Implementasi MPPT (Maximum Power Point

Implementasi MPPT (Maximum Power Point Tracker) DC-DC
Converter Pada Sistem Photovoltaic dengan Menggunakan
Algoritma Tegangan Konstan, P&O (Perturb and Observe) dan
Incremental Conductance
Harmini1)
1)JurusanTeknikElektro U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang50196,email:[email protected]
Abstrak –PV mempunyai karakteristik kurva V-I yang
tidak linier dan mempunyai daya maksimum pada
titik tertentu dengan koordinat Vmpp dan Impp yang
disebut dengan Maximum Power Point (MPP). Pada
titik tersebut PV bekerja pada efisiensi maksimum
dan menghasilkan daya keluaran yang paling
besar.MPP tergantung dari intesitas radiasi
matahari dan suhu, dimana intensitas dan suhu
matahari tidak pernah konstan tergantung dari waktu
dan kondisi cuaca.MPPT (Maximum Power Point
Tracker) digunakan untuk mencari daya maksimum
ketika terjadi perubahan cuaca dan menjaga titik
kerja PV agar selalu berada pada titik MPP.
Melalui penelitian ini, dibuat sebuah alat untuk
optimalisasi MPPT pada sistem PV dengan
mengimplementasikan algoritma MPPT yaitu
Tegangan Konstan, Perturb and Observe dan
Incremental Conductance.Ketiga algoritma tersebut
dibandingkan untuk mendapatkan nilai efisiensi yang
paling besar dalam pengkonversian energi matahari.
Boost Converter dan mikrokontroler ATMEGA 32
digunakan untuk mengontrol tegangan dan arus kerja
PV agar didapatkan nilai daya yang maksimum.
Hasil pengujian di laboratorium dengan beban
lampu 24V/16W dan baterai 24V/2,5Ah serta
menggunakan algoritma tegangan konstan, P&O dan
Incremental Conductance mendapatkan efisiensi
berturut-turut adalah 43,523%, 39,741% dan
44,717%.
Sedangkan
pengujian
dilapangan
menghasilkan efisiensi berturut-turut 32,263%,
33,351% dan 38,568%. Incremental Conductance
menghasilkan
efisiensi
yang
paling
besar
dibandingkan dengan algoritma yang lain.
Kata kunci : Algoritma MPPT, Boost Converter,
Photovoltaic
tertentu dengan koordinat Vmpp dan Impp yang
disebut dengan Maximum Power Point (MPP). Pada
titik tersebut PV bekerja pada efisiensi maksimum
dan menghasilkan daya keluaran yang paling
besar.MPP tergantung dari intesitas radiasi matahari
dan suhu, dimana intensitas dan suhu matahari tidak
pernah konstan tergantung dari waktu dan kondisi
cuaca [2].Pada saat kondisi radiasi sinar matahari
rendah, efisiensi yang dihasilkan hanya mencapai 916 % [3].MPPT (Maximum Power Point Tracker)
digunakan untuk mencari daya maksimum ketika
terjadi perubahan cuaca dan menjaga titik kerja PV
agar selalu berada pada titik MPP.Keluaran daya
dipengaruhi oleh sinar matahari yang mengenai panel
surya.Semakin besar intensitas radiasi matahari maka
daya yang dikeluarkan semakin besar sedangkan
semakin besar suhu maka daya yang dihasilkan
semakin kecil atau menurun, sehingga daya keluaran
sel surya tidak stabil.
Pada penelitian ini akan dikembangkan MPPT
dengan membandingkan tiga metode algoritma yaitu
Tegangan Konstan (Constant Voltage), P&O
(Perturb and Observe) dan Incremental Conductance
untuk memaksimalkankan daya tanpa melakukan
proses tracking atau perputaran secara mekanik
terhadap panel surya. Peletakan panel surya tegak
lurus
terhadap
arah
datangnya
sinar
matahari.Pemilihan ketiga algoritma tersebut
berdasarkan pada kebutuhan hardware atau perangkat
keras yang digunakan termasuk jumlah sensor serta
jumlah memori kontroler untuk mengimplemtasikan
algoritma tersebut. Ketiga algoritma tersebut
memiliki karakteristik yang berbeda dalam
menetukan titik daya maksimum PV termasuk
kecepatan dalam mencapai titik maksimum..
