Jurnal
Elektro
PENS
www.jurnalpa.eepis-its.edu
Teknik Elektro Industri Vol.1, No.1, 2016
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Rancang Bangun Dual Input Single Output Buck Converter dengan
Sumber Daya dari panel Surya dan PLN untuk Aplikasi Charger
Baterai pada Penerangan Rumah DC
Mughni Syahid
[1], Moh. Zaenal Efendi
[2], Eka Prasetyono
[3]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: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak
Panel Surya adalah pembangkit listrik yang sangat tergantung cahaya matahari. Pada sistem solar charger dengan sumber utama hanya panel surya maka ketika cuaca mendung daya yang dihasilkan lebih kecil sehingga waktu pengisian baterai menjadi lama. Pada proyek akhir ini akan dibuat dual input single output buck converter untuk aplikasi charger baterai dari sumber panel surya dan sumber PLN. Prioritas yang dipakai adalah sumber dari panel surya sedangkan sumber PLN adalah sebagai penambah daya jika terjadi kekurangan saat kondisi cuaca mendung dan baterai drop. Agar dua sumber dapat bekerja secara bersamaan maka digunakan dual input single output buck converter yang akan diatur kombinasi duty cycle nya sehingga didapatkan pembagian daya yang sesuai dengan menggunakan kontrol fuzzy. Baterai yang digunakan berkapasitas 60Ampere hour menggunkan charger metode arus konstan dengan arus pengisian 6 Ampere dan metode tegangan konstan dengan tegangan pengisian 14,4Volt. Dari hasil pengujian kontrol fuzzy dapat menstabilkan ke setpoint dalam waktu 560 ms. Dengan dua sumber yang digunakan disaat daya panel surya turun maka daya dari PLN akan naik sehingga daya charger tetap terpenuhi walau dalam kondisi mendung.
Kata kunci : panel surya, PLN, dual input single output buck converter, kontrol fuzzy, metode arus konstan, metode
tegangan konstan.
1.Pendahuluan
Saat ini penggunaan panel surya sebagai energi terbarukan memang sudah berkembang pesat. Panel surya menghasilkan energi gratis dengan mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik yang dapat disimpan ke dalam baterai sehingga dapat digunakan kapan pun baik siang maupun malam.
terjadi pengisian karena tegangan terlalu kecil. Pada proyek akhir ini akan dibuat charger baterai yang memiliki dua sumber yang didesain untuk sumber dari panel surya dan sumber PLN. Prioritas sumber utama yang dipakai adalah sumber dari panel sedangkan sumber PLN adalah sebagai penambah daya jika terjadi kekurangan daya saat kondisi cuaca mendung dan baterai drop. Diharapkan dengan metode charger ini pengisian baterai tidak terkendala saat cuaca mendung dan baterai dapat diisi dengan maksimal.
Beberapa refrensi pada proyek ini diantaranya membahahas tentang topologi dari konverter yang dimodifikasi salah satunya adalah buck converter yang memiliki dua sumber[1][2]. Dengan desain yang digunakan sumber dari panel surya dan sumber PLN. Metode charger baterai arus konstan dan tegangan konstan[3]. Dengan metode charger tersebut maka mula-mula baterai kosong dicharger dengan metode arus konstan sebesar 6 A kemudian jika tegangan charger sudah 14,4 V secara skuensial berpindah ke metode tegangan konstan 14,4 V. Untuk kontrol metode charger tersebut digunakan kontrol fuzzy[4][5]. Dengan kontrol fuzzy pula maka dapat mengatur pembagian daya untuk memaksimalkan daya dari panel surya dan penambah daya dari PLN.
2.Metode
Pada perancangan sistem charger ini dibutuhkan komponen pendukung seperti ditunjukkan pada blok diagram Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Blok Diagram Sistem.
Pada blok diagram tersebut terdiri dari panel surya dengan kapasitas 200 Watt Peak sebagai sumber utama. Daya 200 WP didapatkan dari dua buah panel surya 100 WP yang dipasang parallel. Dengan pesangan parallel maka tegangan panel surya tetap namun kemampuan arusnya bertambah besar. Tegangan panel surya yang dapat digunakan untuk charger antara 15 V sampai dengan 19 Volt. Sumber kedua untuk penambah daya dari sumber PLN 220 V AC yang diturunkan oleh transformator 5 A menjadi 25 V AC kemudian disearahkan menjadi DC dan difilter kapasitor untuk memperkecil ripple sehingga didapatkan tegangan maksimum 35,35 V DC. Output dari panel surya dan penyearah tersebut masuk ke dual
input single output buck converter kemudian output
dari converter masuk ke baterai untuk charger. Rangkain dual input single output buck converter seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2a. Rangkaian Dual Input Single Output
Buck Converter.
