Embed Size (px)
Citation preview
DESAIN MAKSIMUM POWER POINT TRACKING
MENGGUNAKAN BOOST CONVERTER YANG TERHUBUNG KE
GRID SATU FASA
TESIS
PROGRAM MAGISTER TEKNIK ELEKTRO
MINAT SISTEM KONTROL DAN ELEKTRONIKA
Ditujukan untuk memenuhi persyaratan
memperoleh gelar Magister Teknik
Oleh
FREDIAWAN YUNIAR
NIM 136060300111025
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
FAKULTAS TEKNIK
MALANG
2017
ii
TESIS
DESAIN MAKSIMUM POWER POINT TRACKING MENGGUNAKAN BOOST CONVERTER YANG TERHUBUNG KE GRID SATU FASA
FREDIAWAN YUNIAR NIM. 136060300111025
telah dipertahankan didepan penguji pada tanggal 8 Mei 2017
dinyatakan telah memenuhi syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik
KOMISI PEMBIMBING
Ketua,
Dr. Rini Nur Hasanah,S.T.,M.Sc.
NIP.196801221995122001
Anggota,
Dr-Ing.Onny Setyawati.ST.,MT.,M.Sc.
NIP. 197404172000032007
Malang, 8 Mei 2017
Universitas Brawijaya Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Elektro
Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro
Dr.Eng. Panca Mudjirahardjo,ST.,MT NIP. 197003292000121001
iii
JUDUL TESIS :
DESAIN MAKSIMUM POWER POINT TRACKING MENGGUNAKAN
BOOST CONVERTER YANG TERHUBUNG KE GRID SATU FASA
Nama Mahasiswa : Frediawan Yuniar
NIM : 136060300111025
ProgramStudi : Program Magister Teknik Elektro
Minat : Sistem Kontrol dan Elektronika
KOMISI PEMBIMBING :
Ketua : Dr. Rini Nur Hasanah,S.T.,M.Sc
Anggota : Dr-Ing. Onny Setyawati, ST., MT., M.Sc.
TIM DOSEN PENGUJI :
Dosen Penguji1 : Dr. Ir. Erni Yudaningtyas, M.T.
Dosen Penguji2 : Dr. Ir. Bambang Siswojo, MT.
Tanggal Ujian : 8 Mei 2017
SK Penguji : 538 Tahun 2017
iv
PERNYATAAN ORISINALITAS TESIS
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa sepanjang pengetahuan saya, di
dalam Naskah Tesis ini tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan orang lain untuk
memperoleh gelar akademik di suatu Perguruan Tinggi dan tidak terdapat karya atau
pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis dikutip
dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber kutipan dan daftar pustaka.
Apabila ternyata di dalam Naskah Tesis ini dapat dibuktikan unsur-unsur jiplakan, saya
bersedia Tesis (MAGISTER) dibatalkan, serta diproses sesuai dengan peraturan
perundang-undangan yang berlaku (UU No.20 Tahun 2003, pasal 25 ayat 2 dan pasal
70)
Malang, Mei 2017
Frediawan Yuniar
NIM.136060300111025
vi
RIWAYAT HIDUP
Frediawan Yuniar, Tanah Grogot, 07 Februari 1989, anak dari
Ayah Yuniar dan Ibu Pristinawati, SD di SDN 015 Kota Tanah
Grogot, SMP di SMPN 5 kota Tanah Grogot, SMA di SMAN 1
kota Tanah Grogot dan lulus tahun 2008. Studi S1 Teknik
Elektro Universitas Muhammadiyah Malang pada tahun 2008-
2013. Pengalaman kerja sebagai Teknisi ahli jaringan
connecthotspot 2019-sekarang. Melanjutkan studi program
Magister (S2) di Program Magister Teknik Elektro Jurusan Elektro Fakultas Teknik
Universitas Brawijaya pada tahun 2013-2016.
vii
UCAPAN TERIMA KASIH
Puji syukur kehadirat ALLAH Subhanahuwata’ala atas terselesaikannya tesis ini
segenap usaha dan do’a tidak akan membuahkan hasil tanpa bantuan dari berbagai pihak.
Oleh sebab itu penyusun mengucapkan terimakasih kepada:
1. Allah S.W.T yang telah memberi saya kekuatan dan kesabaran dalam menyelesaikan
tesis ini.
2. Ibu Dr. Rini Nur Hasanah,S.T.,M.Sc dan Ibu Dr-Ing. Onny Setyawati, ST., MT.,
M.Sc., selaku ketua komisi pembimbing dan anggota komisi pembimbing, yang telah
meluangkan waktu untuk memberikan masukan, bimbingan, dan motivasi yang
membangun kepada penulis hingga tesis ini terselesaikan dengan baik.
3. Dr.Eng. Panca Mudjirahardjo,ST.,MT Ketua Program Magister Teknik Elektro dan
Tim Penguji memberi kemudahan dan kelancaran melaksanakan perkuliahan S2
Magister.
4. M. Aziz Muslim, ST., MT., Ph.D, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro yang
memberikan kemudahan dalam menyelesaikan tesis ini.
5. Dr. Ir. Erni Yudaningtyas, M.T. dan Dr. Ir. Bambang Siswojo., MT. sebagai Tim
Penguji, terimakasih atas saran dan masukan atas tesis ini.
6. Para dosen pengajar dan karyawan Program Magister Teknik Elektro Universitas
Brawijaya.
7. Teman teman dari SKE dan STL angkatan 2013 yang telah banyak membantu.
8. Ibu dan Ayah tercinta, atas doa dan kasih sayangnya yang tulus serta motivasi yang
tiada hentinya sehingga dapat mengantarkan penulis untuk menyelesaikan
perkuliahannya.
9. Ayu Purnama Sari dan Ilham Pakaya., yang selalu memberi semangat dan dukungan
serta doa dalam menyelesaikan tesis ini.
10. Segenap teman-teman dekat penulis yang tidak dapat disebutkan namanya satu
persatu. Terima kasih banyak atas perhatian kalian, karena telah ikut memberikan
semangat serta menemani penulis selama proses pengerjaan tugas akhir ini.
Semoga Allah S.W.T selalu memberikan perlindungan, rahmat dan nikmat-Nya bagi kita semua. Amin.
viii
RINGKASAN
Frediawan Yuniar, Program Magister Sistem Kendali dan Elektronika, Fakultas Teknik,
Universitas Brawijaya, Mei 2017, Desain Maksimum Power Point Tracking Menggunakan
Boost Converter Yang Terhubung ke Grid satu Fasa. Pembimbing 1 : Dr.Rini Nur
Hasanah,S.T.,M.Sc. Pembimbing 2 : Dr-Ing. Onny Setyawati. ST., MT., M.Sc.,
Perkembangan Photovoltaic saat ini sangat pesat dan memiliki tantangan sendiri sebagai
sumber energi baru yang sinkron dengan sumber PLN sehingga dapat menyuplai ke jaringan
listrik atau grid. Secara umum photovoltaic memiliki permasalahan yaitu daya yang
dihasilkan kurang maksimal, untuk itu digunakan teknik Maximum Power Point Tracking
(MPPT) untuk memaksimalkan kerja photovoltaic.
MPPT merupakan teknik pelacak daya maksimal pada photovoltaic. MPPT terbagi dua yaitu
MPPT Mekanik dan MPPT elektrik. Teknik melacak daya menggunakan MPPT mekanik
yaitu dengan cara mengikuti perubahan arah matahari dan pada MPPT elektrik cara melacak
daya maksimum menggunakan konverter daya. Pada penelitian ini dipilih menggunakan
MPPT elektrik dan konverter yang digunakan tipe boost yang dapat diatur ouputnya
menggunakan pulse width modulation (PWM). Tegangan ouput yang dihasilkan MPPT
berupa tegangan DC yang kemudian diubah menjadi AC menggunakan inverter dan
disalurkan ke grid dengan teknik phase locked loop (PLL) untuk penyamaan sudut fasanya.
Pada penelitian ini digunakan perturb and observe (P&O) sebagai pengendali PWM guna
menemukan daya maksimum pada photovoltaic. Secara umum masalah yang sering terjadi
ketika menggunakan pengendali P&O adalah terjadinya osilasi di sekitar titik daya
maksimum, sehingga untuk mengatasi masalah ini dilakukan modifikasi pada pengendalian
tersebut dengan menambahkan pengukuran variabel arus.
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan MPPT mampu memaksimalkan kerja photovoltaic
hingga 98% dan pada saat pengiriman memiliki kehilangan daya rata-rata 2%. Hal ini masih
dapat ditoleransi karena masih berada dititik daya maksimum.
Kata Kunci—Boost Converter, grid, inverter, Perturb and observe, Photovoltaic,
ix
SUMMARY
Frediawan Yuniar, Magister Program of Control System and Electronics, Faculty of
Engineering, Universitas Brawijaya, May 2017, Maximum Design of Power Point Tracking
by Using Boost Converter Connected to One Grid Phase. Supervisor 1 : Dr.Rini Nur
Hasanah,S.T.,M.Sc. Supervisor 2 : Dr-Ing. Onny Setyawati. ST., MT., M.Sc.,
This day, the development of Photovoltaic is facing the challenge as the new
synchronous source that is used by State Electricity Company (PLN) to supply the
electricity or grid. Generally, photovoltaic has a problem of generated power is not maximal.
Thus, MPPT technique is used as an effort to maximize photovoltaic work.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) is maximum power tracker technique of
photovoltaic. MPPT is divided into two types; Mechanic MPPT and Electric MPPT.
Mechanic MPPT tracks the maximum power by following the changeof sun movement while
Electric MPPT tracks the maximum power by power converter. This research was chosen
using an electric MPPT technique and boost converter that can be adjusted by pulse width
modulation (PWM). The ouput voltage generated by MPPT is a DC voltage which is then
converted to AC using an inverter and supplied to the grid by a phase locked loop (PLL) for
the phase angle equation.
This study used Perturb and Observe (P&O) as PWM control to find the maximum
power of photovoltaic. Generally, the frequent problem in using P&O control is the
oscilation in the area of maximum power point. To overcome this problem, Modification to
the control by adding a current variable measurement.
The simulation result shows MPPT is to maximize the performance of photovoltaic
up to 98 % The simulation results that have been done MPPT able to maximize photovoltaic
work up to 98% and at the time of delivery have the average power loss of 2%. This can still
be tolerated because it is still at maximum power point.