1.PENDAHULUAN
2.TINJAUAN PUSTAKA
Permasalahan yang ditimbulkan pada penggunaan
PV (Photovoltaic) adalah daya keluaran PV yang
seringkali tidak mencapai maksimal dari daya yang
sebenarnya yang bisa dikeluarkan oleh PV terutama
pada kondisi radiasi matahari yang rendah.Radiasi
matahari yang diterima panel surya tergantung cuaca
dan posisi matahari terhadap panel surya. Selain itu,
PV mempunyai karakteristik kurva V-I yang tidak
linier dan mempunyai daya maksimum pada titik
2.1. Karakteristik Photovoltaic
Photovoltaic digunakan untuk menghasilkan energi
listrik pada berbagai macam penerapan, seperti
penerangan rumah, lampu lalu lintas, mobil ramah
lingkungan dan aplikasi yang lainnya. Sel PV dapat
dimodelkan secara elektronik seperti ditunjukkan pada
Gambar 1 [4][5][9]. Model elektronik tersebut terdiri
dari sumber arus konstan (Isc), diode, resistor seri (Rs)
dan resistor paralel (Rp).Persamaan model matematik
photovoltaic ditunjukkan pada Pers.1.
I=I_(s-) I_o [e^((V+IR_s)/V_T )-1]
(1)
dengan I adalah arus yang mengalir keterminal, Is
adalah sumber arus konstan, Io adalah arus diode
kondisi reverse saturasi, VT adalah tegangan akibat
panas, V adalah tegangan terminal dan Rs adalah
resistor.
Gambar 1.Model elektronik sel photovoltaic [4][5][9].
Daya yang dibangkitkan oleh modul PV tergantung
pada radiasi, suhudan kondisi penyinaran. Panel PV
mempunyai karakteristik yang tidak linier dan
mempunyai daya tertinggi yang berada pada titik
tertentu dengan koordinat tegangan Vmpp dan arus
Impp [2]-[5][8][9]. Tegangan dan arus dari keluaran
modul PV harus diatur secara tepat untuk
mendapatkan titik daya maksimum.Titik tersebut tidak
selalu terdapat pada tegangan nominal sel PV dan
dapat berpindah secara cepat akibat perubahan
penyinaran dan suhu sel PV.Untuk mendapatkan daya
yang optimal diperlukan sebuah alat yang digunakan
untuk mencari titik daya tertinggi dan mengubah
tegangannya ke tegangan yang diinginkan. Alat
tersebut dinamakan Maximum Power Point Tracker
(MPPT ) yang berfungsi untuk mengatur perubahan
arus dan tegangan kerja sesuai dengan karakteristik sel
PV.
2.2.MPPT (Maximum Power Point Tracking)
Sistem PV mempunyai karakteristik yang tidak
linier serta sangat tergantung pada suhu dan
intensitas radiasi matahari, sehingga pada sistem PV
terdapat titik tertentu yang dapat menghasilkan
keluaran daya maksimal. Titik tersebut adalah
Maximum Power Point (MPP), letak titik tidak
diketahui tetapi dapat dicari dengan menggunakan
perhitungan atau algoritma tracking. Maximum
Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk
mendapatkan daya maksimum dari sistem PV tanpa
tergantung pada suhu dan radiasi matahari serta
menjaga agar titik kerja PV tetap pada titik MPP
saat terjadi perubahan kondisi lingkungan. MPPT
sangat penting untuk meningkatkan efisiensi.
Kontrol tegangan MPPT menggunakan PWM
(Pulse Width Modulation) atau lebar pulsa (Duty
Cycle) melalui rangkaian DC-DC Converter. Prinsip
dari MPPT adalah menaikkan dan menurunkan
tegangan kerja PV. Apabila dalam suatu sistem PV,
tegangan kerja PV lebih kecil dari tegangan Vmpp
maka tegangan kerja PV akan dinaikkan sampai
mendekati tegangan Vmpp. Sebaliknya, apabila
tegangan kerja PV lebih besar dari tegangan kerja
Vmpp maka tegangan kerja PV akan diturunkan
mendekati tegangan Vmpp.
