu 10Wp, 20Wp,
30Wp, 40Wp, dll tergantung dari berapa besar daya yang diperlukan sesuai dengan kebutuhannya[1].
Dengan metode Maximum Power Point Tracking (MPPT) diharapkan daya output akan selalu pada kondisi maksimal. Metode ini adalah metode yang memanfaatkan sifat penyimpan muatan sebuah induktor. Dengan metode-metode ini diharapkan daya yang dihasilkan selalu pada kondisi maksimal, agar nilai efisiensi solar cell yang rendah dapat dimanfaatkan secara maksimal.
II. PEMODELAN PERENCANAAN DAN
PEMBUATAN ALAT
A. Pemodelan Sistem
Secara umum gambaran sederhana dari sistem kerja desain kontrol MPPT pada boost converter adalah ditunjukkan seperti pada Gambar 1 dibawah ini :
Gambar 1. Blok diagram pembangkit listrik tenaga surya
Pemodelan system ini bertujuan untuk mempermudah kerja blok diagram rangkaian yang berada pada DC to DC boost converter dengan metode Fuzzy Logic controlled . Pada umumnya gambaran dari prototipe ini dapat dilihat pada gambar 1, yaitu pada pembangkit yang menggunakan solar cell ,dimana Bosst converter tersebut berfungsi sebagai memaksimalkan daya solar sell untuk supply inverter
Pemodelan Solar Sell (PV)
Model panel surya BPSX80 hanya menghasilkan daya sebesar 60 watt dengan tegangan sebesar 17,6 volt saat kondisi maximum point. Oleh karena itu dibutuhkan penyesuaian terhadap panel surya BPSX 80 watt, cara
penyesuaian dilakukan melalui proses sizing. Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan PVsecara seri sebanyak 4 buah agar mendapatkan daya 135 Watt dan arus sebesar 2,27A pada saat itensitas cahaya 600W/m2.
Gambar 2. Pemodelan Solar PV
Gambar 3 Grafik Karakteristik P-V dengan Intensitas 600W/ m2
Pemodelan Boost Converter
Perencanaan dan pembuatan rangkaian boost converter secara lengkap ditunjukkan pada Gambar 4 sebagai berikut:
Gambar 4 Rangkaian Boost Converter.
Pada Gambar 4 merupakan rangkaian dasar boost converter dengan PWM untuk menyulut IGBT boost converter. PWM untuk penyulutan Boost Converter diset poin pada 70 %. Boost converter memperoleh masukan dari baterai 60 Vdc dan didesain untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 200 Volt.
Pemodelan Fuzzy Logic Controller
Cara kerja MPPT dengan fuzzy logic kontroller pada pemodelan ini adalah memaksimalkan daya output dari solar sell. Langkah pertama untuk membuat fuzzy logic kontroller dengan mengetahui karakteristik input dan output yang di harapkan. Setelah itu di buat batas-batas crips untuk membatasi nilai dari membership function. Adapun membership function input dan output pada controller dapat di lihat pada gambar 5 dan Gambar 6.
Gambar 5. Input membership function
Gambar 6. Output membership function
Pemodelan Boost Converter Dengan PV dan MPPT (FLC)
Setelah mengetahui pemodelan per sistem, maka sistem – sistem tersebut digabungkan menjadi satu. Sember atau input Boost Converter dengan solar sell (PV) dan dikontrol menggunakan MPPT dengan metode Fuzzy Logic Controller. Gambar 7 menunujukkan rangkaian Bosst Converter Dengan PV dan MPPT (FLC)
Gambar 7 Rangkaian Boost Converter dengan MPPT. B. Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
Berikut ini blok diagram system dari keseluruhan perangkat keras, sitem ini mendapatkan sumber input dari solar PV. Yang kemudian daya dari solar PV akan d maksimalkan sesuai daya maksimal dari solar PV tersebut.
Gambar 8. Blok diagram keseluruhan sistem
Boost konverter
Telah dijelaskan pada Bab II bahwa Boost Converter adalah untuk mengatur tegangan DC ke DC yang menggunakan MOSFET/IGBT sebagai device switching.
Pada Proyek Akhir ini didesain untuk Boost Conventer dengan ketentuan sebagai berikut:
∆ ∆ Parameter-parameter :
a. Tegangan Input (Vin) = 60 V b. Tegangan Output (Vo) = 200 V c. Arus Output (Io) = 5A
d. f = 14 kHz e. Duty cycle = 70 % f. L = 890 mH g. C ≥ 1250 uF
Opto coupler dan Totem Pole
Rangkaian Optocoupler berfungsi sebagai pemisah rangkaian pembangkit pulsa pada sisi masukan dengan rangkaian keluaran. Sehingga jika terjadi gangguan pada rangkaian keluaran tidak berpengaruh pada rangkaian pembangkit pulsa.pada tugas akhir ini dipilih IC TLP 250, karena IC ini dapat beroprasi pada rekuensi dan arus yang tinggi. Selain itu dalam satu IC terdapat optocoupler dan rangkaian totempole.