Keywords—Boost Converter, grid, inverter, Perturb and Observe, Photovoltaic
xiii
DAFTAR TABEL
No Judul Halaman
Tabel 5. 1 Data perubahan iradiasi pada panel photovoltaic. ......................................... 48
Tabel 5. 2 Data perubahan beban pada panel photovoltaic dengan iradiasi 1000 W/m2 dan
temperatur 25oC. ............................................................................................................. 49
Tabel 5. 3 Hasil rata-rata Perbandingan pengukuran P&O konvensional dan P&O
modifikasi ....................................................................................................................... 54
Tabel 5. 4 Nilai maksimum perbandingan pengukuran P&O konvensional dan P&O
modifikasi pada boost converter. .................................................................................... 55
Tabel 5. 5 Perbandingan daya MPPT terhubung ke grid ............................................... 59
Tabel 5. 6 Daya yang dihasilkan terhadap perubahan iradiasi ....................................... 61
xiv
DAFTAR GAMBAR
No Judul Halaman
Gambar 2. 1 Grafik I-V Curve ........................................................................................... 11
Gambar 2. 2 Rangkaian Ekivalen photovoltaic ............................................................... 12
Gambar 2. 3 Grafik titik mpp .......................................................................................... 14
Gambar 2. 4 Redraw Perturb and observe Algorithm flowchart ..................................... 15
Gambar 2. 5 Rangkaian Boost converter ........................................................................ 17
Gambar 2. 6 Prinsip kerja boost converter ...................................................................... 17
Gambar 2. 7 Arus dan tegangan induktor continuous conduction mode ........................ 18
Gambar 2. 8 Perinsip dasar Inverter ................................................................................ 18
Gambar 2. 9 SPWM pada aplikasi inverter satu fasa ..................................................... 20
Gambar 2. 10 Vout inverter menggunakan Teknik SPWM ........................................... 21
Gambar 2. 11 The Basic PLL .......................................................................................... 21
Gambar 2. 12 Rangkaian dasar PLL ............................................................................... 22
Gambar 2. 13 Diagram blok sistem kontrol sederhana ................................................... 23
Gambar 2. 14 Diagram Kontroler Proportional .............................................................. 24
Gambar 2. 15 Proportional band dari kontroler proporsional ......................................... 25
Gambar 2. 16 Kurva sinyal e(t) terhadap t dan kurva u(t) terhadap t ............................ 26
Gambar 2. 17 Diagram kontroler PI ................................................................................ 26
Gambar 3. 1 Blok kerangka konsep simulasi sistem yang akan dibuat. ......................... 28
Gambar 3. 2 Tracking daya Pv dengan Perturb and Observe ......................................... 29
Gambar 4. 1 Blok diagram sistem MPPT dan terhubung ke Grid .................................. 31
Gambar 4. 2 Rangkaian Ekivalen photovoltaic ............................................................... 32
Gambar 4. 3 Model simulasi Photovoltaic tipe 1soltech 1STH-250-WH ....................... 32
Gambar 4. 4 Photovoltaic Tipe 1soltech 1STH-250-WH (Hasil simulasi single module)
Arus (atas) Tegangan (bawah) ........................................................................................ 33
Gambar 4. 5 Rangkaian Boost converter ........................................................................ 33
Gambar 4. 6 Prinsip kerja Boost converter ..................................................................... 34
Gambar 4. 7 Flowchart Program alghoritma Perturb and Observe modified ................. 36
Gambar 4. 8 Teknik MPPT P&O .................................................................................... 37
Gambar 4. 9 P&O konvensional analisis ........................................................................ 38
Gambar 4. 10 Perturb and Observe modifikasi ............................................................... 39
xv
Gambar 4. 11 Model inverter 1 fasa ............................................................................... 40
Gambar 4. 12 Model SPWM .......................................................................................... 40
Gambar 4. 13 Model Phase locked loop ......................................................................... 41
Gambar 4. 14 Model sumber AC.................................................................................... 42
Gambar 4. 15 Sistem photovoltaic terhubung ke grid .................................................... 42
Gambar 4. 16 (a)Voltage control (b) Current control ..................................................... 43
Gambar 4. 17 Inverter Terhubung Jaringan.................................................................... 43
Gambar 4. 18 Gelombang daya aktif dengan beban impedansi ..................................... 45
Gambar 5. 1 Photovoltaic Tipe 1soltech 1STH-250-WH, simulasi 8 series module untuk
Arus (atas) dan Daya (bawah) ......................................................................................... 47
Gambar 5. 2 Pengujian photovoltaic (8 series module) dengan perbedaan iradiasi, Arus
(atas) dan Tegangan (bawah) ........................................................................................... 48
Gambar 5. 3 Set-up pengujian photovoltaic tanpa MPPT ............................................... 49
Gambar 5. 4 Pengujian photovoltaic terhubung MPPT (P&O Konvensional)................ 50
Gambar 5. 5 photovoltaic menggunakan MPPT (P&O konvensional) ........................... 50
Gambar 5. 6 Tegangan (atas) dan arus (bawah) photovoltaic menggunakan MPPT (P&O
konvensional) .................................................................................................................. 51
Gambar 5. 7 Daya (atas), Tegangan (tengah) dan Arus (bawah) keluaran boost converter
(P&O konvensional) ........................................................................................................ 52
Gambar 5. 8 Set-up MPPT dengan kontroler P&O modifikasi ....................................... 52
Gambar 5. 9 Daya maksimum photovoltaic menggunakan MPPT (P&O modifikasi) ... 53
Gambar 5. 10 Tegangan (atas) dan arus (bawah) photovoltaic menggunakan MPPT (P&O
Modifikasi) ...................................................................................................................... 53
Gambar 5. 11 Daya keluaran boost converter (P&O modifikasi) Daya (atas), Arus (tengah)
danTegangan (bawah)...................................................................................................... 54
Gambar 5. 12 Desain Beban ............................................................................................ 55
Gambar 5. 13 Pengujian tanpa MPPT (atas) dan menggunakan MPPT (bawah) terhadap
perubahan beban .............................................................................................................. 56
Gambar 5. 14 Perubahan daya saat terjadinya perubahan iradiasi, (A) P&O konvensional
dan (B) P&O modifikasi ................................................................................................. 57
Gambar 5. 15 Hasil perbandingan dua kontroler terhadap titik daya maksimum (A) dan
perubahan iradiasi (B) ..................................................................................................... 57
Gambar 5. 16 Perbandingan hasil daya MPPT P&O konvensional dan P&O modifikasi .. 58
xvi
Gambar 5. 17 Daya output sistem photovoltaic terhubung ke MPPT dan grid ................ 59
Gambar 5. 18 MPPT grid terhadap perubahan iradiasi ....................................................... 60
Gambar 5. 19 Tegangan inverter dan grid ........................................................................... 60
Gambar 5. 20 Arus inverter ................................................................................................. 61
xi
DAFTAR ISI PENGANTAR ........................................................................................................................ i
DAFTAR ISI ......................................................................................................................... ii
DAFTAR TABEL ................................................................................................................ iv
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................. v
RINGKASAN ...................................................................................................................... vii
SUMMARY ....................................................................................................................... viii
BAB I ..................................................................................................................................... 1
PENDAHULUAN ................................................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang Masalah ......................................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah ................................................................................................... 4
1.3 Batasan masalah ...................................................................................................... 5
1.4 Tujuan Penelitian .................................................................................................... 5
1.5 Manfaat Penelitian .................................................................................................. 5
BAB II ................................................................................................................................... 7
TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................................ 7
2.1 Hasil Penelitian Yang Relevan ............................................................................... 7
2.2 Sistem photovoltaic ................................................................................................. 9
2.2.1 Komponen Dalam Sistem Photovoltaic ......................................................... 10
2.2.2 Energi yang dihasilkan sistem photovoltaic .................................................. 11
2.2.3 Model sistem photovoltaic............................................................................. 12
2.2.4 Daya dan Efisiensi sistem photovoltaic ......................................................... 12
2.3 Maximum Power Point Tracking (MPPT) ............................................................ 13
2.3.1 Perturb And Observe Method ........................................................................ 15
2.3.2 DC-DC Converter .......................................................................................... 16
2.3.2.1 Boost converter ...................................................................................... 16
2.3.3 Inverter........................................................................................................... 18
2.3.3.1 Full-Bridge Converter Theory ................................................................ 19
2.3.3.2 Jenis inverter berdasarkan gelombang yang dihasilkan ......................... 19
2.3.3.3 Sinusoidal pulse width modulation (SPWM) ......................................... 20
2.4 Phase Locked Loop (PLL) .................................................................................... 21
2.5 Kontroler Proportional, Integral ........................................................................... 22
xii
BAB III. KERANGKA KONSEP PENELITIAN .............................................................. 27
3.1 Deskripsi Masalah ................................................................................................ 27
3.2 Hipotesis ............................................................................................................... 29
BAB IV ............................................................................................................................... 31
METODE PENELITIAN .................................................................................................... 31
4.1 Jenis dan cara memperoleh data ........................................................................... 31
4.2 Model sistem photovoltaic .................................................................................... 32
4.3 Pemodelan Boost converter .................................................................................. 33
4.3.1 Spesifikasi model Boost converter ................................................................ 34
4.4 Perturb and Observe ............................................................................................. 35
4.5 Inverter dan SPWM .............................................................................................. 39
4.6 Phase Locked Loop .............................................................................................. 41
4.7 Grid ....................................................................................................................... 41
4.8 Photovoltaic Terhubung ke Grid .......................................................................... 42
BAB V ................................................................................................................................. 47
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................................... 47
5.1 Hasil Photovoltaic................................................................................................. 47
5.2 Pengujian Photovoltaic tanpa MPPT .................................................................... 49
5.3 Pengujian photovoltaic menggunakan MPPT (P&O konvensional) .................... 50
5.4 Pengujian photovoltaic menggunakan MPPT (P&O Modifikasi) ........................ 52
5.5 Pengujian photovoltaic terhadap perubahan beban menggunakan MPPT dan tanpa MPPT 55
5.6 Pengujian sistem MPPT Terhadap perubahan iradiasi ......................................... 56
5.7 Pengujian sistem MPPT terhubung ke grid .......................................................... 58
5.7.1 Pengujian sistem MPPT terhubung ke grid dengan perubahan iradiasi ........ 59
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 63
6.1 Kesimpulan ........................................................................................................... 63
6.2 Saran ..................................................................................................................... 63
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................... 65
LAMPIRAN 1 ..................................................................................................................... 67
LAMPIRAN 2 ..................................................................................................................... 85
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Sistem photovoltaic adalah sumber energi listrik yang berasal dari cahaya matahari
dan dapat langsung digunakan oleh peralatan listrik, bahkan dapat disambungkan ke dalam
jaringan listrik publik. Umumnya pembangkit listrik photovoltaic masih tergolong mahal,
namun dalam penggunaannya sistem photovoltaic adalah solusi yang paling ekonomis untuk
menyediakan layanan daya yang diperlukan. Berkembangnya teknologi photovoltaic saat
ini mempengaruhi ilmuan untuk melakukan penerapan photovoltaic pada sistem grid-
connected dan pembangkit listrik photovoltaic merupakan penghasil energi listrik yang
ramah lingkungan (Libo dkk, 2005).
Permasalahan utama penyediaan sumber energi listrik lain, selain jaringan pelayanan
listrik, yang dapat memberikan sistem suplai daya yang sama handalnya menjadi tantangan
tersendiri bagi perkembangan sumber energi terbarukan, khususnya photovoltaic.
Pembangkit Photovoltaic dituntut untuk dapat menjadi sumber energi alternatif yang dapat
memberikan suplai daya yang lebih murah, sederhana (plug and play) dan handal, terutama
pada perumahan. Pada perumahan biasanya digunakan sistem satu fasa dan sumber yang
digunakan langsung dari PLN. Permasalahan inilah yang menjadi dasar bagi munculnya
ide untuk mendesain sumber energi lain, yaitu photovoltaic yang dapat melakukan suplai
daya yang sinkron dengan suplai daya jaringan listrik atau grid.
Perlu diketahui bahwa negara Indonesia sebagai negara tropis yang berada di
sepanjang khatulistiwa dikaruniai sumber daya energi matahari yang besar sepanjang tahun.
Berdasarkan data yang dihimpun oleh BPPT dan BMG diketahui bahwa intensitas radiasi
matahari di Indonesia berkisar antara 2,5 hingga 5,7 kWh/m2. Beberapa wilayah Indonesia,
seperti: Lampung, Jawa Tengah, Sulawesi Tengah, Papua, Bali, NTB, dan NTT mempunyai
intensitas radiasi diatas 5 kWh/m2. Daerah Jawa Barat, khusunya di Bogor dan Bandung
mempunyai intensitas radiasi sekitar 2 kWh/m2 dan untuk wilayah Indonesia lainnya
besarnya rata-rata intensitas radiasi adalah sekitar 4 kWh/m2 (Nurrohim, 2012) sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi matahari yang berlimpah.
2
Energi matahari dikonversi menjadi energi listrik dengan efisiensi hanya sebesar
18%. Angka tersebut semakin berkurang pada saat energi tersebut digunakan ke peralatan
listrik, karena pengaruh efisiensi pengatur tegangan, baterai, kabel dan inverter menjadi
sekitar 10 -15% (Enslin, 1990).
Untuk dapat melakukan suplai daya terhadap perumahan satu fasa maka perlu
terlebih dahulu dilakukan optimalisasi energi surya dari photovoltaic yang ditransfer
kedalam jaringan (grid). Setelah dilakukan optimalisasi, barulah dibentuk metode operasi
grid-connected, agar suplai daya tidak hanya diperoleh dari sumber tunggal jaringan listrik
namun juga dapat menggunakan energi dari photovoltaic.
Penggunaan boost converter pada sistem Maximum power point tracking (MPPT),
merupakan komponen penting dalam elektronika daya yang berfungsi untuk
mengkonversikan daya listrik. Converter ini memiliki keunggulan antara lain polaritas
masukan-keluaran yang sama, riak tegangan keluaran yang sangat rendah, regulasi yang baik
dan respon yang cepat.
Selama ini telah banyak metode-metode grid-connected yang telah dibahas dalam
berbagai karya tulis ilmiah dan jurnal-jurnal dalam sekala nasional maupun internasional.
Beberapa diantaranya menggunakan berbagai cara pendekatan dalam metode grid
connected, antara lain dari single stage grid-connected inverter (Libo dkk, 2005) grid-
connected untuk tiga fasa (Wu & Tao, 2009), dan photovoltaic grid-connected yang
terhubung terlebih dahulu dengan baterai (Hossain dkk, 2011).
Untuk memaksimalkan kerja pada photovoltaic dapat diperoleh dengan metode
dinamis atau statis. Pada metode dinamis maximum power point (MPP) dapat dicapai
dengan cara mengikuti perpindahan arah matahari, tetapi dengan pendekatan seperti ini
mungkin tidak sesuai untuk konversi energi pada sekala kecil hingga menengah, karena
biaya dan energi yang dikonsumsi terbilang cukup tinggi. Untuk menyelesaikan masalah
tersebut pada energi skala kecil dapat digunakan metode statis. Metode ini tidak mengikuti
perubahan arah matahari tetapi dengan cara melacak daya maximum menggunakan
converter daya dan frekuensi tinggi secara kontinu, sehingga ditemukan titik operasi
maximum power point (MPP)(Afghoul dkk, 2013).
Maximum power point tracking (MPPT) adalah suatu metode untuk mencari point
(titik) maximum dari kurva karakteristik daya dan tegangan input (P-V) pada photovoltaic.
Sistem MPPT dengan bantuan converter DC-DC digunakan untuk mengatur besarnya
tegangan keluaran pada photovoltaic, agar dapat memaksa photovoltaic memperoleh daya
maksimum pada berbagai tingkat intensitas cahaya. Persyaratan umum MPPT adalah
3
sederhana, biaya rendah, pelacakan cepat ketika perubahan kondisi dan daya output fluktasi
kecil(Lin dkk, 2011).
Pada sistem photovoltaic rata-rata peningkatan daya yang dihantarkan MPPT adalah
sebesar 16-43% dibanding tidak menggunakan MPPT, dan peningkatan daya terbesar terjadi
pada saat kondisi lingkungan berubah secara cepat (Enslin, 1990). Hal ini dikarenakan titik
kerja optimum photovoltaic berubah seiring perubahan kondisi lingkungan.
Beberapa penelitian juga telah membahas tentang penggunaan sistem MPPT untuk
meningkatkan kualitas photovoltaic yang diuraikan pada paragraf ini. Study pendekatan
MPPT pada photovoltaic sistem berdasarkan fuzzy control sebagai pelacak daya maximum
photovoltaic, memiliki kemampuan pelacakan daya yang baik terhadap kondisi luar yang
berubah-ubah (Sun dkk, 2013). Sistem MPPT juga yang menggunakan fuzzy-PI control
menunjukkan bahwa metode MPPT yang menggunakan fuzzy-PI lebih baik dalam hal
kecepatan pelacakan MPP dan error steady state (Lee dkk, 2013). Penggunaan boost
converter pada sistem MPPT menggunakan fuzzy control yang di tuning oleh jaringan saraf
tiruan, kemudian dibandingkan dengan fuzzy control biasa, hasil menunjukan fuzzy control
yang di tuning mampu mencapai titik maximum serta merespon dengan cepat terhadap
perubahan kondisi lingkungan (Huang & Li, 2011).
Banyak algoritma yang diterapkan pada MPPT seperti fuzzylogic, PI (Propotional
integral), Neural Network dan lain-lain. Untuk penggunaan kontrol fuzzylogic pada sistem
MPPT memiliki kemampuan yang baik karena dapat menangani sistem nonlinear, tetapi
memiliki kelemahan yang dihasilkan kumulatif karena kesalahan kalkulus integral yang
secara terus menerus. Pada kontrol PI (propotional integral) yang diterapkan memiliki
hubungan kontrol dan respon yang sangat jelas, tetapi memiliki kelemahan jika kondisi
operasi mengalami perubahan (Lee dkk, 2013).
Perturb and observe adalah metode kontrol classic yang sejauh ini diaplikasikan
pada sistem MPPT, dengan cara mengukur tegangan dan arus keluaran photovoltaic.
Perubahan tegangan digunakan untuk melakukan pengukuran sehingga akan selalu
menghitung jika terjadi perubahan daya yang diukur. Kelebihan metode perturb and observe
mampu melacak daya maximum power point (MPP) dengan cepat karena selalu menghitung
jika terjadi perubahan daya. Tetapi kekurangan metode perturb and observe ketika kondisi
maximum power point (MPP) tercapai teknik perturb and observe akan mengalami osilasi
di sekitar titik daya maximum power point (MPP) (Raedani & Hanif, 2014).