Algoritma MPPT atau pendekatan secara matematik
digunakan untuk men-dapatkan nilai daya
maksimum. Algoritma yang dikembangkan untuk
mengontrol MPPT antara lain Constant Voltage
Method [3], Perturbion and Observation [2-4][8]
dan Incremental Conductance algorithm [5][8].
Algoritma-algoritma tersebut mempunyai kelebihan
dan kekurangan masing-masing diantaranya
kecepatan dalam mencari titik maksimum, efisiensi
yang dicapai serta pengaruh terhadap perubahan
kondisi
lingkungan.
Pada
penelitian
ini
menggunakan ketiga algoritma tersebut untuk
mendapatkan nilai efisiensi paling tinggi yang
sesuai dengan kebutuhan beban, antara lain:.
a. Metode Tegangan Konstan (Constant Voltage
Method)
Algoritma tegangan konstan adalah metode
kontrol MPPT yang paling sederhana. Titik operasi
dari PV dijaga didekat dengan MPP dengan
mengatur tegangan dan menyesuaikan dengan
tegangan referensi, dimana tegangan referensi di
atur sama dengan tegangan MPP (VMPP) sesuai
dengan karakteristik modul PV yang digunakan atau
ditentukan dengan nilai tegangan yang lain.
b. Perturbation and Observation
P&O algoritma bekerja dengan mengganggu
tegangan keluaran sel PV secara berkala dengan
menaikkan atau menurunkan tegangan kerja PV dan
membandingkannya dengan nilai daya terukur
sebelumnya. Jika hasil perturbation (gangguan)
lebih besar dari nilai sebelumnya maka gangguan
selanjutnya dilakukan dengan menaikkan tegangan
keluaran sel PV dan demikian juga sebaliknya.
Gambar 2 menunjukkan flowchart algoritma P&O.
Gambar 2. Flowchart algoritma P&O [8]
c. Incremental Conductance
Algoritma incremental conductance digunakan
untuk mengatasi masalah yang ditimbulkan oleh
algoritma P&O. Dasar algoritma ini adalah kurva
kemiringan P-V. Pengontrolan dilakukan dengan
menaikkan atau menurunkan tegangan MPPT.
Algoritma ini digunakan untuk memperbaiki
algoritma P&O dan algoritma tegangan konstan.
Gambar 3 menunjukkan flowchart algoritma
Incremental Conductance.
Gambar 5. Desain rangkaian boost converter[Skematik
software Diptrace]
Gambar 3. Flowchart algoritma Incremental
Conductance [8]
3.3. Perbandingan sistem MPPT antara metode
tegangan konstan, Perturb and Observe dan
Incremental Conductance.
Hasil pengujian di laboratorium dan pengujian
lapangan dengan meng-gunakan metode tegangan
konstan, Perturb and Observe dan Incremental
Conductance ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2
beban yang digunakan adalah lampu 24V/16W dan
baterai 24V/2.5Ah.
Tabel 1. Pengujian Laboratorium
3.HASILDANPEMBAHASAN
No
3.1. Blok diagram sistem MPPT
Gambar 4 menunjukkan blok diagram dari system
MPPT yang dibuat dalam penelitian ini. Beban yang
digunakan adalah berupa beban DC dan baterai.
1
2
3
Pin
(W)
Pout
(W)
Efisiensi
(%)
23.743
23.060
24.248
10.666
9.294
10.801
43.523
39.741
44.717
Tabel 1, Gambar 7 dan Gambar 8
menjelaskan bahwa pada pengujian di laboratorium
sistem MPPT menggunakan algoritma tegangan
konstan, P&O serta Incremental Conductance
berturut-turut menghasilkan daya keluaran rata-rata
sebesar 10,666 Watt, 9,294 Watt dan 10,801 Watt.