Voltage Divider Sebagai Sensor Tegangan dan R Seri Sebagai Sensor Arus
Voltage divider ini digunakan sebagai sensor tegangan yang dimasukkan ke dalam ADC mikrokontroler. Dari tegangan keluaran PV 60 Volt dibagi menjadi tegangan dengan nilai akhir 2,5Volt DC. Sensor tegangan menggunakan resistor pembagi tegangan dipasang secara paralel antara positif dengan ground. Secara umum rangkaian pembagi tegangan adalah sebagai berikut ini:
Gambar 9. Rangkaian sensor tegangan
Untuk sensor arus digunakan R Seri sebagai sensor, prinsip dari R seri adalah memanfaatkan resistor dengan nilai yang sangat kecil yang di pasang seri dengan sumber. digunakan R seri sebesar 0,25 ohm.
Dalam perhitungan Vin yang digunakan 60 volt beban sebesar 30 ohm, maka arus yang melewati sekitar 2A.dan Vout yang diharapkan adalah 3,4 volt DC, sedangkan tegangan yang terukur pada kaki Reri sebesar 497,8 mV. Jadi dikuatkan sebesar 6x non inverting.
Gambar 10. Rangkaian sensor arus
Sell Surya
Spesifikasi sell surya yang digunakan (sesuai name plate) :
Tabel 1. Spesifikasi sell surya
OKI type DBF 80
Maximum power 80 WP
Maximum voltage 17.6 V
maximum current 4.63 A
short circuit current 5.09 A open circuit voltage 21.6 V maximum system voltage 800 V
Pada nameplate sell surya OKI type DBF 80 daya maksimum yang dihasilkan hanya sekitar 80 WP sehingga untuk mendapatkan daya yang lebih besar di peroleh dengan cara merangkai secara seri 4 buah solar sell.
C. Perancangan Perangkat Lunak (Software)
Setelah semua hardware terangkai dan terintegrasi serta telah diuji kerjanya, hal terakhir sebelum melakukan pengujian adalah pembuatan software. Dalam hal ini software yang digunakan adalah code vision AVR yang nantinya ditransfer ke mikrokontroler AT MEGA16. Terdapat beberapa modul program dalam pembuatan sistem MPPT (FLC).
Desain Fuzzy Logic
Perancangan perangkat lunak fuzzy secara rinci dapat ditunjukkan oleh Gambar 11 flowchart program fuzzy, yang terdiri dari proses desain fuzzy inference system yang meliputi:
a. Desain Fuzzyfikasi. b. Desain Rule base. c. Desain Defuzzyfikasi
Gambar 11. Flowchart program fuzzy
III. PENGUJIAN DAN ANALISA ALAT
A. Pengujian Solar Sell (PV)
Pengujian yang pertama kali adalah dengan melakukan uji pada solar sell yang di seri sebanyak 4 buah. dalam pengujian ini memakai beban resistor (tahanan geser) antara 10 ohm sampai dengan 100 ohm, tetapi saat pertamakali pengujia di berikan beban 1 ohm. Hal ini di lakukan karena untuk mengetahui Arus maksimal yang mampu di hasilkan oleh solar sell. Pada pengujian ini insentitas cahaya sebesar 600 W/m2
Gambar 12. Rangkaian solar sell (PV)
Dari pengujian solar sell dihasilkan hasil yang variatif, data hasil pengujian dapat dilihat pada table 2
Tabel 2. Data pengujian solar sell
R (ohm) voltage (V) current (I) daya (W) (%) 1 2.27 2.47 5.61 4 3 7.41 2.47 18.31 14 5 12.35 2.47 30.51 23 10 24.69 2.46 60.73 46 20 48.7 2.43 118.54 91 30 63.27 2.1 132.86 100 40 70 1.75 122.52 94 50 73 1.4 102.21 78 60 74.7 1.24 92.62 71 70 75.77 1.08 81.83 62 80 76.51 0.95 72.86 56 90 77.06 0.85 65.51 50 100 77.48 0.77 59.65 45
B. Pengujian Rangkaian Sensor Arus dan Tegangan
Pengujian pada rangkain sensor arus dan tegangan sangat penting karena pada sistem MPPT ini data input daya diperoleh dari tegangan dan arus input solar sell tentunya untuk dapat di baca oleh ADC pada mikrokontroller harus menggunakan sensor arus dan tegangan. Sehingga untuk dapat menghasilkan PWM yang sesuai dengan desain maka harus dilakukan berkali kali pengujian untuk mendapatkan dan mengetahui karakteristik dari sensor arus dan tegangan.