Dari permasalahan yang didapat pada beberapa kontroler sistem photovoltaic yang
menggunakan MPPT, maka dipilihlah metode pengontrolan dengan menggunakan control
4
Perturb and Observe (P&O), karena mampu melacak daya maximum dengan cepat setiap
perubahan kondisi lingkungan. P&O juga sebagai control cerdas pengendali Pulse width
Modulation (PWM) pada boost converter. Untuk mengurangi osilasi di sekitar titik daya
maksimum dilakukan modifikasi control Perturb and Observe. Dalam hal ini control
Perturb and Observe akan mencari titik daya maksimum dengan keadaan input yang selalu
mengalami perubahan.
Perturb and Observe juga dipilih karena memiliki komputasi yang mudah dan cepat.
Input tegangan dan arus Photovoltaic digunakan sebagia acuan untuk melakukan tracking
daya maksimum. Adanya berbagai metode grid-connected yang telah berkembang, maka
pada penelitian ini penulis melakukan model dan analisis dari sistem satu fasa. Grid-
connected inverter adalah teknik yang digunakan untuk memberikan suplai daya yang
sinkron dengan suplai daya jaringan listrik, tanpa terlebih dahulu terhubung dengan baterai.
Agar dapat sinkron dengan jaringan listrik grid, maka terlebih dahulu melakukan
penyamaan sudut fasa antara grid dan inverter dengan menggunakan teknik phase locked
loop (PLL). Kemudian dibutuhkan pengontrolan tegangan arus yang masuk ke inverter
dengan menggunakan teknik kontrol Propotional Integral (PI).
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang dalam penelitian ini dapat dirumuskan suatu
permasalahan sebagai berikut:
Permasalahan yang timbul dari sistem grid-connected ialah diperlukannya algoritma
untuk dapat menentukan kondisi optimal photovoltaic sehingga dapat memberikan suplai
daya yang maksimal, juga diperlukan algoritma sinkronisasi antara jaringan listrik dengan
suplai daya yang diperoleh dari photovoltaic.
Dalam rangka mewujudkan suatu model grid-connected sistem MPPT yang
terhubung ke grid satu fase digunakannya algoritma P&O. Algoritma ini juga memiliki
kekurangan yaitu terjadinya osilasi dititik maximum power point (MPP). Untuk mengatasi
masalah tersebut dilakukan modifikasi terhadap controler P&O yang diharapkan dapat
mengurangi osilasi pada titik daya maksimum. Untuk itu selanjutnya dilakukan sinkronisasi
menggunakan phase locked loop (PLL) dan metode sinusoidal pulse width modulation
(SPWM) agar dapat terhubung dengan grid yang sebelumnya tegangan dan arus dikontrol
menggunakan proportional integral (PI).
5
1.3 Batasan masalah
Agar sesuai dengan tujuan penelitian maka pembahasan penelitian dibatasi sebagai
berikut:
1. Desain simulasi sistem Maksimum Power Point Tracking (MPPT) terhubung ke grid satu
fasa.
2. Model Panel surya yang digunakan tipe 1soltech 1STH-250-WH dengan besaran daya
2000 watt
3. Converter DC-DC yang digunakan adalah tipe boost converter.
4. Algoritma yang digunakan sebagai controler adalah Perturb and Observe (P&O).
5. Agar sumber DC terhubung ke grid digunakan Inverter 1 fasa.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah melakukan perancangan desain simulasi MPPT yang
terhubung ke grid satu fasa dengan menggunakan metode Perturb and Observe. Dilakukan
analisis hasil tracking daya photovoltaic yang meliputi tegangan dan arus keluaran dari
sistem MPPT dan melakukan perbandingan parameter-parameter yang didapatkan dari
mengunakan sistem MPPT dan tidak menggunakan sistem MPPT.
1.5 Manfaat Penelitian
Dengan penelitian ini akan diperoleh suatu metode untuk mendapatkan nilai daya
output yang maksimum pada Photovoltaic terhadap perubahan tegangan dan arus sehingga
dapat meningkatkan efesiensi Photovoltaic. Dengan efesiensi yang lebih tinggi, penggunaan
Photovoltaic dimasa akan datang akan menjadi lebih efektif.
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Materi tentang Pembangkit listrik tenaga surya sudah banyak diangkat sebagai
judul untuk menyelesaikan studi dijurusan Teknik elektro. Pada bab ini berisi tentang
beberapa penelitian sebelumnya yang relevan yang diambil dari jurnal-jurnal ilmiah.
kemudian diikuti pembahasan tentang dasar-dasar teori yang mendukung penelitian antara
lain mengenai sistem Photovoltaic, Maximum power point tracking (MPPT), Boost
converter, Inverter, grid connected dan metode Perturb and Observe (P&O).
2.1 Hasil Penelitian Yang Relevan
Beberapa penelitian yang relevan terkait dengan penggunaan sistem MPPT pada
photovoltaic diantaranya:
Penelitian tentang penggunaan metode (MPPT) antara lain dilakukan oleh Lixia sun dan
Fengling Han, pada tahun 2013. Tujuan penelitian tersebut adalah memanfaatkan energi
surya secara efektif karena efisensi yang rendah terhadap kondisi perubahan lingkungan.
Teknik MPPT dari penelitian tersebut menyebutkan bahwa DC-DC converter tipe boost
menggunakan kontrol logika fuzzy dapat melacak maximum power point dengan waktu
0,18 detik sedangkan tanpa kontrol fuzzy memerlukan waktu 0,55 detik, sebagai pelacak
daya maksimum photovoltaic dan memiliki kemampuan pelacakan yang baik terhadap
kondisi luar yang berubah-ubah dibandingkan dengan kontroler PI yang memiliki nilai
osilasi pada titik maximum power point (Mpp). Hasil menunjukan bahwa kontroler yang
didesain mempunyai kinerja yang lebih baik dalam hal kecepatan dan stabilitas (Sun dkk,
2013).
Sistem kontrol fuzzy dan jaringan saraf tiruan pada aplikasi MPPT diteliti oleh
Keya huang, dkk pada tahun 2011. Penggunaan kontrol fuzzy dan jaringan saraf tiruan
untuk meningkatkan penentuan titik daya maksimum dibahas dalam penelitian tersebut.
Disimpulkan bahwa prinsip maximum Power point Tracking (MPPT) untuk sistem
pembangkit listrik photovoltaic mengunakan rangkaian boost converter dan metode
kontrol logika fuzzy, yang diadopsi mengunakan jaringan syaraf tiruan kemudian
dibandingkan dengan fuzzy
8
konvensional. Hasil menunjukkan hanya kurang dari 2% dari kesalahan signal keluaran, dan
menunjukan bahwa sistem mampu mencapai MPPT karena metode yang dimodifikasi
mengunakan jaringan syaraf tiruan. Sistem juga merespon dengan cepat terhadap perubahan
variabel lingkungan baik kinerja dinamis maupun kinerja steady State (Huang & Li, 2011).
Chang-Uk lee, dkk pada tahun 2013 juga melakukan penelitian tentang MPPT yang
menggunakan Fuzzy-PI control. Tujuan dari penelitian ini yaitu menggabungkan dua
kontroler Fuzzy dan PI untuk diterapkan pada teknik MPPT. Kesalahan kumulatif integral
kalkulus pada kontrol fuzzy dan masalah pada kontrol PI juga terjadi karena perubahan
kondisi operasi. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini bahwa kinerja kontroler Fuzzy-PI
memiliki hasil yang lebih baik dalam hal kecepatan pelacakan dibandingkan dengan metode
konvensional seperti P&O dan IC (Incremental conductance) (Lee dkk, 2013).
Penelitian lainya yang membahas tentang analisis MPPT dari photovoltaic yang
dilakukan oleh Tarek Selmi, Mohamed Abdul-Nigby, dan Laura Davis pada tahun 2014
tentang photovoltaic yang menggunakan satu dioda dan dua dioda. Penelitian tersebut
bertujuan pada efek berbagai nilai-nilai iradiasi photovoltaic terhadap control perturb and
observe. Hasil penelitian menunjukan bahwa MPP dapat dilacak dan hampir bisa
dipertahankan. Dengan menggunakan metode ini, output daya dapat dimaksimalkan dan
implementasi mikrokontroler murah tampaknya dibenarkan (Selmi dkk, 2014).
Dari semua penelitian tersebut, diperoleh kesimpulan bahwa penggunaan teknik
MPPT pada photovoltaic sangat berpengaruh terhadap kinerja dari photovoltaic tersebut.
Metode kontroler yang digunakan juga sangat berpengaruh terhadap kecepatan dan
pengoptimalan daya maximum pada photovoltaic. Penelitian-penelitian tersebut
mempunyai kelebihan yaitu desain kontroler dan parameter yang diujikan ditulis secara
lengkap dan memiliki hasil yang baik. Untuk kelemahan dari beberapa penelitian tersebut
adalah tidak ada analisis distribusi arus dan tegangan terhadap beban maupun jaringan PLN
atau Grid. Oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan suatu metode sinkronisasi agar
sistem MPPT dapat terhubung dengan jaringan PLN atau grid.
Penelitian yang relevan terkait sistem MPPT yang terhubung dengan jaringan PLN
atau Grid adalah sebagai berikut:
Libo dkk pada tahun 2005 meneliti tentang sistem MPPT yang terhubung ke grid
menggunakan topologi single-stage grid-connected, parameter yang diteliti meliputi panel
photovoltaic,inverter,filter dan controller. Parameter tersebut kemudian diuji dalam proses
control sistem MPPT. Hasil penelitian menunjukan bahwa sistem MPPT yang diterapkan
sangat bisa meningkatkan stabilitas sistem pada proses intensitas cahaya yang berubah
9
dengan cepat. Sistem ini memiliki kekurangan pada daya output tetapi juga sistem ini dapat
meningkatkan akurasi steady state (Libo dkk, 2005).
Hongbin Wu dan Xiaofeng Tao pada tahun 2009 melakukan penelitian tentang
photovoltaic yang terhubung ke grid tiga fasa dengan menggunakan fungsi MPPT dan
Voltage control. Berdasarkan karateristik kurva V-I dilakukan perhitungan MPPT untuk
photovoltaic yang terhubung ke sistem grid menggunakan metode Newton. Tegangan DC
refrensi pada MPPT digunakan untuk mengatur arus aktif. Kontrol tegangan AC dari
tegangan sistem digunakan untuk mengendalikan arus aktif yang kemudian di injeksikan ke
sistem distribusi (Wu & Tao. 2009). Hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut:
1. Dengan kontrol MPPT, sistem photovoltaic dapat dioperasikan di titik optimal dan
memberikan daya maksimum sesuai dengan kondisi cuaca pada saat itu.
2. Faktor daya konvensional dapat di implementasikan pada sistem grid-connected
photovoltaic tiga fasa, tetapi sistem kontrol tidak dapat menjaga tegangan yang di
injeksikan karena perubahan beban.
Dalam penelitian yang lainnya pada tahun 2011, Ismail Hossain, Shakil Ahamed,
Shafiullah dan Jakir Hossain juga melakukan penelitian tentang photovoltaic yang terhubung
ke grid, dengan Fuzzy logic control untuk sistem MPPT dan menggunakan battery sebelum
terhubung ke grid. Tujuan dari penelitian tersebut adalah membuat sistem MPPT yang
mampu melacak dengan cepat titik optimal pada photovoltaic dan mampu memaksimalkan
output photovoltaic, serta mampu menghantar daya ke beban, yang kemudian tegangan
keluaran di sinkronisasi dengan tegangan grid menggunakan Phase-Locked Loop (PLL).
Hasil dari penelitian tersebut adalah penggunaan fuzzy logic control pada MPPT yang
terhubung ke grid kontroler mampu dengan cepat mengunci pada titik MPP dan memiliki
frekuensi yang stabil pada inverter (Hossain dkk, 2011).
Dari penelitian tentang MPPT yang terhubung ke grid dapat disimpulkan bahwa
sistem MPPT dapat langsung dihubungkan ke grid tanpa harus terlebih dahulu dihubungkan
ke battery. Kelebihan dari penelitian-penelitian tersebut bahwa photovoltaic mampu
menghasilkan daya maksimal yang kemudian mampu disalurkan ke jaringan listrik satu fasa
maupun tiga fasa.
2.2 Sistem photovoltaic
Dalam pemasangannya, photovoltaic dapat dibedakan menjadi :
a. Tipe stand-alone
Stand Alone PV system atau Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Terpusat (sistem PLTS Terpusat) merupakan sistem pembangkit listrik alternatif
10
untuk daerah-daerah terpencil/pedesaan yang tidak terjangkau oleh jaringan PLN.
Sistem PLTS terpusat disebut juga Stand-Alone PV system, yaitu sistem PLTS yang
hanya mengandalkan energi matahari sebagai satu-satunya sumber energi utama
dengan menggunakan rangkaian photovoltaic module untuk menghasilkan energi
listrik sesuai dengan kebutuhan.
b. Tipe grid connected photovoltaic system
Sistem PLTS ini akan tetap berhubungan dengan jaringan PLN dengan
mengoptimalkan pemanfaatan Energi PV untuk menghasilkan energi listrik
semaksimal mungkin. Pada siang hari modul Surya yang terpasang pada atap akan
mengkonversi sinar matahari menjadi Energi listrik arus searah (DC). Selanjutnya
sebuah komponen yang disebut Grid-inverter merubah listrik arus searah (DC) dari
PV menjadi listrik arus bolak-balik (AC) yang kemudian dapat digunakan untuk
mensuplai berbagai peralatan rumah tangga seperti Lampu, TV, Kulkas, Mesin Cuci,
dll. Jadi pada siang hari, kebutuhan energi listrik berbagai peralatan disuplai
langsung oleh Modul Surya.
c. Tipe Hybrid photovoltaic power system (Rakhman, 2015)
Sistem PLTS hybrid pada dasarnya adalah berusaha menggabungkan dua
atau lebih sumber energi (sistem pembangkit) sehingga dapat saling menutupi
kelemahan masing-masing. System Hybrid dapat melibatkan 2 atau lebih system
pembangkit listrik, umumnya system pembangkit yang banyak digunakan untuk
hybrid adalah genset, PLTS, mikrohydro, dan tenaga angin. Sehingga system hybrid
bisa berarti PLTS-Genset, PLTS-Mikrohydro, PLTS-Tenaga Angin dst. Di Indonesia
system hybrid telah banyak digunakan, baik PLTS-Genset, PLTS-Mikrohydro,
maupun PLTS-Tenaga Angin-Mikro Hydro.