Algoritma Incremental Conductance pada tegangan
dan arus masukan yang sama serta beban resistif
yang sama mempunyai daya rata-rata keluaran yang
besar dibandingkan kedua algoritma yang lain.
Efisiensi rata-rata yang dihasilkan berturut-turut
adalah 43,523%, 39,741% dan 44,717% seperti
ditunjukkan pada Gambar 9. Jadi, algoritma
Incremental
Conductance
lebih
efisien
dibandingkan dengan algoritma tegangan konstan
dan P&O. Daya yang konversikan oleh algoritma
incremental conductance lebih besar dibandingkan
algortima yang lain.
Grafik Daya Input
28
26
24
Daya (W)
Gambar 4. Blok diagram sistem MPPT
3.2. PerancanganBoost Converter
Spesifikasi perancangan boost converter yang
dibuat dalam sistem MPPT adalah:
Tegangan Masukan
Vin
: 17,4 volt
Tegangan Keluaran
Vout
: 27,6 volt
Tegangan ripple keluaran Vrr
: 10mV
Arus searah keluaran rata-rata Io : 3A
Frekuensi pensaklaran
fs
:50 kHz
Arus keluaran minimum I1
: 0,1 x Io
Tegangan keluaran yang diinginkan adalah 27,6 volt
untuk mengisi baterai sebesar 24 volt
(menghubungkan seri dua baterai 12 volt).
Tegangan terendah yang digunakan untuk mengisi
baterai 24 volt adalah sebesar 27,6 volt. Gambar 5
menunjukkan desain rangkaian boost converter
Mode
Voltage
Constan
P&O
Inc.Cond
P Input Inc
P Input VC
P Input PO
22
20
18
16
0
20
40
60
80
Time (s)
100
120
140
Gambar 7. Perbandingan Daya input pengujian
laboratorium
Grafik Daya Output
15
Grafik Daya Output
20
P Output Inc
P Output VC
P Output PO
18
16
14
10
Daya (W)
Daya (V)
12
P Output Iinc
P Output VC
P Output PO
10
8
6
5
4
2
0
0
0
20
40
60
80
Time (s)
100
120
500
1000
1500
2000
2500 3000
Time (s)
3500
4000
4500
5000
Gambar 11. Perbandingan Daya keluaran pengujian
lapangan
Gambar 8. Perbandingan Daya output pengujian
laboratorium
Grafik Efisiensi
60
0
140
Grafik Efisiensi
70
Eff Inc
Eff VC
Eff PO
60
50
50
Efisiensi (%)
Efisiensi (%)
40
Eff Inc
Eff VC
Eff PO
30
40
30
20
20
10
10
0
0
0
20
40
60
80
Time (s)
100
120
140
Gambar 9. Perbandingan efisiensi pengujian
laboratorium
Tabel 2. Pengujian Lapangan.
No
1
2
3
Mode
Voltage
Constan
P&O
Inc.Cond
Pin
(W)
Pout
(W)
Efisiensi
(%)
15.993
18.474
26.174
5.275
6.358
10.071
32.263
33.351
38.568
Pada pengujian dilapangan daya yang
dihasilkan sangat tergantung dari kondisi cuaca.
Dari Tabel 2, Gambar 10 dan Gambar 11 terlihat
bahwa daya masukan rata-rata untuk algoritma
tegangan konstan, P&O dan Incremental
Conductance berturut-turut adalah 15,993 Watt,
18,474 Watt dan 26,174 Watt, sedangkan daya
keluaran rata-rata adalah 5,275 Watt, 6,358 Watt
dan 10,071 Watt.
