DESAIN DAN IMPLEMENTASI MULTI-INPUT KONVERTER DC-DC PADA SISTEM TENAGA LISTRIK HIBRIDA PV/WIND

Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS 1

DESAIN DAN IMPLEMENTASI MULTI-INPUT KONVERTER DC-DC PADA

SISTEM TENAGA LISTRIK HIBRIDA PV/WIND

Yahya Dzulqarnain, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng., Dedet Chandra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D.

Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS

Abstrak—Aplikasi sistem tenaga listrik

menggunakan energi surya (photovoltaic) maupun energi angin (wind turbine) telah meningkat secara signifikan karena pertumbuhan berbagai teknik dalam elektronika daya yang sangat cepat. Pada umumnya, energi surya dan energi angin saling melengkapi karena jumlah energi surya yang melimpah pada saat cuaca cerah atau siang hari dan biasanya angin berhembus kencang pada cuaca mendung atau malam hari.

Pada tugas akhir ini dirangcang sebuah konverter DC-DC multi-input untuk sistem hibrida PV/Wind. Tujuan dari tugas akhir ini untuk menghasilkan daya yang stabil yang mampu menyuplai DC Bus dari daya masukan sistem hibrida PV/Wind. Konverter DC-DC multi-input membutuhkan sebuah pengaturan untuk proses switching tegangan masukan. Pengaturan ini dilakukan dengan mengubah duty cycle pada pulsa PWM yang digunakan untuk kontrol

switching tersebut. Dengan demikian diharapkan

sistem hibrida PV/Wind dapat mengalirkan daya baik pada saat sumber energi bekerja bersama-sama maupun saat bekerja secara terpisah.

Kata kunci: Multi-input DC-DC converter, hybrid power system, photovoltaic, wind turbine, buck converter, buck-boost converter.

I. PENDAHULUAN

Pemanfaatan sumber energi terbarukan seperti energi surya atau energi angin semakin meningkat secara signifikan. Ketersediaan energi surya dan energi angin bergantung pada waktu, cuaca dan musim. Pada umumnya, energi surya dan energi angin saling melengkapi, jumlah energi surya yang melimpah pada saat cuaca cerah atau siang hari dan energi angin bertambah pada saat cuaca mendung atau malam hari.

Seiring dengan perkembangan teknologi elektronika daya yang cepat, konversi sumber energi terbarukan menjadi energi listrik memegang peranan penting untuk mencapai hasil yang optimal. Dengan melihat karakteristik umum energi surya dan energi angin, kedua macam energi ini dapat dipadukan menggunakan teknik hibrida sehingga diharapkan dapat menyuplai tenaga secara kontinyu dibandingkan jika energi-energi ini digunakan secara terpisah.

Teknik hibrida diantaranya digunakan untuk menggabungkan beberapa jenis pembangkit listrik

baik antara pembangkit listrik yang tidak dapat diperbarui dengan pembangkit listrik yang dapat diperbarui maupun antar pembangkit listrik yang dapat diperbarui. Teknik ini menggunakan pengendali untuk mengoptimalkan pemanfaatan masing-masing sumber energi dan pada umumnya menggunakan baterai sebagai penyimpan energi sementara.

Konversi energi surya dan energi angin menjadi energi listrik menggunakan teknik hibrida dapat menggunakan dua konverter untuk masing-masing sumber energi ataupun satu konverter yang terintegrasi dengan dua macam sumber energi sebagai masukan. Pengendalian sistem konversi energi dengan teknik ini disesuaikan dengan ketersediaan energi surya dan energi angin dan diharapkan mampu menyuplai tenaga secara kontinyu sehingga dapat mengurangi dampak buruk penggunaan baterai.

Pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah konverter DC-DC multi-input sebagai alternatif solusi untuk memadukan dua sumber energi terbarukan yaitu energi surya dan energi angin sehingga dapat menyederhanakan dalam mengatur pemakaian sumber energi tersebut, menyederhanakan desain dan mengurangi biaya. Selanjutnya, dalam tugas akhir ini akan dianalisa daya keluaran dari konverter DC-DC multi-input yang dihasilkan dari pengaturan duty cycle pada pulsa PWM (Pulse Width Modulation). Pulsa PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler AVR ATMega8 digunakan untuk melakukan proses switching tegangan masukan konverter DC-DC multi-input menggunakan komponen MOSFET. Nilai dari duty cycle akan diubah-ubah secara manual berdasarkan persamaan tegangan dan arus yang digunakan pada konverter tersebut. Dengan sistem ini diharapkan konverter DC-DC multi-input dapat menghasilkan daya keluaran yang kontinyu dan stabil.

II. KARAKTERISTIK INPUT PV, INPUT WIND, KONVERTER DC-DC

MULTI-INPUT 2.1. Photovoltaic

Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS 2 elektron. Apabila elektron tersebut dapat menempuh

perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada lapisan yang berbeda maka akan terjadi perubahan sigma gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semikonduktor akan menyebabkan aliran medan listrik dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada peralatan listrik, sehingga akan terbangkit arus DC. 2.1.1 Karakteristik Panel Surya

Penentuan karakteristik panel surya dilakukan dengan melakukan pengujian dan pengambilan data secara langsung. Pengujian dan pengambilan data dilakukan pada berbagai kondisi. Panel surya yang digunakan merupakan tipe BPSX60V.

Gambar 1. Karakteristik P-V panel surya BPSX60V pada irradiance ± 974 W/m2, ± 700 W/m2, dan ± 483 W/m2

Pada setiap pengambilan data arus dan tegangan, dilakukan juga pengukuran arus hubung singkat (I_sc) dan tegangan rangkaian terbuka (V_oc). Pendekatan nilai irradiance dihitung dengan cara membandingkan I_sc hasil pengujian dengan I_sc pada data spesifikasi dari panel surya BPSX60V, kemudian hasil perbandingan tersebut dikalikan dengan nilai irradiance yang ada pada data spesifikasi panel surya BPSX60V.

2.2. Wind Turbine

Wind Turbine merupakan salah satu bagian penting pada pembangkit listrik tenaga angin yang berperan untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik untuk menggerakkan generator.

Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang hilang ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini terhubung dengan rotor dari generator. Generator ini yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

2.2.1 Karakteristik Permanent Magnet DC Generator

Penentuan karakteristik generator DC magnet permanen dilakukan dengan melakukan pengujian dan pengambilan data secara langsung. Generator DC yang digunakan merupakan sebuah motor DC magnet permanen tipe Hitachi 30VDC. Pengujian dilakukan dengan memberikan putaran pada motor Hitachi 30VDC menggunakan motor lain yang dihubungkan dengan belt sehingga motor dapat berfungsi sebagai generator. Pengujian tersebut dilakukan pada kondisi kecepatan motor yang berbeda-beda dengan tujuan untuk mendapatkan data arus dan tegangan pada kondisi yang berbeda.

Gambar 2. Kurva P-RPM generator DC magnet permanen Hitachi 30VDC

2.3. KONVERTER DC-DC MULTI-INPUT

Konvertee DC-DC multi-input merupakan sebuah perkembangan teknologi elektronika daya dimana dua atau lebih konverter DC-DC digabungkan baik secara paralel maupun seri untuk menyuplai beban yang sama dari beberapa sumber yang berbeda karakteristiknya. Sebelum digunakan konverter DC-DC multi-input biasanya digunakan konverter yang terpisah untuk masing-masing sumber seperti ditunjukkan pada gambar 3, keluaran dari masing-masing konverter selanjutnya dihubungkan dengan DC Bus agar tegangan keluarannya sama dan stabil. Sehingga untuk mengurangi biaya maka sistem tersebut digabungkan seperti pada gambar 4.

Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS 3

Gambar 4. Topologi double DC-DC converter

multi-input

Konverter DC-DC multi-input yang digunakan merupakan buck converter dan buck-boost converter yang terintegrasi, desain rangkaian konverter ini dapat dilihat pada gambar 5, topologi ini terdiri dari dua input sumber tegangan. Dengan menggunakan skema kontrol PWM untuk mengatur buka tutup saklar S1 dan S2, konverter DC-DC multi-input

direncanakan agar dapat mengalirkan daya dari dua sumber tegangan baik secara gabungan maupun sendiri-sendiri.