2.2.1 Komponen Dalam Sistem Photovoltaic
Komponen yang diperlukan dalam sistem kelistrikan photovoltaic adalah komponen
elektronika daya yang terdiri dari DC-DC Converter dan Inverter DC-AC.
a. DC-DC Converter: Fungsi converter ini sebagai implementasi dari pelacakan titik
daya maksimum pada modul photovoltaic. Pelacak titik daya maksimum ini adalah
sebuah Charge controller berupa devais elektronik yang mengatur agar output daya
photovoltaic maksimum. Langkah pertama yang harus dilakukan adalah menentukan
tegangan photovoltaic yang menghasilkan daya maksimum. Lalu memilih sebuah
11
DC-DC converter untuk mengatur tegangan modul photovoltaic tetap pada tegangan
maksimum tersebut.
d. Inverter DC-AC: Berdasarkan bentuk tegangan outputnya inverter dapat dibedakan
menjadi tipe Squarewave inverter (output sinyal kotak) dan sinewave inverter (output
sinyal sinus). Karena jaringan listrik beroperasi menggunakan signal sinusoidal
maka pada umumnya inverter yang digunakan adalah single phase full bridge
inverter.
e. Baterai pada sistem photovoltaic: Baterai berfungsi untuk menyimpan energi
matahari yang dihasilkan di siang hari sehingga energinya bisa dipakai baik siang
maupun malam hari. Jenis baterai yang banyak digunakan untuk aplikasi PLTS
umunya berupa lead-acid baik OPzS (aki basah) ataupun OPzV (aki kering). Baterai
yang digunakan pada sistem PLTS merupakan tipe deep cycle yang artinya baterai
bisa di discharge hingga kapasitas 80%.
2.2.2 Energi yang dihasilkan sistem photovoltaic
Photovoltaic dalam menghasilkan listrik tidak tergantung pada besaran luas bidang
silicon, dan secara konstan menghasilkan energi berkisar ± 0,5 Volt maksimum 600 mV
pada 2 Amp. Kekuatan radiasi mataharai 1000 W/m2 akan menghasilkan arus listrik (I)
sekitar 30 mA/cm2 persel surya. Grafik I – V curve (Gambar 2.1) menggambarkan keadaan
sebuah photovoltaic yang beroprasi secara normal. Photovoltaic menghasilkan energi
maksimum jika nilai Vm dan Im juga maksimum. Isc adalah arus listrik maksimum pada
saat nilai tegangan (Volt) = nol. Isc berbanding langsung dengan ketersediaan sinar
matahari. Voc adalah nilai tegangan maksimum pada nilai arus nol. Voc naik secara cepat
dengan peningkatan sinar matahari, karakter inilah yang memungkinkan photovoltaic untuk
mengisi accu.
Isc = short circuit current
Voc = open-circuit voltage
Vmp = voltage maximum power
Imp = current maximum power
Pm = Power maximum output photovoltaic
S = output power Pv
Gambar 2. 1 Grafik I-V Curve Sumber: Wu, 2008
12
2.2.3 Model sistem photovoltaic
Dalam pemodelan photovoltaic digunakan parameter-parameter yang mempengaruhi
operasi/kerja photovoltaic. Photovoltaic dapat dimodelkan secara matematis dengan melihat
rangkaian pengganti seperti pada gambar 2.2.
Gambar 2. 2 Rangkaian Ekivalen photovoltaic (Tsai, 2012)
Model matematika dari photovoltaic mencakup adanya arus short circuit (Isc)
photovoltaic yang dipengaruhi oleh fungsi iluminasi matahari (S) dan tegangan open circuit
(Voc) dengan persamaan dibawah ini.
−
− 1 .................... (2.1)
Dimana Io merupakan arus keluaran photovoltaic; np banyaknya cell yang terhubung
parallel; ns banyaknya cell yang terhubung seri; k konstanta Boltzman; q kecepatan
perpindahan electron; T suhu permukaan panel; dan A konstanta deviasi karateristik cell p-
n junction. Irs merupakan arus balik saturasi pada cell yang berubah mengikuti temperatur.
2.2.4 Daya dan Efisiensi sistem photovoltaic
Sebelum mengetahui daya sesaat yang dihasilkan kita harus mengetahui energi yang
diterima, yang merupakan perkalian intensitas radiasi yang diterima oleh luasan permukaan
dengan persamaan:
E = Ir × A ......................................................... (2.2)
Dimana:
Ir = Intensitas radiasi matahari (W/m2)
A = Luas permukaan (m2)
Besarnya daya sesaat yaitu perkalian tegangan dan arus yang dihasilkan oleh
photovoltaic yang dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
P = V×I .......................................................... (2.3)
13
Dimana :
P = Daya (watt)
V = Beda potensial (Volt)
I = Arus (ampere)
Efisiensi sistem photovoltaic merupakan perbandingan daya yang dapat
dibangkitkan oleh photovoltaic dengan energi input yang diperoleh dari sinar matahari.
Efisiensi yang digunakan adalah efisiensi sesaat pada saat pengambilan data.
=
×100% .......................................................... (2.4)
Apabila pengguna menginginkan tegangan maupun arus yang lebih besar, maka
photovoltaic dapat dirangkai secara seri atau paralel maupun kombinasi keduanya. Bila
photovoltaic dirangkai secara seri maka tegangan yang bertambah besar tetapi bila dirangkai
secara paralel maka arus yang bertamabah besar.
Output dari photovoltaic yang berupa arus listrik dapat langsung digunakan untuk
mencatu beban. Arus listrik tersebut juga dapat digunakan untuk pengisian baterai agar
dapat dipergunakan pada saat yang diperlukan, khususnya pada malam hari karena tidak
adanya sinar matahari.
Apabila photovoltaic tersebut digunakan untuk penyimpanan ke baterai,
maka besarnya tegangan yang dihasilkan harus diatas spesifikasi baterai tersebut. Misalnya
baterai yang digunakan adalah 12 Volt, maka tegangan yang dihasilkan photovoltaic harus
diatas 12 Volt untuk dapat melakukan pengisian.
Sebelum melakukan pengisian, sebaiknya baterai dalam keadaan kosong karena arus
yang masuk akan dapat terisi dengan maksimal. Satuan kapasitas suatu baterai adalah
Ampere hour ( Ah ) dan biasanya karakteristik ini terdapat pada label suatu baterai. Misalnya
suatu baterai dengan kapasitas 10 Ah akan terisi penuh selama 10 jam dengan arus output
photovoltaic sebesar 1 Ampere.
2.3 Maximum Power Point Tracking (MPPT)
MPPT (Maximum Power Point Tracking) adalah teknik yang digunakan untuk
menjaga agar sistem photovoltaic bekerja dalam point MPP (maximum power point).
14
Gambar 2. 3 Grafik titik mpp Sumber : Kollimalla, 2014
Berdasarkan Gambar 2.3, dapat diketahui bahwa titik maksimum berada pada titik E
dan F yang mana titik-titik ini dipengaruhi oleh suhu dan iradiasi. Dapat dilihat
perbedaannya bahwa pada saat suhu 400C , 800C kerja PV akan berubah sesuai dengan
perubahan nilai suhu dan iradiasi. Berdasarkan grafik tersebut kita juga dapat mengetahui
adanya suatu titik optimal, sehingga didapatkan daya maksimal. Titik kerja tersebut adalah
pada Vmp, dan Imp, dan akan menghasilkan Pmaks.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk mendapatkan nilai
tegangan dan arus yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu
photovoltaic. Daya keluaran yang maksimal ini akan menghasilkan efisiensi yang tinggi dan
mengurangi rugi-rugi suatu photovoltaic.
Adapun prinsip kerja MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja
photovoltaic. Apabila dalam suatu sistem photovoltaic, tegangan kerja photovoltaic jatuh
pada daerah disebelah kiri Vmp, (tegangan kerja lebih kecil dari pada tegangan Vmp), maka
tegangan kerja photovoltaic akan dinaikan sampai mencapai Vmp, begitu juga sebaliknya
apabila tegangan sel surya lebih besar dari pada Vmp (tegangan kerja lebih besar dari pada
Vmp), maka tegangan kerja photovoltaic akan diturunkan sampai mencapai Vmp. Setelah
mencapai tegangan maximum point, secara otomatis daya keluaran pada photovoltaic juga
akan menjadi maksimal. Adapun yang bertugas untuk menaikkan dan menurunkan tegangan
adalah DC/DC converter.
Ada beberapa algoritma pencarian titik daya maximal (Pmaks) yang digunakan dalam
MPPT, diantaranya:
15
a. Metode perbandingan table (Look-up Table methode)
b. Metode tegangan open circuit photovoltaic (Open circuit voltage generator
photovoltaic method)
c. Metode arus short circuit photovoltaic (short circuit current generator photovoltaic
method)
d. Metode kecerdasan buatan (artificial intelligence method)
2.3.1 Perturb And Observe Method
Metode (perturb and Observe) adalah metode yang sering digunakan pada sistem
photovoltaic mppt untuk mencari nilai MPP (maksimum power point) pada photovoltaic
dengan cara menaikan atau menerunkan nilai dutycycle yang diberikan pada boost
converter. Dapat dilihat pada gambar 2.4 yang merupakan blok metode P&O konvensional
yang diterapkan pada sistem MPPT.
Gambar 2. 4 Redraw Perturb and observe Algorithm flowchart Sumber : Salmi, 2016
Measurement: V(k), I(k)
P(k)=V(k) I(k)
K=k+1
Measurement: V(k), I(k)
P(k)=V(k) I(k)
P(k)-P(k-1)>0
V(k)-V(k-1)>0 V(k)-V(k-1)>0
D=D+∆D D=D-∆D D=D+∆D D=D-∆D
No Yes
No Yes Yes No
Keterangan k = Data baru k-1 = Data Lalu P = Daya V = Tegangan I =Arus
16
Pada Gambar 2.4 dapat dijelaskan flowchart algorithm P&O. Setiap kali terjadi
perubahan dutycycle akan dilihat terlebih dahulu perubahan dayanya. Pertama dilakukan
pengukuran tegangan V(k), arus I(k) dan dhitung sebagai daya P(k) kemudian
diinisialisasikan sebagai daya yang sekarang (k=k+1). Jika daya sekarang P(k) dikurang
daya yang lalu P(k-1) dan hasilnya lebih besar atau lebih kecil dari 0 maka diproses untuk
dinaikan atau diturunkani nilai teganganya dengan cara mengurangi atau menambahakan
nilai siklus dutycycle (∆D).
2.3.2 DC-DC Converter
Converter DC-DC adalah suatu alat untuk merubah energi listrik arus searah menjadi
energi listrik arus searah lainnya dengan menggunakan seperangkat komponen aktif dan
pasif sebagai saklar elektronik. DC-DC Converter juga dikenal dengan sebutan DC Chopper
dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya
sesuai dengan permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah
berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap.
Pada dasarnya, tegangan keluaran DC dicapai dengan cara mengatur lamanya waktu
penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen
yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch
(solid state electronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Secara
umum ada beberapa macam rangkaian dasar DC-DC converter yaitu tipe boost,buck,buck-
boost dan cuk juga memiliki dua fungsi pengoperasian dari DC Chopper yaitu penaikan
tegangan dimana tegangan keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan, dan
penurunan tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan.
2.3.2.1 Boost converter
DC Converter jenis boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih
tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan converter penaik
tegangan. Seperti terlihat pada Gambar 2.5 komponen utamanya terdiri atas MOSFET,
dioda, induktor, dan kapasitor. Converter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi
pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin.
17
Gambar 2. 5 Rangkaian Boost converter Sumber : Rashid, 2011
Kemampuan boost converter untuk menaikan tegangan dc berkaitan dengan prinsip
switch duration (ton dan toff switch). Saat saklar atau switch mosfet pada kondisi tertutup
(ton), arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi akan tersimpan di
induktor. Saat saklar mosfet terbuka (toff), arus induktor ini akan mengalir menuju beban
melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan menurun.
a. Saklar ON b. Saklar OFF
Gambar 2. 6 Prinsip kerja boost converter
Jika dilihat pada Gambar 2.6. pada saat toff, beban akan disuplai oleh tegangan
sumber ditambah dengan tegangan induktor yang sedang melepaskan energinya. Kondisi
ini yang menyebabkan tegangan keluaran menjadi lebih besar dibandingkan dengan
tegangan masukannya. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan converter ini
sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar.
18
Gambar 2. 7 Arus dan tegangan induktor continuous conduction mode Sumber : Rashid, 2011
Seperti pada Gambar 2.7 dalam operasionalnya, terdapat dua mode operasi untuk
boost converter, yaitu continuous conduction mode (CCM) dan Discontinuous conduction
mode (DCM). Pada continuous mode, arus induktor tidak pernah jatuh ke nol dalam semua
siklus pensaklaran. Sedangkan untuk discontinuous mode , arus pada induktor akan jatuh ke
nol sebelum selesai satu periode pensaklaran.
2.3.3 Inverter
Inverter adalah perangkat elektronik yang dipergunakan untuk mengubah sumber DC
menjadi sumber AC atau lebih tepatnya inverter memindahhkan tegangan dari sumber DC
ke beban AC. Sumber tegangan inverter dapat berupa batteray, Pv panel, dan sumber
tegangan DC lainya. Pada dasarnya inverter adalah alat yang membuat tegangan bolak-balik
dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang
yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk gelombang sinusoida, melainkan gelombang
persegi.
Gambar 2. 8 Prinsip dasar Inverter Sumber : Rashid, 2011
19
Pada Gambar 2.8 Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4
saklar seperti ditunjukkan pada gambar 2.8. Bila saklar S1+ dan S2- dalam kondisi on maka
akan mengalir aliran arus DC ke Vo dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah saklar
S2+ dan S1- maka akan mengalir aliran arus DC ke Vo dari arah kanan ke kiri. Inverter
biasanya menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation – PWM)
dalam proses conversi tegangan DC menjadi tegangan AC.
2.3.3.1 Full-Bridge Converter Theory
Full bridge converter adalah rangkaian teori dasar yang digunakan untuk mengubah
DC ke AC. Full bridge converter mempunyai pasangan saklar (S1+,S2-) dan (S2+,S1-).
Keluaran AC didapatkan dari masukan DC dengan membuka dan menutup saklar-saklar
pada urutan yang tepat. Tegangan keluaran Vo bisa berupa + Vdc, -Vdc, atau nol, tergantung
pada saklar yang mana tertutup. Rangkaian ekivalen kombinasi saklar full bridge converter
diperlihatkan pada Gambar 2.8. Sebagai catatan bahwa S1+ dan S2+ tidak boleh menutup
pada saat yang bersamaan, begitu juga dengan S1- dan S2-, yang akan menyebabkan
terjadinya short circuit pada sumber DC.