Grafik Daya Input
60
P Input Inc
P Input VC
P Input PO
50
Daya (W)
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
2500 3000
Time (s)
3500
4000
4500
5000
Gambar10. Perbandingan Daya masukan pengujian
lapangan
0
500
1000
1500
2000
2500 3000
Time (s)
3500
4000
4500
5000
Gambar 12. Perbandingan nilai efisiensi pengukuran
lapangan
Algoritma Incremental Inductance juga
mempunyai efisiensi rata-rata yang tinggi
dibandingkan
dengan
algoritma
yang
lainnya.Efisiensi yang dihasilkan oleh algoritma ini
juga cenderung konstan karena respon yang cepat
dalam mencari titik maksimumnya.Hal ini
disebabkan karena kenaikan dan penurunan duty
cycle yang sangat cepat berdasarkan nilai
konduktansi masukannya. Nilai efisiensi dari
algoritma tegangan konstan, P&O dan Incremental
Conductance berturut-turut adalah 32,263%,
33,351% dan 38,568% seperti ditunjukkan pada
Gambar 12.
Pengujian lain dilakukan dilabaoratorium
dengan menggunakan beban motor 24 Vdc dan
beban resistif murni yaitu 47Ω/20W. Power supply
sebagai simulator dari PV diatur pada tegangan 12
V dan arus 3 A. Hasil pengujian ditunjukkan pada
Tabel 3 dengan memvariasi algoritma yang
digunakan. Pengujian dengan menggunakan variasi
beban bertujuan untuk mengetahui kehandalan dari
sistem MPPT yang dibuat karena pada kondisi
lapangan beban yang digunakan untuk kebutuhan
sehari-hari berbeda-beda baik beban resistif maupun
beban induktif. Tabel 4.3 menjelaskan bahwa
algoritma incremental conductance menghasilkan
efisiensi rata-rata yang paling besar dibandingkan
dengan algoritma yang lain yaitu 50,975%, daya
rata-rata yang dihasilkan juga lebih besar yaitu
4,673W. Sedangkan Tabel 4 menjelaskan hasil
pengujian dengan menggunakan beban resistif
murni 47Ω/20W, terlihat bahwa algortima
Incremental Inductance menunjukkan efisiensi yang
paling besar dibandingkan dengan algoritma yang
lain. Efisiensi rata-rata yang dihasilkan adalah
56,142% dengan daya keluaran rata-rata 10,880W.
Pengujian beban resistif murni memberikan hasil
perbandingan yang tidak terlalu signifikan karena
beban dianggap ideal tidak ada rugi-rugi lain seperti
induksi balik pada beban motor atau pada beban
lampu yang mempunyai nilai kapasitif meskipun
sangat kecil.
Tabel 3. Pengujian Laboratorium beban induktif (motor).
Pin
Pout
No
Mode
Eff (%)
(W)
(W)
Voltage
1
8,980
4,450
49,430
Constan
2
P&O
9,069
4,508
49,697
3
Inc.Cond
9,184
4,673
50,975
Tabel 4. Pengujian Laboratorium beban resistif murni
47Ω/20W.
Pout
No
Mode
Pin (W)
Eff (%)
(W)
Voltage
1
17,741
9,428
52,565
Constan
2
P&O
19,382
10,857
56,073
Inc.Con
3
18,861
10,880
56,142
d
4.KESIMPULAN DAN SARAN
4.1. KESIMPULAN
Dari data-data yang diperoleh dari pengujian
alat, maka dapat diambil kesimpulan sebagai
berikut:
1. Perancangan alat atau modul MPPT
dengan mengimplementasikan algoritma
tegangan konstan, P&O dan Incremental
Conductance pada sistem photovoltaic ini
menggunakan DC-DC Converter topologi
boost converter yaitu menaikkan tegangan
12 V sampai 17,4 V menjadi tegangan 24
sampai 27,6 Volt dengan frekuensi
switching sebesar 50 kHz, efisiensi yang
dihasilkan boost converter mencapai 90%,
sedangkan
efisiensi
dari
modul
photovoltaic setelah dikurangi rugi-rugi
boost converter sebesar 84,5%.
2. Hasil perbandingan ketiga algoritma sistem
MPPT dalam menentukan titik daya
maksimum dengan pengujian mengunakan
beban bervariasi (Lampu, Motor dan beban
resistif murni) menunjukkan bahwa
algoritma Incremental conductance lebih
effisien dibandingkan dengan algoritma
Tegangan Konstan atau Perturb and
Observe, sehingga algoritma Incremental
Conductance
yang
akan
diimplementasikan
untuk
pemakaian
dilapangan dengan skala PV yang lebih
besar.