Gambar 5. Desain konverter DC-DC multi-input[1] Dalam konverter DC-DC multi-input ini terdapat empat mode operasi berbeda[2] berdasarkan kondisi saklar seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 6. Operasi konverter DC-DC multi-input pada modeI

Mode I`( S1:on; S2:off): Saklar S1 diaktifkan dan

saklar S2 dimatikan. Karena konduksi S1, dioda daya

D1 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai

rangkaian terbuka. Di sisi lain V2 mati sehingga dioda

daya D2 akan menyediakan jalur bypass untuk

induktor seperti ditunjukkan pada gambar 6. Dalam mode ini V1 akan menyuplai komponen penyimpanan

daya induktor(L) dan Kapasitor(C) dan juga menyuplai daya ke beban(R).

Gambar 7. Operasi konverter DC-DC multi-input pada mode II

Mode II`( S1:off; S2:on): Saklar S1 dimatikan dan

saklar S2 diaktifkan. Karena konduksi S2, dioda daya

D2 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai

rangkaian terbuka. Di sisi lain V1 mati sehingga dioda

daya D1 akan menyediakan jalur bypass untuk

induktor seperti ditunjukkan pada gambar 7. Dalam mode ini V2 akan menyuplai komponen penyimpanan

daya induktor(L) dan Kapasitor(C) dan juga menyuplai daya ke beban(R).

Gambar 8. Operasi konverter DC-DC multi-input pada mode III

Mode III`( S1:off; S2:off): Kedua saklar S1 dan

saklar S2 dalam kondisi dimatikan. Sehingga V1 dan

V2 tidak menyuplai daya. Dioda daya D1 dan D2 akan menyediakan jalur bypass untuk mengalirkan arus induktor seperti ditunjukkan pada gambar 8. Energi listrik yang disimpan dalam komponen penyimpanan daya induktor(L) dan Kapasitor(C) akan dilepaskan ke beban(R).

Mode IV`( S1:on; S2:on): Kedua saklar S1 dan

saklar S2 diaktifkan sehingga dioda daya D1 dan D2

bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian terbuka. V1 dan V2 terhubung seri untuk mengisi

Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS 4

Gambar 9. Operasi konverter DC-DC multi-input pada mode IV

III. PERANCANGAN KONVERTER DC-DC MULTI-INPUT

Pada konverter DC-DC multi-input, nilai L dan C diperoleh menggunakan perhitungan pada konverter penyusun multi-input konverter yaitu buck converter dan buck-boost converter.

Pada sisi buck converter, perhitgan mengacu pada spesifikasi panel surya BPSX60V.

Tabel 1. Nilai parameter pada sisi PV Parameter Nilai

Tegangan Input (Vi) 15-21 V

Tegangan Output (Vo) 12-16.8V

Arus Output (Io) 3.00 A

Frekuensi switching (f) 40 KHz

Riple arus diasumsikan

∆I = 10% ∆I = (10/100)x3 = 0.30 A

Riple tegangan

diasumsikan ∆Vc = 2% ∆Vo = (2/100)x12 = 0.24 V

Jika diasumsikan tegangan output yang diinginkan adalah 12 Volt, maka nilai duty cycle dapat dihitung sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

𝐷 =_𝑉𝑉𝑜

𝑑=

12 21= 0.57

Setelah didapatkan nilai duty cycle, kemudian nilai L dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut :

𝐿 =(𝑉𝑑− 𝑉𝑜) 𝑥 𝑉𝑜 ∆𝑖𝐿 𝑥 𝑓 𝑥 𝑉𝑑 =

(21 − 12) 𝑥 12

(0.3)𝑥 40000 𝑥 21 = 428 𝜇𝐻

Sedangkan nilai C dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut :

𝐶 =_{8 𝑥 ∆𝑉}∆𝑖𝐿 𝑜 𝑥 𝑓=

0.30

8𝑥0.24𝑥40000= 3.9 𝜇𝐹

Pada sisi buck-boost converter, perhitgan mengacu pada spesifikasi panel surya generator DC magnet permanen Hitachi 30VDC.