2.3.3.2 Jenis inverter berdasarkan gelombang yang dihasilkan
Berdasarkan gelombang keluaran yang dihasilkan, inverter dapat dibagi menjadi 3
macam yaitu square wave, modified sine wave, dan pure sine wave. (Faruq, 2014)
1. Square Wave
Inverter ini adalah yang paling sederhana. Walaupu inverter jenis ini dapat
menghasilkan tegangan 220 VAC, 50 Hz namun kualitasnya sangat buruk.
Sehingga dapat digunakan pada beberapa alat listrik saja. Hal ini disebabkan
karena karakteristik output inverter ini adalah memiliki level ‘’total harmonic
distortion’’ yang tinggi. Mungkin karena alasan itu inverter ini disebut ‘’dirty
power supply’’.
2. Modifed sine wave
Modified Sine Wave disebut juga ‘’Modified Square Wave’’ atau ‘’Quasy Sine
Wave’’ karena gelombang modified sine wave hampir sama dengan square wave,
namun pada modified sine wave outputnya menyentuh titik 0 untuk beberapa saat
sebelum pindah ke positif atau negatif. Selain itu karena modified sine wave
20
mempunyai harmonic distortion yang lebih sedikit dibanding square wave maka
dapat dipakai untuk beberapa alat listrik seperti computer, tv, lampu.
3. Pure sine wave
Pure Sine Wave atau true sine wave merupakan gelombang inverter yang hampir
menyerupai bahkan lebih baik dibandingkan dengan gelombang sinusoida
sempurna pada jaringan listrik, dengan total harmonic distortion (THD) < 3%
sehingga cocok untuk semua alat elektronik. Olen sebab itu inverter ini juga
disebut ‘’ clean power supply’’. Teknologi yang digunakan inverter jenis ini
umumnya disebut pulse width modulation (PWM) yang dapat mengubah tegangan
DC menjadi AC dengan bentuk gelombang yang hampir sama dengan gelombang
sinusoida.
2.3.3.3 Sinusoidal pulse width modulation (SPWM) SPWM biasanya digunakan pada rangkaian elektronika daya yang dapat membuat
tegangan berbentuk pulsa dengan cara menghidupkan atau mematikan saklar daya pada
inverter. Teknik SPWM memiliki karekteristik signal amplitudo yang berbeda setiap
siklusnya. SPWM biasanya digunakan pada aplikasi kontrol motor dan aplikasi inverter
seperti pada gambar 2.9 dan 2.10. Dapat dilihat bahwa signal pada saklar (S1,S4) dan
(S2,S3) signal switching memiliki perbedaan 180 derajat karena dikendalikan oleh teknik
SPWM.
Gambar 2. 9 SPWM pada aplikasi inverter satu fasa Sumber : Zope dkk, 2012
21
Gambar 2. 10 Vout inverter menggunakan Teknik SPWM Sumber : Zope dkk, 2012
2.4 Phase Locked Loop (PLL)
Phase locked loop sering kali digunakan untuk sinkronisasi antara pengendali
converter elektronika daya dengan jala-jala atau disebut grid.
Phase locked loop atau PLL adalah sebuah sistem kontrol frekuensi yang
memanfaatkan sensitifitas deteksi fasa antara sinyal input dan output dari sebuah rangkaian
osilasi yang terkontrol.
Gambar 2. 11 The Basic PLL Sumber : Banerjee, 2006
Pada Gambar 2.11 Phase locked loop dimulai dengan frekuensi referensi kristal
(XTAL) yang stabil. R counter atau yang disebut juga pembanding frekuensi merupakan
salah satu nilai input yang digunakan untuk phase detector. Keluaran phase detector adalah
nilai arus rata-rata yang sebanding dengan error phase yang didapatkan dari perbandingan
22
frekuensi dan frekuensi output (Banerjee, 2006). Ketika phase sama dan frekuensi juga akan
sama maka akan ditemukan frekuensi keluaran dengan persamaan sebagai berikut.
Fout =
∗ ............................................................. (2.5)
Gambar 2. 12 Rangkaian dasar PLL
Pada Gambar 2.12 dapat dijelaskan PLL terdiri dari sebuah Vco (Voltage Control
Oscillator), detektor fasa (Phase detector), dan crystal oscillator. Sebuah frekuensi f1 yang
dihasilkan oleh crystal oscillator kemudian diumpankan ke rangkaian phase detector untuk
dibandingkan dengan frekuensi f2 dari Vco. Phase detector akan membandingkan frekuensi
dari Vco = 0 Hz. Karena ada perbedaan frekuensi antara f1 dan f2, maka rangkaian phase
detector akan menghasilkan tegangan Vdc yang mencatu Vco. Tegangan Vdc ini menyebabkan
rangkaian VCO berosilasi dan menghasilkan sebuah frekuensi f2. Rangkain Vco akan terus
berosilasi menghasilkan frekuensi f2 sampai f2 = f1. Ketika f2 = f1, maka tegangan Vdc
keluaran phase detector = 0 dan ini meyebabkan rangkain Vco berhenti berosilasi (locked).
Karena rangkaian ini akan mengunci (Locked) saat frekuensi dan fase dari kedua sinyal
sama, maka rangkaian ini disebut dengan Phase Locked Loop.
2.5 Kontroler Proportional, Integral Keberadaan kontroler dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi yang besar
terhadap perilaku sistem. Pada prinsipnya hal itu disebabkan oleh tidak dapat diubahnya
komponen penyusun sistem tersebut. Artinya, karakteristik plant harus diterima
sebagaimana adanya, sehingga perubahan perilaku sistem hanya dapat dilakukan melalui
penambahan suatu sub sistem, yaitu kontroler.
Salah satu tugas komponen kontroler adalah mereduksi sinyal kesalahan, yaitu
perbedaan antara sinyal reference dan sinyal keluaran. Hal ini sesuai dengan tujuan sistem
kontrol yaitu mendapatkan sinyal keluaran yang sama dengan sinyal reference (sinyal yang
VCO Phase
Detector Crystal
Oscillator
f2
f2 f1
Vdc
23
di inginkan). Semakin cepat reaksi sistem mengikuti sinyal reference dan semakin kecil
kesalahan yang terjadi , semakin baiklah kinerja kontrol yang diterapkan.
Untuk mendalami lebih lanjut mengenai sistem kontrol tentunya dibutuhkan
pemahaman yang berhubungan dengan sistem kontrol.
1. Plant
Seperangkat peralatan atau objek fisik dimana variabel prosesnya akan
dikendalikan, msalnya pabrik, reaktor nuklir, mobil, sepeda motor, pesawat
terbang, pesawat tempur, kapal laut, kapal selam, mesin cuci, mesin pendingin
(sistem AC, kulkas, freezer), penukar kalor (heat exchanger), bejana tekan
(pressure vessel), robot dan sebagainya.
2. Aktuator
Aktuator adalah sebuah peralatan mekanis untuk menggerakkan atau mengontrol
sebuah mekanisme atau sistem.
3. Sensor
Sensor adalah jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah besaran mekanis,
magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor
sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau
pengendalian. Beberapa jenis sensor yang banyak digunakan dalam rangkaian
elektronik antara lain sensor cahaya, sensor suhu, dan sensor tekanan.
4. Disturbance
Suatu sinyal yang mempunyai kecenderungan untuk memberikan efek yang
melawan terhadap keluaran sistem pengendalian
Sistem kontrol sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.13 membandingkan nilai yang
sebenarnya dari keluaran plant dengan nilai yang diinginkan (r(t)), mendapatkan nilai error
(e(t)), serta menghasilkan sinyal kontrol untuk mengurangi error menjadi kecil atau sampai
nol.
Gambar 2. 13 Diagram blok sistem kontrol sederhana
Kontroler Plant + r(t)
-
e(t)
Sensor
Aktuator
y(t)
d +
+
24
1 Kontroler Proportional
Kontroler proportional memiliki keluaran yang sebanding/proportional dengan
besarnya sinyal kesalahan ( Sharon, 1992). Secara lebih sederhana dapat dikatakan,
bahwa keluaran kontroler proportional merupakan perkalian antara konstanta
proportional dengan sinyal masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segera
menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta
pengalinya. Kontroler proportional (P) merupakan kontroler dengan menggunakan
penguatan murni Kp seperti pada Gambar 2.14.
Gambar 2. 14 Diagram Kontroler Proportional
Untuk kontroler proportional, hubungan antara keluaran kontroler m(t) dan sinyal
kesalahan penggerak e(t) adalah.
() = () ..................................................... (2.6)
() = () .................................................... (2.7)
()
()= ............................................................ (2.8)
Dengan M(s) dan E(s) adalah transform Laplace dari m(t) dan e(t), secara berurut dan
kontroler proportional memiliki karakteristik : mempercepat proses, tidak merubah
orde proses, meningkatkan overshoot, tidak menghilangkan offset. Kontroler
proporsional memiliki 2 parameter, pita proporsional (proportional band) dan
konstanta proporsional. Daerah kerja kontroler efektif dicerminkan oleh Pita
proporsional (Gunterus, 1994, 6-24), sedangkan konstanta proporsional menunjukkan
nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan, Kp. Hubungan antara pita
proporsional (PB) dengan konstanta proporsional (Kp) ditunjukkan secara persentasi
oleh persamaan berikut:
=
∗ 100% ................................................... (2.9)
Kp +
-
E(s) M(s) Plant
Sensor
25
Gambar 2.15 menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran kontroler dan
kesalahan yang merupakan masukan kontroler. Ketika konstanta proporsional
bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin
kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit (Johnson, 1988).
Gambar 2. 15 Proportional band dari kontroler proporsional Sumber : Johnson, 1988
2 Kontroler Integral
Kontroler integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan
keadaan mantap nol. Kalau sebuah plant tidak memiliki unsur integrator (1/s ),
kontroler proporsional tidak akan mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan
keadaan mantabnya nol. Dengan kontroler integral, respon sistem dapat diperbaiki,
yaitu mempunyai kesalahan keadaan mantapnya nol. Kontroler integral memiliki
karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroler sangat dipengaruhi
oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan (Rusli, 1997). Keluaran
kontroler ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya.
Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan
seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Sinyal keluaran akan berharga sama
dengan harga sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. Gambar 2.16 (Ogata,
1997) menunjukkan contoh sinyal kesalahan yang disulutkan ke dalam kontroler
integral dan keluaran kontroler integral terhadap perubahan sinyal kesalahan tersebut.
26
Gambar 2. 16 Kurva sinyal e(t) terhadap t dan kurva u(t) terhadap t Sumber : Ogata, 1997
3 Kontroler Proportional Integral
Pada pengontrolan proportional dapat menimbulkan offset pada keluaran pengendali.
Untuk proses dimana offset tidak dapat ditolerir maka perlu ditambahkan aksi
pengontrolan integral. Aksi kontrol integral dapat menghilangkan perbedaan
pengukuran dan titik acuan yang dapat mengakibatkan keluaran pengendali berubah
sampai dengan perubahan tersebut berharga nol.
Gambar 2. 17 Diagram kontroler PI
Seperti pada Gambar 2.17 aksi kontrol PI didefinisikan oleh persamaan berikut.
() = () +
∫ ()
............................. (2.9)
()
()= 1 +
............................................. (2.10)
Dengan Ti adalah waktu integral. Kebalikan dari waktu integral Ti disebut laju reset.
Laju reset adalah banyaknya pengulangan bagian proportional dari aksi pengontrolan.
Kontroler PI mempunyai karakteristik menghilangkan offset, mempercepat proses ,
tetapi menimbulkan osilasi.
Kp(1+1/Tis) +
-
E(s) M(s) Plant
Sensor
27
BAB III. KERANGKA KONSEP PENELITIAN
Di bab ini, diberikan penjelasan mengenai kerangka konsep penelitian dan hipotesis
dalam penelitian.
3.1 Deskripsi Masalah
Berdasarkan latar belakang dan tinjauan pustaka, maka penelitian ini difokuskan
untuk memaksimalkan keluaran sumber energi dari photovoltaic yaitu photovoltaic
dihubungkan dengan DC-DC converter, yang mana keluaran tegangan dan arus photovoltaic
dihubungkan dengan control MPPT.
Dapat dilihat pada Gambar 3.1 penulis memilih menggunakan boost converter
karena memiliki fungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi
dibandingkan tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan converter penaik tegangan.
Komponen utamanya terdiri atas IGBT (Insulated gate bipolar transistor), dioda, induktor,
dan kapasitor. Jika saklar IGBT pada kondisi tertutup, maka arus akan mengalir ke induktor
sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor naik. Saat saklar IGBT terbuka ,
arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi yang
tersimpan di induktor akan turun. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan
converter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar
serta keunggulan dari boost converter ini mampu menghasilkan arus masukan yang kontinu.
Sebelum terhubung ke jaringan PLN (Grid) daya keluaran dari boost converter
dihubungkan kembali dengan inverter. Jaringan PLN (Grid) memiliki masukan signal AC
(Alternating current) maka dibutuhkan inverter yang fungsinya adalah mengubah signal DC
(Direct current) menjadi signal AC. Karena jaringan grid yang dihubungkan adalah jaringan
1 fasa, maka inverter yang digunakan adalah inverter 1 fasa dengan metode switching yang
digunakan sinusoidal pulse width modulation (SPWM) yang diharapkan mampu
menghasilkan keluaran berupa gelombang sinusoidal yang sebelumnya dilakukan
pengontrolan tegangan dan arus inverter dengan menggunakan kontrol PI (Proportional
Integral). Agar hasil output inverter dapat dihubungkan dengan jaringan grid maka
dibutuhkan penyamaan sudut phasa dengan menggunakan PLL (Phase Locked Loop) guna
untuk melakukan sinkronisasi antara tegangan inverter dan tegangan grid.
28
Gambar 3. 1 Blok kerangka konsep simulasi sistem yang akan dibuat. *Bagian grey merupakan bagian yang akan dikerjakan dalam penelitian ini.