3.
Pada pengujian laboratorium efisiensi ratarata algoritma Tegangan Konstan, Perturb
and Observe dan Incremental Conductance
berturut-turut adalah 43,523%, 39,741%
dan 44,717%. Sedangkan, pada pengujian
lapangan efisiensi rata-rata algoritma
Tegangan Konstan, Perturb and Observe
dan Incremental Conductance berturutturut adalah 32,263%, 33,351% dan
38,568%.
4.2. SARAN
1. Meningkatkan Efisiensi sesuai standar untuk
sistem PV yaitu 92% sampai 95% dengan
pemilihan komponen-komponen elektronika
yang mempunyai rugi-rugi kecil atau ESR
(Equivalent
Series
Resistor)
rendah.
Komponen-komponen elektronika yang perlu
diperhatikan adalah MOSFET, Dioda,
Induktor dan Kapasitor.
2. Kontrol MPPT menggunakan sistem BuckBoost converter yaitu menurunkan dan
menaikkan tegangan kerja PV.
3. Pengontrolan MPPT dilakukan pada sistem
inverter dengan standart THD (Total
Harmonic Distorsion) tegangan 2% dan THD
arus 5% [StandartIEC 1000-3-2 (EN 610003-2) dan IEC 1000-3-3 (EN 61000-3-3)].
5.DAFTAR PUSTAKA
[1] J.Hamilton Scott “Sun-Tracking Solar Cell
Array” Department of computer science and
Electrical
Engineering,
University
of
Queensland.
[2] D.Sera, T. Kerekes “Improved MPPT method for
rapidly
changing
environment
conditions,”journal Aalborg university/Institute
of Energy Technology,Aalborg,denmark
[3] Faranda, Roberto. Leva, Sonia. 2008. “Energy
comparison of MPPT techniques for PV
Systems”. Italia.
[4] Joe-Air Jiang,Tsong-Liang,Ying Tung Hsiao and
Chia-Hong Chen,”Maximum Power Tracking for
Photovoltaic Power System,”Journal of Science
and Engineering,vol.8,No 2,pp.147-153(2005)
[5] J.Kouto,A.El-Ali,N.Moubayed
and
R.Outbib,”Improving
the
incremental
conductance control method of a solar energy
convertion system,” Departement of Electrical
Engineering Faculty of Engineering-Lebanese
University
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Sistem bumi dan
matahari
[7] http://www.timegenie.com/latitude_and_longitud
e/state_coordinates/idjw
[8] Akhiro Oi,”Design and simulation of
photovoltaic water pumping system,”presented to
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
the Faculty of California Polytechnic State
University.
D.C
Riawan,C.V
Nayar,”Design
and
Implemantation of P-I based MPPT scheme
for PV modules Operated on Wide Temperatur
Range,” Department of Electrical & Computer
Engineering, Curtin University of Technology
Australia
Mohan, Ned. Undeland, Tore M. Robbins,
William P. 1995. “Power Electronics
Converters, Applications, And Design”. New
York. John Wiley & Sons, Inc.
“MSX-77 and MSX-83 Photovoltaic Modules”
1999 193.190.56.244/~jelsen/msx83.pdf .
T.Tafticht,K.Agbossou and M.L.Doumbia.”A
new MPPT method for photovoltaic systems
used for hydrogen production,” The
International journal for computation and
mathematics in Electrical and Electronic
Engineering vol.26 No.1. 2007 pp.62-74.
Dariusz Czarkowski,”DC-DC Converter in
Power Electronic Handbook” Editing by
Rashid,Muhammad H, University of Florida.
Mann Kin (Eddie) Lee and Chem Nayar
“Implementation of Photovoltaic Maximum
Power
Point
Tracking
using
a
Microcontroller” Curtin University of
Technology.
Elsevier’s Science & Technology Right
Department in Oxfort “Solar Energy
Engineering Process and System”, 2009
Rosaidi Bin Roslan,“A maximum Power Point
Tracking
Converter
For
Photovoltaic
Application”, 2009