Gambar 13. Rangkaian sensor arus dan tegangan
Pada pengujian rangkaian sensor tegangan dan arus ini memakai sumber tegangan DC sebesar 60 V dan beban yang variatif antara 30 ohm sampai 150 ohm. Hasil dari pengujian dari rangkaian ini dapat di lihat pada tabel 3 dan tabel 4.
Tabel 3. Data pengujian sensor arus
Load Voltage Current Current output (ohm) suplly (V) supply (I) sensor (V) 30 60 1.84 3.58 50 60 1.16 2.31 70 60 0.83 1.65 90 60 0.66 1.29 110 60 0.55 1.08 130 60 0.47 0.91 150 60 0.41 0.78
Tabel 4. Data pengujian sensor tegangan
load Voltage Output voltage (ohm) supply (V) Sensor (V) 330 10 0.42 330 20 0.89 330 30 1.27 330 40 1.69 330 50 2.12 330 60 2.5 C. Pengujian PWM
Untuk pengujian PWM ini menggunakan timer dan output PWM pada OCR0 pada Atmega 16, hasil yang di inginkan adalah 14 KHZ. Untuk nantinya PWM akan berubah sesuai input dari ADC
Gambar 14. Rangkaian minimum system
Pada pengujian ini input dari ADC di atur oleh potensiometer, sehingga akan diketahui perubahan duty cycle PWM seiring perubahan tegangan dari potensiometr yang dibaca oleh ADC
Gambar 15. sinyal PWM OCR0 (simulasi)
Gambar 16. sinyal PWM OCR0
Dari hasil simulasi dengan Proteus (ISIS) terlihat bahwa periode dalam satu cycle PWM sebesar 70,50 us sehingga frekuensiny adalah 14,18 KHz. Sedangkan pada hasil pengujian alat terlihat pada oscillscope digital frekuensi PWM sebesar 13,90 KHz.
D. Pengujian Rangkaian Opto Coupler dan Totem
Pole.
Gambar 17. sinyal input opto couler dan totem pole
Gambar 18. sinyal output opto couler dan totem pole Dari hasil pengujian dapat dilihat sinyal PWM input tidak sama persis dengan sinyal output ini dikarenakan input PWM di salurkan menggunakan opto(LED) dan di terima oleh Photo transistor sehingga ada rugi-rugi berupa osilasi pada PWM output.
E. Pengujian Boost Converter.
Pengujian boost konverter ini sangat penting karena pada rangkaian inilah daya dari solar sell dapat di maksimalkan. Dalam pengujian rangkaian ini memmakai sumber DC (power supply) sebesar 40 V dengan menggunakan beban (Resistor) sebesar 220 ohm 20W.
Gambar 19. Rangkaian Boost Converter Data pengujian dari rangkaian boost converter dapat dilihat pada tabel 5.
Tabel 5. data pengujian boost converter
Load voltage voltage current Duty R 220 ohm input (V) output (V) output (I) cycle (%) 220 40 40 0.18 0 220 40 44 0.19 10 220 40 49 0.21 20 220 40 55 0.23 30 220 40 62 0.27 40 220 40 72 0.31 50 220 40 84 0.35 60 220 40 101 0.42 70
Pada data pengujian duty cycle PWM yang di berikan antara 0 sampai dengan 70 %. jika duty cycle yang di berikan lebih dari 75% maka tegangan pada output boost converter akan turun (drop). Sedangkan pada simulasi simulink matlab duty cycle dapat di berikan smapai 90%. Ini karena pada simulasi karakteristik dari boost di anggap
ideal, sedangakan pada pengujian (real) hanya sampai 75%. Bila melabihi 75 % maka akan di angap short sirkuit oleh boost converter sehingga tegangan output akan drop karena semua komponen elektronik mempunyai toleransi. Apabila duty cycle dipaksakan terus menerus melebihi 75% maka mosfet akan mengalami pemanasan akibat short sirkuit dan menjadi rusak.
F. Pengujian Rangkaian Keseluruhan
Pada pengujian kali ini semua alat yang telah dilakukan pengujian sebelumya akan di dijadikan satu sistem. Pada pengujian keseluruhan alat ini solar sell diseri sebanyak 4 buah menjadi sumber daya yang akan di maksimalkan oleh MPPT.
Gambar 20.Rangkaian MPPT
Setelah menentukan status input, output dan rule fuzzy maka dilakukan pengujian prototipe dengan MPPT fuzzy logic controler (FLC)
Adapun data hasil pengujian dengan MPPT (FLC) dapat dilihat pada tabel 7.