Polycrystaline
Photovoltaic Monocrystaline
DC-DC Converter
Galium Arsenide
Fuzzy Logic
Control MPPT
P & O Boost
Converter Buck
Converter
Buck-Boost Converter
Cuk Converter
Control PWM
Neural Network
Inverter SPWM
Control PWM
PID 1 Fasa 3 Fasa
Grid
HCC
PLL
PI
29
Metode control MPPT yang digunakan adalah metode (P&O) guna mencari daya
maksimum dari panel surya dengan cara menambah atau mengurangi nilai siklus dutycycle
yang diberikan ke boost converter seperti Gambar 3.2
Gambar 3. 2 Tracking daya Pv dengan Perturb and Observe Sumber : Safari & Mekhilef, 2011
3.2 Hipotesis
Penelitian ini memiliki beberapa tahap pengerjaan, yang pertama adalah menentukan
berapa besar sumber daya photovoltaic yang digunakan. kemudian dilakukan pembuatan
simulasi photovoltaic, boost converter dan inverter. Setelah itu dilakukan pengujian setiap
model simulasi. Dari pengujian tersebut didapatkan parameter yang dapat dikontrol dengan
metode Perturb and Observe (P&O) modifikasi agar mendapatkan daya maksimum.
Penelitian ini diharapkan akan mendapatkan signal keluaran dari DC converter yang lebih
baik, yang kemudian dihubungkan ke inverter untuk merubah signal DC menjadi AC. Agar
dapat terhubung ke jaringan PLN atau grid digunakan metode sinusoidal pulse width
modulation (SPWM) yang kemudian dilakukan sinkoronisasi antara inverter dan grid
menggunakan Phase Locked Loop (PLL).
31
BAB IV
METODE PENELITIAN
Pada Bab ini akan dijelaskan bagaimana cara memperoleh data variable dan cara
analisis, serta mempersiapkan solusi permasalahan yang akan digunakan dalam penelitian.
4.1 Jenis dan cara memperoleh data
Cara memperoleh data dilakukan dengan membuat simulasi model keseluruhan
sistem, yang kemudian model tersebut akan digunakan sebagai acuan memperoleh data hasil
penelitian. Pada tahap ini akan ditentukan terlebih dahulu beberapa parameter-parameter
yang akan digunakan untuk simulasi dengan software, diikuti langkah-langkah selanjutnya
seperti pada Gambar 4.1. yang sebelumnya diketahui fungsi sistem Maximum Power point
Tracking (MPPT) melacak titik daya maksimum pada Photovoltaic, agar dapat
menghasilkan daya yang maksimal sebelum terhubung ke beban.
Pada blok diagram photovoltaic berisi beberapa panel photovoltaic yang tersusun
secara seri yang mengarah pada blok boost converter dan blok P&O controller. Perbedaan
kedua blok tersebut selain menerima signal dari blok photovoltaic , boost converter juga
akan menerima signal dari P&O. Kemudian dihubungkan ke inverter dan dilakukan
sinkronisasi antara inverter dan grid.
Gambar 4. 1 Blok diagram sistem MPPT dan terhubung ke Grid
Input tegangan DC
(Photovoltaic)
Boost converter
Inverter DC/AC
Grid
PWM
Perturb And Observe Methode
= MPPT
32
4.2 Model sistem photovoltaic
Pada model photovoltaic telah diketahui parameter-parameter yang mempengaruhi
operasi / kerja photovoltaic. Photovoltaic dapat dimodelkan secara matematis dengan
melihat rangkaian penganti seperti pada Gambar dibawah ini.
Gambar 4. 2 Rangkaian Ekivalen photovoltaic
Model matematika dari photovoltaic merupakan arus short circuit (Isc) photovoltaic
dimana dipengaruhi oleh fungsi iluminasi matahari (S) dan tegangan open circuit (Voc)
dengan persamaan 2.1 pada Bab II.
Model photovoltaic pada Gambar 4.3 yang digunakan adalah tipe 1soltech 1STH-
250-WH yang mana di dalam module tersebut memiliki daya maximum power sekitar 250
W yang tersusun dari 60 cell di setiap module. Module ini memiliki open circuit voltage
37,3 V dan short circuit current 8,66 A. Saat kondisi MPP photovoltaic menghasilkan
tegangan 30,7 V dan arus yang didapat 8,15 A. Pada Gambar 4.4 module juga dipengaruhi
oleh perubahan suhu, pada suhu 25oC garis warna merah tegangan pada module photovoltaic
didapatkan 37 Volt sedangkan pada garis warna biru pada suhu 45oC didapatkan tegangan
35 Volt, jadi tegangan pada module photovoltaic dipengaruhi oleh perubahan suhu.
Gambar 4. 3 Model simulasi Photovoltaic tipe 1soltech 1STH-250-WH
33
Gambar 4. 4 Photovoltaic Tipe 1soltech 1STH-250-WH (Hasil simulasi single module) Arus (atas) Tegangan (bawah)
4.3 Pemodelan Boost converter Converter jenis boost merupakan converter penaik tegangan yang mengkonversikan
tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih tinggi. Dapat dilihat seperti
pada Gambar 4.5. Rangkaian ini terdiri atas satu saklar (IGBT), satu saklar pasif (Dioda),
dua kapasitor dan satu induktor.
Gambar 4. 5 Rangkaian Boost converter
Boost converter menaikan tegangan DC berkaitan dengan prinsip switch duration (ton
dan toff switch). Saat saklar atau switch IGBT pada kondisi tertutup (ton), arus akan mengalir
ke induktor sehingga menyebabkan energi akan tersimpan di induktor. Saat saklar IGBT
terbuka (toff), arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi
yang tersimpan di induktor akan menurun. Jika dilihat pada Gambar 4.6. Pada saat toff,
34
beban akan disuplai oleh tegangan sumber ditambah dengan tegangan induktor yang sedang
melepaskan energinya. Kondisi ini yang menyebabkan tegangan keluaran menjadi lebih
besar dibandingkan dengan tegangan masukannya.
a. Saklar ON b. Saklar OFF
Gambar 4. 6 Prinsip kerja Boost converter
4.3.1 Spesifikasi model Boost converter
Boost converter yang digunakan terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu IGBT
sebagai switch, induktor, kapasitor, dioda dan beban, seperti yang terlihat pada Gambar 4.5.
Untuk merancang sebuah boost converter dibutuhkan parameter - parameter untuk
menentukan besar hambatan, induktansi dan kapasitor yang akan digunakan. Parameter
tersebut disesuaikan dengan spesifikasi dari jumlah photovoltaic yang digunakan.
Parameter dari boost converter adalah sebagai berikut:
1. Daya Maksimal : 2000 W
2. Tegangan Input : 245 V
3. Tegangan Ouput : 500 V
4. Tegangan Ripple : 3%
5. Arus Ripple : 5%
6. Frekuensi switching : 1000 Hz
Dari data parameter diatas, dapat dihitung nilai-nilai komponen yang digunakan, yaitu:
Dutycycle
=
............................................................................. (4.1)
Dimana D : dutycycle Vo : tegangan output Vin : tegangan input
35
Perhitungan :
=
= 0,443
Nilai induktor
=()
∗∗ ............................................................. (4.2)
Dimana f : frekuensi switching R : resistor
Perhitungan :
=0,44(1 − 0,44)
2 ∗ 1000∗ 30 = 2069,76μ
Nilai kapasitor
=∗
∗∆∗ ................................................................... (4.3)
Dimana ∆Vo : Tegangan ripple Vo : Tegangan output D : dutycycle C : kapasitor Perhitungan :
=440 ∗ 0,44
30 ∗ 13,2 ∗ 1000= 488μ
Setelah di dapatkan Lmin dan Cmin maka ditentukan nilai nilai L dan C yang
tepat dan tidak boleh dibawah nilai minimum yaitu Nilai C = 2000 μ L = 4000 μ
4.4 Perturb and Observe
Pada bagian ini dibahas tentang sistem Perturb and Observe seperti Gambar 2.4 pada
bab II, dengan sedikit modifikasi dibagian kiri dengan penambahan delta I yang berguna
untuk melakukan perhitungan nilai arus sebelum memberikan kenaikan atau penurunan nilai
dutycycle. Algoritma P&O modifikasi dapat dilihat pada Gambar 4. 7.
36
Gambar 4. 7 Flowchart Program alghoritma Perturb and Observe modified
Keterangan:
1. Pengukuran tegangan dan arus 2. Perhitungan daya 3. Inisialisasi sebagai daya yang baru 4. Pengukuran teangan dan arus yang baru 5. Pengukuran daya yang baru 6. Inisialisasi penjumlahan daya yang baru dan daya yang lalu 7. 8. Inisialisasi penjumlahan tegangan yang baru dan tegangan yang lalu
Measurement: V(k), I(k)
P(k)=V(k) I(k)
K=k+1
Measurement: V(k), I(k)
P(k)=V(k) I(k)
P(k)-P(k-1)>0
V(k)-V(k-1)>0 V(k)-V(k-1)>0
D=D+∆D D=D-∆D D=D-∆D D=D-∆D
No Yes
No Yes Yes No
I(k)-I(k-1)>0 Yes No
D=D+∆D
1
2
3
4
5
6
7 8
9
10 11 12 13 14
37
9. Inisialisasi penjumlahan arus yang baru dan arus yang lalu
10. 11. 12. 13. 14. Penambahan atau pengurangan nilai dutycycle
Pada bagian kanan Gambar 4.7 perturb and observe penambahan ∆I=I(k)-I(k-1)>0
karena pada algoritma P&O konvensional memiliki osilasi di sekitar titik daya maksimum
yang dapat dijelaskan pada Gambar 4.8
Gambar 4. 8 Teknik MPPT P&O
Algoritma P & O konvensional dikembangkan berdasarkan Gambar 4.8 yang berada
pada kondisi steady state bahwa kemiringan positif berada disebelah kiri MPP/titik B dan
kemiringan negatif berada disebelah kanan. Asumsikan bahwa operasi titik telah
dipindahkan dari titik A menuju ke titik B dan keputusan telah diambil pada titik B dengan
mempertimbangkan nilai-nilai dP= (PB-PA) > 0 dan dV=(VB-VA) > 0 disini algoritma
menambahkan siklus dan karena penambahan siklus ini titik B bergerak menuju titik C.
Pada titik C dihitung kembali dengan dP= (PC-PB) < 0 dan dV= (VC-VB) > 0 algoritma
mengurangi siklus, dan demikian titik operasi kembali bergerak menuju titik B. Pada titik
B dihitung kembali dengan dP= (PB-PC) > 0 dan dV= (VB-VC) < 0 algoritma mengurangi
siklus, dan karenanya operasi titik B bergerak ke titik A. Pada titik A dihitung kembali
dengan dP=(PA-PB) < 0 dan dV= (VA-VB) < 0 algoritma menambahkan siklus, dan dengan
dimikian titik operasi kembali bergerak menuju titik B dan diketahui algoritma ini membuat
titik operasi berosilasi di sekitar MPP (maksimum power point).
V
P
A
B
C
> 0
< 0
MPP
38
Daya maksimum juga dipengaruhi oleh perubahan iradiasi, karena pengaruh
perubahan iradiasi kontroler mengalami ganguan saat mencari daya maksimum dan dapat
dijelaskan pada Gambar 4.9.
Pada Gambar 4.9 ditunjukan bahwa operasi telah berpindah dari dititik A ke titik B,
dan pada titik B telah dihitung terjadi perubahan iradiasi dari 300 menjadi 500 sehingga
melompat menuju titik E, dan pada titik E diketahui bahwa dP=(PE-PB) >0 disini terjadi
peningkatan siklus jika menggunakan kontroler P&O konvensional sehingga berpindah
menuju titik F dan menjauh dari titik daya maksimum yaitu Vmpp2, dan seterusnya jika terjadi
perubahan iradiasi yg meningkat. Untuk mengatasi hal tersebut yaitu dengan cara
memodifikasi kontroler P&O dengan melibatkan pengukuran arus seperti pada Gambar 4.7
dan analisisnya dapat dilihat pada Gambar 4.10
B C
V
VMPP3
VMPP2
VMPP1
Ir300 Ir500 Ir500
A
E
F
G
H
P
Gambar 4. 9 P&O konvensional analisis
39
Pada Gambar 4.10 dapat dijelaskan pada titik B melompat ke titik yang seharusnya C
tetapi menuju E karena perubahan iradiasi. Pada titik E proses pengukuran yg melibatkan
dP=(PE-PB) > 0, dV=(VE-VB) > 0 dan dI=(IE-IB). Pada P&O modifikasi hasil mengurangi
siklus menuju titik Vmpp2 yang mana seblumnya jika menggunakan P&O konvensional akan
menuju titik F. Dengan demikian nilai positif dP apakah karena ganguan atau peningkatan
iradiasi dapat dideteksi menggunakan parameter dI.
4.5 Inverter dan SPWM
Inverter adalah perangkat elektronik yang digunakan untuk mengubah sumber DC
menjadi sumber AC. Atau lebih tepatnya inverter memindahkan tegangan dari sumber DC
ke beban AC. Gambar 4.10 adalah model inverter yang akan diterapkan pada sistem.
A
P
V
B C
E
F
G
H VMpp1
VMpp2
VMpp3
Gambar 4. 10 Perturb and Observe modifikasi
40
Gambar 4. 11 Model inverter 1 fasa
Untuk pengontrolan saklar pada inverter digunakan metode SPWM (Sinusoidal pulse
width modulation). SPWM biasanya digunakan pada rangkaian elektronika daya yang dapat
membuat tegangan berbentuk pulsa dengan cara menghidupkan atau mematikan saklar daya
pada inverter. Dapat dilihat pada Gambar 4.12 bahwa signal pada saklar (S1,S4) dan (S2,S3)
signal switching memiliki perbedaan 180 derajat.
Gambar 4. 12 Model SPWM
Sinyal Modulasi
Sinyal Carier
41
4.6 Phase Locked Loop
Phase locked loop sering kali digunakan untuk sinkronisasi antara pengendali converter
elektronika daya dengan jala-jala atau disebut grid. Phase locked loop atau PLL adalah
sebuah sistem kontrol frekuensi yang memanfaatkan sensitifitas deteksi fasa antara sinyal
input dan output dari sebuah rangkaian osilasi yang terkontrol. Dapat dilihat pada Gambar
4.13, PLL digunakan pada sistem ini agar dapat menghasilkan nilai sudut fasa yang
didapatkan dari sinyal input.