Tabel 2. Nilai parameter pada sisi Wind Parameter Nilai

Tegangan Input (Vi) 15-21 V

Tegangan Output (Vo) 12-16.8V

Arus Output (Io) 3.00 A

Frekuensi switching (f) 40 KHz

Riple arus diasumsikan

∆I = 10% ∆I = (10/100)x3 = 0.30 A

Riple tegangan

diasumsikan ∆Vc = 2% ∆Vo = (2/100)x12 = 0.24 V Jika diasumsikan tegangan output yang diinginkan adalah 12 Volt, maka nilai duty cycle dapat dihitung sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

𝐷 =_(𝑉 𝑉𝑜

𝑑+ 𝑉𝑜)=

12

(20 + 12)= 0.375

Setelah didapatkan nilai duty cycle, kemudian nilai L dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut :

𝐿 =_∆𝑖 𝑉𝑑 𝑥 𝑉𝑜 𝐿 𝑥 𝑓 𝑥 (𝑉𝑑+ 𝑉𝑜)=

20 𝑥 12

(0.3)𝑥 40000 𝑥 (20 + 12) = 625 𝜇𝐻

Sedangkan nilai C dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut :

𝐶 = _∆𝑉 𝐼𝑜𝑥 𝑉𝑜 𝑜 𝑥 𝑓𝑥 (𝑉𝑑+ 𝑉𝑜)=

3 𝑥 12

0.24 𝑥 40000 𝑥 (20 + 12)= 70 𝜇𝐹

Nilai L dan C yang diperoleh berdasarkan perhitungan yang digunakan pada masing-masing konverter penyusun konverter DC-DC multi-input merupakan nilai minimum komponen yang dapat digunakan pada konverter DC-DC multi-input ini. Dengan mempertimbangkan hasil perhitungan dan ketersediaan komponen di pasaran, maka dipilih nilai L sebesar 1 mH dan C sebesar 100 uF.

Setelah didapatkan nilai L dan C, disimulasikan pembuatan konverter DC-DC multi-input dengan menggunakan software. Simulasi ini bertujuan untuk melihat hasil dari desain yang telah dilakukan.

Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS 5 Dari hasil simulasi dapat dilihat skema charging

induktor(L) pada berbagai duty cycle yang diberikan untuk mengetahui apakah desain konverter sudah sesuai dengan topologi konverter DC-DC multi-input.

Gambar 11. Sistem konverter DC-DC multi-input saat D1 = 38,89%, D2 = 25%

IV. PENGUJIAN DAN ANALISA

Pengujian dilakukan untuk menperoleh efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input pada berbagai mode operasi dan kondisi beban yang berubah-ubah. Pengujian dilakukan dengan menggunakan DC Power Supply sebagai sumber tegangan input. Pengujian dilakukan pada tiga kondisi yaitu pada saat PV atau input satu bekerja sendiri, input Wind atau input dua bekerja sendiri dan pada saat kedua input bekerja bersama-sama. Pada masing-masing pengujian diberikan beban resistor yang nilainya berubah-ubah.

Pengaturan duty cycle untuk proses switching dilakukan secara manual melalui potensiometer sampai didapat tegangan output yang diinginkan. 4.1. Pengujian Input PV Bekerja Sendiri

Gambar 12. Skema pengujian input PV bekerja sendiri

Gambar 13. Kurva efisiensi terhadap perubahan daya output konverter DC-DC multi-input saat multi-input PV bekerja sendiri Dari hasil pengujian pada beberapa level tegangan di atas tampak bahwa efisiensi buck converter pada sistem konverter DC-DC multi-input ini semakin menurun sebanding dengan peningkatan daya output sistem. Semakin besar daya output yang dihasilkan, maka efisiensi sistem tersebut semakin menurun.