Untuk lebih memahami sistem kerja dari konverter ini maka dengan menganalisa ketika kondisi switch tertutup dan ketika switch terbuka seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3b Kondisi ketika switch tertutup dan
switch terbuka.
a
Erik Schaltz, 2014.”Current Control of a Multiple Input DC/DC Converter”. Proyek Aalborgn University.
b
Bentuk gelombang switch mosfet (VGS1 dan VGS2), tegangan di induktor (VL) dan arus di induktor (IL) ditunjukkan oleh Gambar 2.4.
Gambar 2.4c. Bentuk Gelombang VGS1, VGS2, VL
dan IL.
Untuk menentukan tegangan Vout adalah dengan rumus :
Saat switch menutup (close) :
Maka :
Saat switch terbuka (open)
c ibid
sehingga nilai Vo :
Dimana :
Vo = Tegangan output V1 = Tegangan input 1 V2 = Tegangan input 2 D = Duty cycle
Dalam merencanakan sebuah konverter maka harus menentukan nilai nilai parameter yang digunakan sesuai sengan sistem agar didapatkan efisisensi dan hasil yang diharapkan. Parameter hasil perencanaan ini seperti ditunjukkan pada table 2.1.
Tabel 2.1. Parameter perencanaan converter.
Parameter Nilai Parameter Nilai
Vin min 15 V Inductor L 246 uH output konverter didapatkan dari penjumlahan tegangan input 1 dan 2 yang masing masing dikalikan dengan duty cycle. Dengan pengaturan dua duty cycle maka output juga menggunakan dua PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroller STM32F407. Pulsa PWM tersebut dikuatkan oleh totempole sebelum masuk ke gate mosfet karena level tegangan mikrokontroller 3 V sedangkan gate mosfet 12 V. Proses kerja dari charger ini saat awal pengisian adalah mode arus konstan dengan setpoint 6 A dan kemudian akan berpindah ke mode tegangan konstan 14,4 V saat tegangan charger 14,4 V. Untuk membuat output konverter sesuai dengan setpoint maka digunakan kontrol fuzzy. Error didapat dari SP-PV. Nilai PV atau present value adalah pembacaan dari (2.1)
(2.2)
sensor arus saat mode arus konstan dan sensor tegangan saat mode tegangan konstan. Desain fuzzy ini menggunakan matlab. Gambar 2.5 menunjukkan membership function dari error (a), delta error (b) dan output (c).
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.5. Membership Function dari error (a),
delta error (b) dan output (c).
Rule base yang dipakai pada fuzzy ini seperti ditunjukkan pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Rule Base Fuzzy.
E
dE
NL NM NS Z PS PM PL
NL N N NL NL PM PL P
NM N N NL NM PM PL P
NS N N NL NM PL PM P
Z N N NL Z PL PM P
PS N NM NM Z PL PM P
PM N NL NM Z PM PL P
PL N NL NM Z PM PL P
Keterangan dari gambar dan grafik :
N = Negatif NL = Negatif Low
NM = Negatif Medium N = Negatif Small
Z = Zero PM = Positif Medium
PL = Positif Low P = Positif
3.Hasil
Pada bagian ini akan dijelaskan hasil pengujian dari sistem yang telah dibuat. Pengujian ini diantaranya meliputi pengujian converter tanpa kontrol fuzzy, dengan kontrol fuzzy dan pengujian secara keseluruhan sistem sebagai charger baterai. Gamnbar 3.1 menunjukkan respon tanpa kontrol fuzzy sedangkan gambar 3.2 menunjukkan respon dengan kontrol fuzzy.
Gambar 3.1. Respon Output Tanpa Kontrol Fuzzy.
Gambar 3.2. Respon Output dengan Kontrol Fuzzy.
Dari respon output converter tersebut dapat diketahui tanpa kontrol fuzzy maka output drop saat ada gangguan sedangkan dengan kontrol fuzzy maka dapat kembali stabil dalam waktu 560 ms.
Gambar 3.3. Grafik Daya Panel Surya, PLN dan
Charger.
Dari grafik tersebut diketahui bahwa daya charger tetap stabil sebesar 80 W walau ada sedikit ripple. Saat Daya panel surya 0 W maka dayaPLN sebagai penyedia daya utama. Pada grafik terlihat banyak ripple disebabkan karena supply DC PLN tidak stabil karena drop tegangan saat arus beban besar. Saat daya panel surya mulai naik maka daya dari PLN akan turun, Jika daya panel surya cukup maka daya dari PLN tidak terpakai yaitu 0 W. Dari grafik tersebut diketahui pula bahwa kontrol fuzzy mampu mengatur pembagian daya saat perubahan daya lambat maupun cepat sehingga daya output tetap stabil.