Gambar 4. 13 Model Phase locked loop
4.7 Connected Grid
Agar sistem dapat terhubung dengan jaringan listrik AC atau grid digunakan model
yang dapat dilihat pada Gambar 4.14, terlebih dahulu sesuai dengan standart voltase yang
ada di indonesia yaitu 220 VRMS (Root Mean Square) dan Frekuensi 50Hz. Penentuan Vpeak
pada jaringan dengan menggunakan Persamaan 4.4
=
√ ....................................................................................... (4.4)
Dimana :
Vrms = 220V : Tegangan rata-rata
Vp = : Tegangan puncak
Perhitungan:
= ∗ √2
= 220 ∗ √2
= 311,12V
42
Gambar 4. 14 Model sumber AC
4.8 Photovoltaic Terhubung ke Grid
Gambar 4. 15 Sistem photovoltaic terhubung ke grid
Pada Gambar 4.15 seluruh sistem terhubung yang diantaranya photovoltaic, boost
converter, inverter dan grid. Untuk menghubungkan photovoltaic ke grid diperlukan
inverter yang mengubah keluaran DC-AC yang dikontrol oleh SPWM (Sinusoidal Pulse
Width Modulation). Agar photovoltaic dapat terhubung dengan grid, maka diperlukan
pengaturan sudut fasa antara keluaran tegangan inverter dan tegangan grid dengan
43
menggunakan teknik PLL (Phase Locked Loop) yang mana sebelumnya dilakukan
pengontrolan tegangan dan arus inverter dengan menggunakan sekema control pada Gambar
4.16
Gambar 4. 16 (a)Voltage control (b) Current control Sumber : Rashid, 2011
Metode control yang digunakan pada voltage control dan current control adalah
metode proportional integral (PI) yang didapatkan nilai voltage control Kp= 12 dan Ki=
25, untuk curren control didapatkan Kp= 0,12 dan Ki= 0,5 yang mana kemudian keluaran
sinyal kontrol berupa sinyal modulasi. Untuk proses aliran daya pada sistem yang terhubung
ke jaringan (grid) diperlukan sebuah induktor dalam pentransmisianya seperti pada Gambar
4.17
Gambar 4. 17 Inverter Terhubung Jaringan
44
Sebuah sumber tegangan Vinv dengan sudut fasa δ1, terhubung dengan sumber tegangan
lain Vgrid dengan sudut fasa δ2. Jika kedua sumber tersebut terhubung melalui sebuah saluran
transmisi yang terdapat induktansi XL, maka akan mengalir arus (I) antar keduanya. Karena
terdapat arus pada saluran tersebut, daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) juga akan mengalir
diantara kedua sumber tersebut.
Untuk megetahui nilai daya yang dialirkan menggunakan persamaan aliran daya 4.5.
=∗
∗ sin ................................................................. (4.5)
Dimana : Pmax : Daya maksimum yang diinginkan
Vinv : Tegangan inverter
Vgrid : Tegangan Grid
XL : Nilai induktor yang menghubungkan inverter dan grid
sin : Sudut antara tegangan keluaran inverter dan grid
Sedangkan untuk mengetahui tegangan inverter menggunakan persamaan (4.6), daya
aktif (P) menggunakan persamaan (4.7), dan daya reaktif menggunakan persamaan
(4.8).
=
√ ∗ ............................................................................. (4.6)
Dimana : Vinv : Tegangan inverter
Vdc : Tegangan DC
m : Index modulasi
= ∗ ∗ ........................................................................... (4.7)
Dimana P = Daya aktif (w)
V = Tegangan (V)
I = Arus (A)
Cos φ = Faktor daya
= ∗ ∗ sin ............................................................................ (4.8)
Dimana Q = Daya Reaktif (VAR)
V = Tegangan (V)
I = Arus (A)
Sin = Faktor reaktif
45
Daya aktif pada beban impedansi (Z), beban impedansi pada suatu rangkaian
disebabkan oleh beban yang bersifat resistansi (R) dan induktansi (L). Maka gelombang
tegangan mendahului gelombang arus sebesar φ. Perkalian gelombang tegangan dan
gelombang arus menghasilkan dua puncak positif yang besar dan dua puncak negatif yang
kecil yang dapat dilihat pada Gambar 4.18. Pergeseran sudut fasa bergantung seberapa besar
nilai dari komponen induktornya.
Gambar 4. 18 Gelombang daya aktif dengan beban impedansi
Sumber : kusmandaru,2015
47
BAB V
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini dijelaskan tentang hasil penelitian pemodelan MPPT (maximum power
point tracking) yang terhubung ke grid satu fasa. Hasil penelitian berupa hasil model
simulasi dan analisis terhadap perubahan variabel yang dijelaskan dalam sub bab berikut.
5.1 Hasil Photovoltaic
Pada bab ini dijelaskan tentang hasil penelitian model photovoltaic yang digunakan,
Setelah didapatkan data pada module photovoltaic pada Gambar 4.3 dan agar diperoleh daya
sekitar 2000 W maka module disusun secara series sebanyak delapan, dengan menggunakan
persamaan 5.1
= + + … ................................... (5.1)
Hasil pada Gambar 5.1, didapatkan maximum power pada module photovoltaic sekitar
2002 W, serta memiliki open circuit voltage 300 V dan short circuit current 8,66 A. Saat
kondisi maximum power point didapatkan tegangan maximum 245,6 V dan arus maximum
8,15 A pada pengujian dengan iradiasi konstan 1000 W/m2.
Gambar 5. 1 Photovoltaic Tipe 1soltech 1STH-250-WH, simulasi 8 series module untuk Arus (atas) dan Daya (bawah)
48
Uji coba kedua yaitu dengan memberi perubahan iradiasi mulai dari 100 W/m2, 500
W/m2, dan 1000 W/m2 dengan temperatur konstan 25oC dapat dilihat pada Tabel 5.1.
Tabel 5. 1 Data perubahan iradiasi pada panel photovoltaic.
Iradiasi
(W/m2)
Temperatur (oC) Tegangan (V) Arus (A) Daya (W)
100 25 230,6 0,81 187,8
500 25 244,1 4,07 994,7
1000 25 245,6 8,15 2002
Hasil pengujian juga dapat dilihat pada Gambar 5.2 bahwa perubahan iradiasi sangat
berpengaruh terhadap daya photovoltaic khususnya arus yang dihasilkan oleh photovoltaic.
Terjadinya peningkatan iradiasi yang dimulai dari 100 – 1000 W/m2, maka semakin besar
arus yang dihasilkan oleh photovoltaic.
Gambar 5. 2 Pengujian photovoltaic (8 series module) dengan perbedaan iradiasi, Arus (atas) dan Tegangan (bawah)
49
5.2 Pengujian Photovoltaic tanpa MPPT
Pada pengujian ini photovoltaic tidak terhubung dengan sistem MPPT. Pengujian
dilakukan dengan kondisi iradiasi dan temperatur diberi konstan seperti pada Gambar 5.3
untuk mengetahui daya yang dihasilkan oleh photovoltaic terhadap perubahan beban.
Gambar 5. 3 Set-up pengujian photovoltaic tanpa MPPT
Tabel 5. 2 Data perubahan beban pada panel photovoltaic dengan iradiasi 1000 W/m2 dan temperatur 25oC.
Beban R (Ω) Tegangan (V) Arus (A) Daya (W)
50 275 5,5 1512,5
100 287,8 2,878 828,2
300 295 0,983 289,9
700 296,9 0,424 125,9
Pada Tabel 5.2 hasil pengujian simulasi photovoltaic dengan perubahan beban resistansi
50 Ω hingga 700 Ω. Dapat dilihat perubahan daya yang dihasilkan photovoltaic semakin
kecil karena perubahan beban yang semakin besar.
50
5.3 Pengujian photovoltaic menggunakan MPPT (P&O konvensional)
Gambar 5. 4 Pengujian photovoltaic terhubung MPPT (P&O Konvensional)
Pada pengujian model MPPT yang menggunakan metode perturb and observe
konvensional dengan pemberian iradiasi 1000 W/m2, temperatur 25 oC dan digunakannya
beban resistansi 700 Ω. Dapat dilihat besarnya nilai daya yang dihasilkan pada Gambar 5.5.
Gambar 5. 5 photovoltaic menggunakan MPPT (P&O konvensional)
Dari Gambar 5.5 menunjukan bahwa ketika sistem MPPT yang menggunakan metode
P&O konvensional beroperasi. Photovoltaic mampu menghasilkan daya (Ppv) maksimum
hingga 1997,7 W karena hasil dari kinerja kontroler tersebut. Untuk arus dan tegangan yang
dihasilkan oleh photovoltaic dapat dilihat pada Gambar 5.6
Pengukuran
Pv
Pengukuran converter
Pow
er
Time (second)
51
Gambar 5. 6 Tegangan (atas) dan arus (bawah) photovoltaic menggunakan MPPT (P&O konvensional)
Pada Gambar 5.6 dapat dilihat tegangan (Vpv) dan arus (Ipv) rata-rata yang di
hasilkan oleh photovoltaic yang menggunakan teknik MPPT yaitu 244,5 V dan 8,07 A. Dan
pada Gambar 5.2 bahwa tegangan dan arus yang dihasilkan mampu mendekati tegangan
maksimum (Vmp) dan Arus maksimum (Imp) photovoltaic saat iradiasi dan temperatur yang
telah ditentukan.
Simulasi untuk pengambilan data berikutnya adalah pengambilan nilai daya, arus dan
tegangan keluaran dari boost converter yang dapat dilihat pada Gambar 5.7
Vo
ltag
e C
urre
nt
Time (second)
52
Gambar 5. 7 Daya (atas), Tegangan (tengah) dan Arus (bawah) keluaran boost converter (P&O konvensional)
Pada Gambar 5.7 daya (Pdc) maksimum yang dihasikan oleh boost converter sekitar
1953,8 W berbeda dengan daya yang dihasilkan oleh photovoltaic yaitu 1997,3 W.
Perbedaan daya ini masih dapat ditoleransi karena daya yang dihasilkan berada di sekitar
titik daya maksimum. Sedangkan untuk arus dan tegangan maksimum yang diperoleh boost
converter dengan beban 700 Ω didapatkan tegangan (Vdc) berada pada nilai 1169,5 V dan
arus (Idc) 1,67 A.
5.4 Pengujian photovoltaic menggunakan MPPT (P&O Modifikasi)
Gambar 5. 8 Set-up MPPT dengan kontroler P&O modifikasi
Ganti controler P&O modifikasi
Po
wer
V
olt
age
Cur
ren
t
Time (second)
53
Pengujian sistem MPPT dengan kontroler P&O modifikasi sama dengan pengujian
P&O konvensional tanpa merubah nilai iradiasi, temperatur dan beban. Daya hasil
pengujian dapat dilihat pada Gambar 5.9
Gambar 5. 9 Daya maksimum photovoltaic menggunakan MPPT (P&O modifikasi)
Dari Gambar 5.9 menunjukan bahwa ketika sistem MPPT beroperasi, photovoltaic
mampu menghasilkan daya (Ppv) maksimum 1997,8 W berbeda dengan P&O konvensional
yang mana hasilnya lebih kecil dari P&O modifikasi. Untuk arus dan tegangan yang
dihasilkan oleh photovoltaic dapat dilihat pada Gambar 5.10
Gambar 5. 10 Tegangan (atas) dan arus (bawah) photovoltaic menggunakan MPPT (P&O Modifikasi)
Vo
ltag
e C
urre
nt
Time (second)
Po
wer
Time (second)
54
Pada Gambar 5.10 dapat diketahui bahwa tegangan (Vpv) yang dihasilkan lebih kecil,
sedangkan arus (Ipv) yang dihasilkan lebih besar dari saat menggunakan P&O modifikasi.
Untuk hasil kontroler P&O konvensional yaitu tegangan rata-rata yang didapat sekitar 243,7
V dan arus rata-rata yaitu 8,10 A. Dari hasil pengujian tersebut dapat dilakukan
perbandingan hasil antara P&O konvensional dan P&O modifikasi yang dapat dilihat pada
Tabel 5.3.
Tabel 5. 3 Hasil rata-rata Perbandingan pengukuran P&O konvensional dan P&O modifikasi
Pengukuran
Ppv
P&O
Konvensional
P&O
Modifikasi
Selisih
Tegangan (V) 244,6 243,7 0,9
Arus (A) 8,07 8,10 0,03
Daya (W) 1973 1973,7 0,7
Pada Tabel 5.3 pengujian diatas dilakukan dengan iradiasi , suhu dan beban yang
konstan dapat dilihat bahwa hasil kontroler P&O modifikasi sedikit lebih besar dengan
perbedaan nilai 0,7 W.
Untuk pengujian keluaran daya boost converter menggunakan P&O modifikasi dapat
dilihat pada Gambar 5.11.
Gambar 5. 11 Daya keluaran boost converter (P&O modifikasi) Daya (atas), Arus (tengah) danTegangan (bawah)
Time (second)
Pow
er
Cur
ren
t V
olt
age
55
Untuk Gambar 5.11 daya maksimum (Pdc) yang dihasikan oleh boost converter sekitar
1953,9 W berbeda dengan daya yang dihasilkan oleh photovoltaic yaitu 1997,8 W. Untuk
mengetahui hasil keseluruhan perbedaan keluaran boost converter yang menggunakan
MPPT konvensional maupun MPPT modifikasi dapat dilihat pada Tabel 5.4
Tabel 5. 4 Nilai maksimum perbandingan pengukuran P&O konvensional dan P&O modifikasi pada boost converter.
Pengukuran
Boost converter
P&O
Konvensional
P&O
Modifikasi
Selisih
Tegangan (V) 1169,5 1170 0,5
Arus (A) 1,67 1,67 0
Daya (W) 1953,8 1953,9 0,1
Pada Tabel 5.4 dapat diketahui bahwa perbedaan arus keluaran boost converter yaitu
0 dan daya yang dihasilkan memiliki perbedaan 0,1 W. Dapat kita lihat bahwa dengan
pemberian beban yang sama dan iradiasi yang konstan kerja kontroler P&O yang
dimodifikasi memiliki kinerja yang hampir sama dengan kontroler konvensional P&O. Hal
ini disebabkan karena tidak adanya perubahan iradiasi yang mana sebelumnya kontroler
P&O yang dimodifikasi akan bekerja jika terjadi perubahan iradiasi seperti pembahasan pada
Bab 4.
5.5 Pengujian photovoltaic terhadap perubahan beban menggunakan MPPT dan tanpa MPPT
Setelah dilakukan Pengujian MPPT yang menggunakan kontroler P&O konvensional
dan P&O modifikasi. Selanjutnya dilakukan pengujian terhadap perubahan beban, dari
beban yang diseri dan pada detik ke 3 menjadi beban paralel. Dapat dilihat pada Gambar
5.12 desain beban, dengan jumlah beban R_load=200 Ω, R_load1=100 Ω dan R_load2=300
Ω.