Tabel 7. data pengujian rangkaian keseluruhan MPPT (FLC) R ( ) input Output (%) V I W V I W 30 39 3,10 121 43 2,01 84 64 40 45 2,92 131 50 1,89 94 72 50 52 2,68 139 58 1,56 90 69 60 56 2,87 160 79 1,48 116 89 70 57 2,32 132 87 1,27 110 84 80 64 2,43 155 96 1.21 116 89 90 62 2,12 131 103 1,18 121 93 100 63 2,11 133 102 1.15 117 90 110 62 2,12 131 109 0,99 107 82 120 62 1,98 122 112 0,98 109 83 130 61 1,76 122 111 0,97 107 82 140 62 1,88 121 115 0,93 106 81 150 63 1,75 108 118 0,82 96 73 160 64 1,43 91 122 0,81 98 75 170 64 1,13 72 123 0,76 93 71 180 64 0,97 62 130 0,64 83 63 190 64 1,01 64 134 0,61 81 62 200 64 0,91 58 135 0,57 76 58
Gambar 21.Grafik daya-beban dengan radiasi 600 W/m2 Dari hasil pangujian dengan MPPT (FLC) didapatkan hasil output yang cukup berbeda dengan data pengujian manual tanpa MPPT. Dari 18 beban yang berbeda hanya 9 beban yang dapat di maksimalkan lebih dari 100 Watt. Hal ini di karenakan algoritma fuzzy masih belum bisa sempurna selain itu pada proyek akhir ini sensor tegangan dan sensor arus yang di gunakan adalah sensor yang paling sederhana dan komponen sensor arus dan sensor tegangan memiliki toleransi yang cukup besar. Sehingga mengakibatkan daya yang dikiriimkan ke ADC oleh sensor tegangan dan sensor arus tidak bisa sempurna sesuai daya real yang di keluarkan oleh solar sell. Oleh karena itu duty cycle PWM yang bangkitkan oleh fuzzy melalui OCR0 tidak maksimal sesuai algoritma.
IV. PENUTUP
A. Kesimpulan
Setelah melakukan pembuatan perangkat keras (software) dan perangkat keras (hardware) serta pengujian per blok rangkaian dan pengujian seluruh rangkaian maka dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Metode maximum power point tracker (MPPT) sesuai untuk memaksimalkan daya output PV dikarenakan memiliki respon yang cepat terhadap perubahan beban sehingga dapat memaksimalkan daya output PV. Maka dengan MPPT solar sel dapat menjadi input distributed generation unit dengan daya output sekitar 100WP dan tegangan 70 V
2. Hasil simulasi dan hasil pengujian prototipe hampir mendekati sama dalam bentuk daya output PV. Sehingga prototype ini telah sesuai dengan tujuan yang diharapkan.
3. Pada prototipe MPPT ini telah dapat memaksimalkan daya output sebesar 100 WP dengan intensitas cahaya matahari ± 600W/ m2 .
DAFTAR PUSTAKA
[1] Zainal Arifin,Portable Solar Charger., Tugas Akhir, Teknik Elektro Industri, PENS-ITS, 2009.
[2] Yuen-Haw Chang,Chia-Yu Vhang, A Maximum Power Point of PV System by Scaling Fuzzy Control, paper IMECS 2010, March 17-19,2010,Hongkong.
[3] Sri Kusumadewi, Hari Purnomo, Aplikasi Logika Fuzzy Untuk Pendukung Keprtusan, Edisi kedua. Maret 2010, Yokyakarta.
[4] Ashari Muchamad, DC to DC Converter, Department of Electrical Engineering Sepuluh Nopember Institute of Technology (ITS) Surabaya [5] Prabowo Gigih, DC-DC Chopper, power electronics
dc-dc converters, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
[6] H. Rashid Muhammad, Power Electronics handbook, University of Florida,University of West Florida Joint rogram and Computer Engineering University of West Florida
Pensacola, Florida, 2001
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Penulis lahir di Gresik pada tanggal 30 November 1988 dengan nama Noval Fauzi sebagai anak kedua dari dua bersaudara. Riwayat pendidikan yang pernah ditempuh adalah SD Negeri Tebuwung Gresik, SLTP Negeri 1 Sidayu Gresik dan SMA Negeri 1 Sidayu Gresik. Setelah lulus dari SMA Negeri 1 Sidayu pada tahun 2006, penulis diterima menjadi mahasiswa Jurusan Teknik Elektronika di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS–ITS) pada tahun 2006-2009. Setelah itu melanjutkan ke Lintas Jalur di Jurusan Teknik Elektro ITS dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Penulis dapat dihubungi di alamat e-mail [email protected]