4.2. Pengujian Input Wind Bekerja Sendiri

Gambar 14. Skema pengujian input Wind bekerja sendiri

Gambar 15. Kurva efisiensi terhadap perubahan daya output konverter DC-DC multi-input saat multi-input Wind bekerja sendiri Dari hasil pengujian pada beberapa level tegangan di atas tampak bahwa efisiensi buck-boost converter pada sistem konverter DC-DC multi-input ini cukup rendah dan semakin menurun sebanding

Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS 6 dengan peningkatan daya output sistem. Semakin

besar daya output yang dihasilkan, maka efisiensi sistem tersebut semakin menurun.

4.3. Pengujian Input PV/Wind Bekerja Bersama

Gambar 14. Skema pengujian input PV/Wind bekerja bersama

Gambar 15. Kurva efisiensi terhadap perubahan daya output konverter DC-DC multi-input saat multi-input PV/Wind bekerja bersama

Pada saat input PV/Wind bekerja bersama, konverter DC-DC multi-input bekerja pada semua mode operasi yang dimiliki sistem tersebut sesuai dengan topologinya. Pada pengujian ini, duty cycle saklar S2 diatur lebih kecil daripada duty cycle saklar

S1 .Efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input ini

semakin menurun sebanding dengan peningkatan daya output sistem yaitu diatas 75 % pada daya output 20 watt sampai 40 Watt.

V. KESIMPULAN

Pada penelitian ini telah didesain dan diimplementasikan konverter DC-DC multi-input pada sistem tenaga listrik hibrida PV/Wind, konverter ini merupakan dua konverter DC-DC yang terintegrasi menjadi satu. Dari hasil pengujian konverter DC-DC multi-input ini, konverter mampu bekerja pada saat PV bekerja sendiri, Wind bekerja sendiri, maupun pada saat keduanya bekerja bersama-sama. Efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input untuk daya 20 Watt sampai 40 Watt pada saat PV bekerja sendiri yaitu diatas 85%, sedangkan pada saat Wind bekerja

sendiri efisiensi sistem hanya 45% sampai 75%, dan pada saat keduanya bekerja bersama efisiensi sistem berada diatas 75%. Dari nilai tersebut, konverter DC-DC multi-input sudah dapat diimplementasikan pada sistem tenaga listrik hibrida.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Yaow-Ming Chen, S. C. Hung, C. S. Cheng, Y. C. Liu, “Multi-Input Inverte for Grid-Connected Hybrid PV/Wind Power System”, Power Electronics Applied Research Laboratory, National Chug Cheng University Ming-Hsiung, Chia-Yi, pp 850-856, Taiiwan, Taipe, 2005.

[2]. Yaow-Ming Chen, S. C. Hung, C. S. Cheng, Y. C. Liu, “Double-Input PWM DC/DC Converter for High/Low Voltage Sources”, IEEE Trans On Industrial Electronics, Vol. 53, No. 5, October, Taiwan, Taipe, 2006.

[3]. Muhammad H. Rasyid, 1993. “Power Electronics”, Second Edition, Prentice Hall International Inc.

[4]. Mochamad Ashari, 2006. “Diktat Kuliah Elektronika Daya”, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS.

Dilahirkan di sebuah kota kecil yang terkenal sebagai kota Batik, Yahya Dzulqarnain, anak kedua dari empat bersaudara dari pasangan M.Husni Zen dan Siti Baidah ini memulai pendidikan formal di kota Pekalongan pada tahun 1994 di SD Negeri Tirto 1 Pekalongan. Setelah lulus dari sekolah dasar, penulis melanjutkan pendidikan di sekolah favorit di kotanya. Pada tahun 2003 lulus dari SMP Negeri 2 Pekalongan kemudian melanjutkan ke jenjang yang lebih tinggi di SMA Negeri 1 Pekalongan sampai tahun 2006. Penulis yang gemar mendaki gunung dan jalan-jalan ini memulai studi di perguruan tinggi di Surabaya. Selama menempuh pendidikan tiinggi di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya sejak tahun 2007, penulis aktif dalam komunitas pecinta robot Mechatronic Community di kampusnya. Beberapa kompetisi robotik tingkat nasional pernah diikuti oleh penulis yang mengambil bidang studi Power System Engineering di Jurusan Teknik Elektro ITS.