Gambar 5. 12 Desain Beban
56
Disini dilakukan pengujian dengan meggunakan teknik MPPT dan tanpa MPPT
dengan pemberian iradiasi 1000 W/m2 dan temperatur yang konstan yaitu 25oC. Hasil
pengujian dapat dilihat pada Gambar 5.13
Gambar 5. 13 Pengujian tanpa MPPT (atas) dan menggunakan MPPT (bawah) terhadap perubahan beban
Dari Gambar 5.13 grafik pertama merupakan photvoltaic tanpa MPPT sedangkan
grafik kedua photovoltaic menggunakan MPPT. Dapat dilihat pada kedua grafik tersebut
terjadi perubahan beban pada detik ke 3. Untuk grafik pertama daya yang mampu dihasilkan
photovoltaic tanpa MPPT sekitar 176 W dan saat perubahan beban menjadi 235,3 W.
Untuk grafik ke dua menggunakan MPPT daya yang dihasilkan berada pada 1952 W
dan terjadinya peningkatan daya pada detik ke 3 yang kemudian kembali staedy state. Hal
ini terjadi karena perubahan beban dan daya meningkat menjadi 1973,1 W. Dari hasil
pengujian tersebut bahwa teknik MPPT yang diterapkan mampu bekerja atau melacak titik
daya maksimum pada saat terjadi perubahan beban.
5.6 Pengujian sistem MPPT Terhadap perubahan iradiasi
Setelah dilakukanya pengujian MPPT terhadap perubahan beban, selanjutnya adalah
melakukan pengujian dengan perubahan iradiasi yang diberikan yaitu antara 300-1000 W/m2
PV no MPPT
PV MPPT
Time (second)
Po
wer
P
ow
er
57
, guna mengetahui kerja sistem kontroler perturb and observe (P&O) yang dimodifikasi
seperti pada Bab 4. Untuk mengetahui kemampuan kontroler jika terjadi perubahan iradiasi.
Pengujian dilakukan dengan membandingkan dua kontroler yang berbeda yaitu Sistem
MPPT yang menggunakan kontroler P&O konvensional dan MPPT yang menggunakan
kontroler P&O modifikasi. Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 5.14.
Gambar 5. 14 Perubahan daya saat terjadinya perubahan iradiasi, (A) P&O konvensional dan (B) P&O modifikasi
Pada Gambar 5.14 Grafik pertama merupakan perubahan iradiasi yang diberikan pada
photovoltaic, sedangkan untuk grafik kedua (P&O konvensional) dan yang ketiga (P&O
modifikasi) merupakan daya keluaran yang dihasilkan oleh MPPT. Untuk P&O
konvensional dan P&O modifikasi tidak terlihat perbedaanya maka dilakukan penyatuan
dan pembesaran pada ke dua garis tersebut seperti pada Gambar 5.15
A. Mencapai titik daya maksimum B. Perubahan iradiasi
Gambar 5. 15 Hasil perbandingan dua kontroler terhadap titik daya maksimum (A) dan perubahan iradiasi (B)
Iradiasi
B. P&O modifikasi
A. P&O konvensional
Po
wer
P
ow
er
Po
wer
Time (second)
Pow
er
Pow
er
Time (second) Time (second)
58
Gambar 5.15 merupakan hasil perbandingan dua kontroler yaitu P&O konvensional
dan P&O modifikasi yang mana sebelumnya garis (---) merupakan kontrol P&O
konvensional dan garis (___) merupakan kontrol P&O modifikasi. Dapat dilihat pada Gambar
5.15(A) tersebut bahwa respon MPPT yang dihasilkan P&O modifikasi mampu mengurangi
osilasi dan stabil pada waktu 0,18 detik, berbeda dengan P&O konvensional yang stabil pada
waktu 0,26 detik. Pada Gambar 5.15(B) terjadi perubahan iradiasi pada photovoltaic, yang
mana P&O modifikasi mampu mengurangi hilangnya daya hingga 25,4 W jika dibandingkan
dengan kontrol P&O konvensional.
Untuk mengetahui hasil tersebut secara keseluruhan maka dilakukan perbandingan
grafik kontrol P&O konvensional dan P&O modifikasi yang dapat dilihat pada Gambar 5.16.
Gambar 5. 16 Perbandingan hasil daya MPPT P&O konvensional dan P&O modifikasi
Pada Gambar 5.16 dapat dilihat bahwa hasil kontroler P&O yang dimodifikasi mampu
bekerja lebih baik saat mencapai titik daya maksimum (A) dan saat terjadinya peningkatan
iradiasi (B). Kemudian dilakukan pengukuran selisih daya (C) didapatkan selisih nilai
tertinggi 90,1 W pada waktu 0,13 detik dan saat kenaikan iradiasi (D) didapatkan nilai
tertinggi hingga 25,4 W pada waktu 1,53 detik.
5.7 Pengujian sistem MPPT terhubung ke grid
Pada pengujian selanjutnya sistem MPPT yang menggunakan kontroler P&O
modifikasi akan dihubungkan ke grid dengan menggunakan inverter 1 fasa. Untuk analisis
menggunakan iradiasi 1000 W/m2 yang mana sebelumnya dilakukan penyamaan sudut fasa
menggunakan teknik Phase Locked Loop (PLL) dan dilakukan pengontrolan tegangan dan
A
C
B
D
59
arus inverter. Simulasi pengujian keseluruhan sistem dapat dilihat pada Gambar 4.15 dan
hasil pengujian daya yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 5.17
Gambar 5. 17 Daya output sistem photovoltaic terhubung ke MPPT dan grid
Pada Gambar 5.17 daya yang dihasilkan MPPT menggunakan kontroler P&O
modifikasi Garis (___) mampu mendekati daya maksimum dengan hasil rata-rata 1997,3 W.
Sedangkan daya yang diterima oleh jaringan (----) berkurang menjadi 1944,3 W. Hasil
pengujian dapat dilihat pada Tabel 5.5.
Tabel 5. 5 Perbandingan daya MPPT terhubung ke grid
Daya maks photovoltaic Daya hasil MPPT Daya keluaran
2000 W 1997,3 W 1944,3 W
Pada Tabel 5.5 dapat diketahui bahwa photovoltaic memiliki daya maksimum 2000
W, dengan menggunakan teknik MPPT daya maksimum dapat dicapai dengan akurasi 99,8
% dengan hasil 1997,3 W, dan untuk daya yang disalurkan ke jaringan memiliki akurasi 97
% dengan hasil 1944,3 W. Hal ini menunjukan bahwa sistem MPPT yang menggunakan
kontroler P&O modifikasi terhubung ke grid cukup berhasil dalam penggunaannya mencari
nilai daya maksimum.
5.7.1 Pengujian sistem MPPT terhubung ke grid dengan perubahan iradiasi
Selanjutnya pengujian dilakukan dengan memberikan perubahan iradiasi pada sistem
MPPT terhubung ke grid, yang pengujian sebelumnya iradiasi diberikan konstan. Untuk
hasil pengujian perubahan iradiasi dapat dilihat pada Gambar 5.18
Po
wer
Time (second)
60
Gambar 5. 18 MPPT grid terhadap perubahan iradiasi
Dapat dilihat pada Gambar 5.18 garis (__) merupakan keluaran photovoltaic dan garis
(---) merupakan daya yang diterima oleh grid / jaringan listrik. Pengujian perubahan iradiasi
yang diberikan antara 450 W/m2 hingga 1000 W/m2, perubahan iradiasi ini akan
mempengaruhi daya maksimum photovoltaic yang dapat alirkan. Hal ini mengakibatkan
terjadi perubahan juga pada daya maksimum keluaran sistem. Dari Gambar 5.18 saat terjadi
perubahan iradiasi, MPPT mampu melacak daya maksimum dan sistem mampu
mengalirkan daya saat terjadi perubahan iradiasi. Perbedaan daya keluaran photovoltaic dan
daya keluaran sistem memiliki selisih daya yang tidak begitu besar dengan rata-rata 22 W.
Selanjutnya dilakukan pengambilan data tegangan inverter dan tegangan grid , yang
dapat dilihat pada Gambar 5.19
Gambar 5. 19 Tegangan inverter dan grid
Pada Gambar 5.19 tegangan yang dihasilkan inverter didesain lebih besar
dibandingkan tegangan di grid, agar tidak terjadinya arus balik kerangkaian MPPT dengan
menggunakan persamaan 4.4 diperoleh tegangan inverter 260 V dan tegangan grid 220 V.
Pow
er
Time (second)
Vo
ltag
e (V
)
Time (second)
61
Arus yang dihasilkan sistem dapat dilihat pada Gambar 5.20 arus keluaran inverter
berbentuk sinusoidal serta memiliki frekuensi 50 Hz sama seperti frekuensi jaringan.
Gambar 5. 20 Arus inverter
Pada Gambar 5.20 arus yang dihasilkan semakin kecil karena pengaruh iradiasi yang
mengalami perubahan pada time 1 hingga 4. Untuk hasil pengujian daya terhadap perubahan
iradiasi 100 W/m2 – 1000 W/m2 dapat dilihat pada Tabel 5.6.
Tabel 5. 6 Daya yang dihasilkan terhadap perubahan iradiasi
Iradiasi
(W/m2)
Daya MPPT (W) Daya keluaran (W) Selisih (w)
100 187,7 169,4 18,3
200 386,8 368,8 18
300 588,8 575,6 13.2
400 791,7 774,3 17,4
500 994,7 965,3 29,4
600 1197 1170 27
700 1399 1373 26
800 1599 1584 15
900 1798 1776 22
1000 1997 1962 35
Pada Tabel 5.6 hasil pengujian dengan pemberian iradiasi yang berubah-ubah pada
saat pengiriman daya memiliki kerugian rata-rata 2% atau 22,13 W dari hasil MPPT. Hal
ini dapat ditoleransi karena daya yang dihasilkan masih berada di sekitar titik daya
maksimum.
Cur
ren
t
Time (second)
63
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan
Dalam penelitian ini, hasil desain simulasi sistem MPPT (Maximum power point
tracking) yang terhubung ke grid 1 fasa menggunakan metode kontrol P&O (Perturb and
observe) dan menggunakan konverter DC-DC tipe boost. Pengujian ini dilakukan dengan
membandingkan dua buah kontroler yaitu kontroler P&O konvensional dan P&O
modifikasi. Selanjutnya pengujian dilakukan dengan menghubungkan sistem MPPT dengan
grid. Berdasarkan hasil pembahasan yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya , maka
dapat disimpulkan sebagai berikut.
Pada pengujian photovoltaic tanpa menggunakan sistem MPPT, photovoltaic tidak
dapat menghasilkan daya maksimum berbeda dengan sistem photovoltaic yang
menggunakan MPPT. Penggunaan sistem MPPT menghasilkan daya maksimum yang
dicapai hingga 99,8 % dengan hasil 1997,3 W.
Pada pengujian dengan membandingkan dua buah kontroler yang berbeda P&O
konvensional dan P&O yang dimodifikasi masing-masing kontroler mampu melacak
daya maksimum. Perbedaan dua kontroler tersebut pada saat terjadi perubahan
iradiasi, P&O yang dimodifikasi mampu meningkatkan daya hingga 25 watt dan juga
mampu mengurangi osilasi pada saat keadaan maksimum hingga 90 watt
dibandingkan P&O konvensional. Secara keseluruhan P&O yang dimodifikasi bekerja
lebih baik pada saat terjadi perubahan iradiasi.
Pada pengujian terhubung ke grid sistem MPPT tetap mampu melacak daya
maksimum, pada proses pentransmisiannya sistem mengalami kehilangan daya rata-
rata 22,13 W hal ini dapat ditoleransi karena daya yang ditransmisikan masih berada
di sekitar titik daya maksimum.
6.2 Saran
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, ada beberapa saran dari penulis:
Perlunya dilakukan desain boost converter yang lebih baik agar mengurangi
osilasi nilai output tegangan.
64
Perlunya dicoba menggunakan metode lain untuk kontrol inverter agar kerugian
daya dapat diperkecil.
Perlunya pembuatan prototype sistem guna membandingkan hasil simulasi dan
pengujian dilapangan.
65
DAFTAR PUSTAKA
Afghoul, H., Chikouche, D., Krim, F., & Beddar, A. (2013). A novel implementation of MPPT sliding mode controller for PV generation systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Afghoul, H., Krim, F., & Chikouche, D. (2013). Increase the photovoltaic conversion efficiency using Neuro-fuzzy control applied to MPPT. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Banerjee, D. (2006). PLL Performance, Simulation, and design 4th Edition. United States of America: Dog Ear Publishing.
Enslin, j. (1990). Maximum power point tracking: A cost saving necessity in solar energy systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Hossain, M. I., Khan, S. A., Shafiullah, M., & Hossain, M. J. (2011). Design and Implementation of MPPT Controlled Grid Connected Photovoltaic System. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Huang, K., & Li, W. (2011). MPPT of Solar Energy Generating System with Fuzzy Control and Artificial Neural Network. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Lee, C.-U., Ko, J.-S., Seo, T.-Y., Kim, D.-K., & Chung, D.-H. (2013). The MPPT Control of Photovoltaic System using Fuzzy-PI Controller. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Libo, W., Zhengming, Z., Jianzheng, L., Shu, L., & Liqiang, Y. (2005). Modifi'ed MPPT Strategy Applied in Single-Stage Grid-Connected Photovoltaic System. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Lin, W.-M., Hong, C.-M., & Chen, C.-H. (2011). Neural-Network-Based MPPT Control of a Stand-Alone Hybrid Power Generation System. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Muhammad H. Rashid, P. (2011). Power Electronics Handbook. Florida: Academic Press.
Nurrohim, A. (2012). Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid Sebagai Solusi Kelistrikan Di Daerah Terpencil. Jurnal Sains dan Teknolgi Indonesia.
Ogata, K. (2009). Modern Control Engineering. Canada: Pearson Education.
Raedani, R., & Hanif, M. (2014). Design, Testing and Comparison of P&O, IC and VSSIR MPPT Techniques. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
66
Safari, A., & Mekhilef, S. (2011). Simulation and Hardware Implementation of Incremental Conductance MPPT With Direct Control Method Using Cuk Converter. IEEE.
Salmi, H., Badri, A., & Zegrari, M. (2016). Maximum Power Point Tracking (MPPT) Using Artificial Bee Colony Based Algorithm for Photovoltaic System. International Journal of Intelligent Information Systems.
Selmi, T., Abdul-Niby, M., & Devis, L. (2014). P&O MPPT Implementation Using MATLAB/Simulink. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Sun, L., Zhengdandan, & Han, F. (2013). Study on MPPT Approach in Photovoltaic System Based on Fuzzy Control. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Wu, H., & Tao, X. (2009). Three Phase Photovoltaic Grid-connected Generation Technology with MPPT Function and Voltage Control. Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Zope, P. H., Bhangale, P. G., sonare, P., & Suralkar. (2012). Design and Implementation of carrier based Sinusoidal PWM Inverter. nternational Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering.