Setelah dipastikan converter sudah bekerja baik maka dilakukan pengujian charger baterai selama 8,5 jam untuk mengetahui kondisi charging jika sumber daya diperoleh dari dua sumber yaitu panel surya dan PLN, sehingga dapat diketahui waktu, tegangan, arus dan daya dari charger. Hasil pengujian dari charger sumber panel surya dan PLN seperti ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Pengujian Charger Sumber Panel Surya
dan PLN. grafik tegangan charger dan tegangan baterai sedangkan Gambar 3.5 menunjukkan grafik arus charger baterai.
Gambar 3.4. Grafik Tegangan Charger dan Tegangan
Baterai Sumber Panel Surya dan PLN.
0
Gambar 3.5. Grafik Arus Charger Sumber Panel
Dari table 3.1 diketahui bahwa tegangan baterai dicharger dari jam 08:00 dengan tegangan 10,82 V sampai jam 16:30 dengan tegangan 13,48 V selama 8,5 jam. Metode Arus konstan berlangsung dari jam 8:00 sampai dengan 13:00 kemudian berlanjut dengan tegangan konstan sampai jam 16:30. Dari table dan grafik terlihat kenaikan tegangan charger begitu pula tegangan baterai saat metode arus konstan kemudian tegangan charger konstan dan arus charger baterai turun mengindikasikan baterai mulai penuh. Tabel 3.2 menunjukkan daya dari sumber panel surya, sumber PLN dan charger.
Tabel 3.2. Pengujian Daya Charger Sumber Panel
Surya dan PLN.
Dari data table tersebutdiketahui saat jam 8:00 dan jam 8:30 maka daya dari panel surya adalah 0 W sehingga daya panel surya adalah 93 W untuk mensupply daya charger sebesar 75 W . Saat mulai jam 9:00 maka daya panel surya naik menjadi 92 W dan daya PLN turun menjadi 2 W untuk mensupply daya charger sebesar 80 W. Daya panel surya tersedia sampai jam 15:30. Selanjutnya mulai jam 16:00 daya panel surya menjadi 0 dan daya charger disupply oleh PLN sebesar 61 W untuk mensupply charger dengan daya 49 W. Dari daya itu diketahui bahwa daya
charger awal saat baterai kosong adalah kecil kemudian baterai terisi daya menjadi naik. Setelah baterai muali penuh maka daya turun kembali. Gambar 3.6 menunjukkan perubahan daya panel surya, PLN dan charger.
0
Gambar 3.6. Grafik Daya Panel Surya, Daya PLN
dan Daya Charger.
Dari hasil pengujian sistem secara keseluruhan tersebut sudah sesuai dengan perancangan yaitu daya PLN dapat menambahkan daya panel surya untuk charger baterai sehingga proses charger baterai tidak terganggu dan tetap aktif.
4.Kesimpulan
1. Error rata-rata sensor tegangan Panel Surya, PLN, Baterai dan Beban adalah 0,59 % sedangkan error rata-rata sensor arus ACS 712 30A adalah 1,02% sehingga hasil pembacaan keempat sensor tersebut cukup baik.
2. Kontrol fuzzy mampu menstabilkan ke setpoint untuk kondisi awal start adalah 550 ms sedangkan pada saat gangguan dengan waktu steady adalah 560 ms.
3. Dengan menggunakan rangkain dual input single
output buck converter ini jika arus panel surya
tidak mencapai arus beban 6 A maka tegangan akan drop karena sistem switching dirangkain secara seri.
Ucapan Terima kasih
Puji Syukur hanya kepada ALLAH SWT dan tanpa menghilangkan rasa hormat yang mendalam penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah membantu untuk menyelesaikan proyek akhir ini, terutama kepada kedua orang tua yang selalu mendo’akan, memberi dukungan dan motivasi. Bapak Dr. Zainal Arief, ST, MT. selaku Direktur Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Bapak Indhana Sudiharto, ST, MT. selaku Ketua Program Studi D4 Teknik Elektro Industri. Bapak Ir. Zaenal Efendi, MT. dan bapak Eka Prasetyono, S.ST, MT. selaku dosen pembimbing. Dosen Penguji yang telah memberikan pertanyaan dan saran dalam peyempurnaan proyek akhir ini. Teman-teman Jurusan Teknik Elektro Industri dan semua pihak yang telah membantu.
Referensi
[1] Schaltz, Erick (2014). Current Control of a Multiple Input DC/DC Converter. Department of Energy Technology, Aalborgn University
[2] Gummi, Karteek (2008). Derivation of new double-input DC-DC converters using the building block methodology. Master of science in electrical engineering, Missouri University Of Science and Technology
[3] Syahid, Mughni (2014). Rancang Bangun Charger Baterai dan Automatic Transfer Switch (ATS) Panel Surya – PLN Untuk Sumber Daya Tempat Sampah Otomatis. D3 Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS. Surabaya.
[4] Shion Shieh,Cheng(2010). Fuzzy PWM base on Genetic Algoroth for battery charging. Department of Electrical Engineering, Far-East University,49 Chung Hua Road,Hsin-Shin,Taian,ROC.
