Sistem MPPT Untuk PV dan Inverter Tiga Fasa yang

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
1
Sistem MPPT Untuk PV dan Inverter Tiga Fasa yang
Terhubung Jala-Jala Menggunakan
Voltage-Oriented Control
Andi Novian L , Mochamad Ashari, Vita Lystianingrum
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Abstrak - Photovoltaic (PV) adalah komponen
semikonduktor yang merubah energi cahaya menjadi energi
listrik. Daya listrik yang dihasilkan sel surya diperoleh dari
kemampuan sel surya untuk memproduksi tegangan dan arus
yang melalui beban pada waktu yang sama. Untuk
mendapatkan performansi daya puncak sel surya digunakan
maximum power point tracking (MPPT) dengan menganalisa
perubahan irradiasi. Sel surya menghasilkan arus dan
tegangan searah (dc). Untuk dapat menghasilkan keluaran
dengan daya maksimum dibutuhkan boost konverter yang
terhubung dengan inverter tiga fasa. Tugas akhir ini
menyajikan perancangan sistem photovoltaic dan inverter
berbasis MPPT Voltage-Oriented Control (VOC) yang tersusun
atas dua loop pengaturan yang berupa kontrol tegangan dc
pada boost konverter dan kontrol arus pada inverter. Kontrol
arus disini merupakan pengontrolan dari orthogonal sinkron
d,q frame. Arus referensi dari proporsional-integral (PI) yaitu
d-axis yang berasal dari nilai set point yang telah ditentukan.
Selain itu untuk memperoleh unity power factor nilai dari qaxis disetting sama dengan nol. Hasil simulasi menunjukkan
ketika sistem diberi beban dan tanpa beban terdapat
perbedaan nilai daya yang disalurkan ke grid.
Kata kunci - Photovoltaic (PV) , MPPT, VOC
I. PENDAHULUAN
i era globalisasi saat ini, kebutuhan akan sumber
energi listrik menjadi faktor utama dalam kehidupan.
Berbagai rutinitas kegiatan yang dilakukan manusia seharihari tidak jauh dengan barang elektronik sehingga membuat
listrik menjadi kebutuhan pokok. Dengan semakin
banyaknya permintaan akan listrik membuat kontinyuitas
akan pasokan listrik semakin tinggi, sehingga membuat
kinerja pembangkit semakin berat serta minyak bumi
sebagai bahan bakar pembangkit semakin menipis. Untuk
itu perlu adanya inovasi pembangkit listrik yang berasal
dari energi terbarukan, sebagai contohnya adalah
photovoltaic (PV). Photovoltaic array (PVA) dapat
menghasilkan daya yang dapat berubah-ubah sesuai dengan
intensitas cahaya yang diterima oleh PVA. Semakin banyak
cahaya yang diterima, maka semakin banyak pula daya
yang dapat dibangkitkan.
Dengan menganalisa masukan module photovoltaic
dan memanfaatkan kemampuan kapasitas puncak module
photovoltaic diharapkan efisiensi konversi dapat maksimum
dan PV dapat memberikan daya keluaran sesuai dengan
kapasitas. Maximum power point tacker (MPPT) adalah
suatu sistem elektronik untuk mencari point (titik)
maksimum dari daya dengan melihat tegangan dan arus
masukan atau dengan melihat irradiasi dan temperatur pada
aplikasi solar photovoltaic. Ada dua tipe konfigurasi dari
PV sistem yang terhubung ke tegangan jala-jala, yaitu satu
tahap atau dua tahap. Pada sistem dua tahap, yang pertama
yaitu menggunakan boost converter untuk dapat
memaksimalkan tegangan dari PV array dan mencari daya
maksimalnya. Yang kedua yaitu membuat daya yang
dihasilkan PV menjadi tegangan bolak-balik dan dapat
dihubungkan dengan tegangan jala-jala secara bersamaan
[1].
II. URAIAN DESAIN SISTEM
Pemodelan sistem untuk Tugas Akhir ini adalah
seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Pemodelan sistem ini
hanya menunjukkan blok diagram yang berupa subsistem
yang didalamnya terdapat rangkaian yang lebih kompleks
lagi. Tujuan pemodelan sistem ini adalah untuk
mempermudah pembaca dalam melihat sistem secara
keseluruhan.
D
Gambar 1. Pemodelan sistem keseluruhan
Pada bagian yang pertama terdapat permodelan dari
Photovoltaic (PV) yang disimulasikan dalam sebuah PC
dan akan memberikan nilai tegangan, arus serta daya sesuai
dengan irradiasi dan suhu yang diberikan. Hasil simulasi
untuk tegangan pada PV tersebut menjadi nilai refrensi
pengontrol tegangan pada bagian VOC. Pada bagian
selanjutnya terdapat rangkaian DC-DC converter jenis
boost konverter yang berfungsi untuk menaikan nilai
tegangan dari sumber DC agar tegangan yang tersalurkan
ke inverter tetap pada ratingnya. Selanjutnya pada bagian
inverter yang merupakan rangkain DC-AC konverter di
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
kontrol oleh VOC juga yang didalamnya terdapat kontrol
arus pada inverter, kontrol arus disini merupakan
pengontrolan dari orthogonal sinkron d,q frame. Arus
referensi dari proporsional-integral (PI) yaitu d-axis yang
berasal dari nilai set point yang telah ditentukan.[1].
A. Karakteristik PV
Sel surya atau PV merupakan suatu komponen
semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika
diberikan sejumlah energi cahaya. Adapun karakteristik
besarnya daya yang dapat dikeluarkan oleh PV bergantung
pada besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan
PV dan suhu pada permukaan PV.[3]. Pada Gambar 2 dan
Gambar 3 menunjukkan pengaruh besarnya intensitas
cahaya matahari dan suhu pada sel surya.
2


I  I L  I O e q V  IRS  / nkT  1
I L  I L T1  1  K 0 T  T1 
(2)
I LT1  G  I SCT1, nom / Gnom
(3)
K 0  I SC T 2   I SC T 1 / T2  T1 
(4)
I 0  I O (T 1)  T / T1 3 / n  e
I O (T 1)  I SC (T 1) /(e

(1)

 qVg / nk 1 / T 1 / T1 
qVOC ( T 1 ) / nkT1
)
(5)
(6)
RS   dV / dIVOC  1 / X V
(7)
qV
/ nkT1
X V  I O(T 1)  q / nkT1  e OC (T 1)
(8)
Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya Solarex
MSX60 dengan spesifikasi ditunjukkan pada Tabel 1
dengan keluaran daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari
36 PV dengan diode jenis crystalline yang dirangkai secara
seri.
Tabel 1
Parameter Panel Surya Solarex MSX-60
Gambar 2. Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari terhadap Sel Surya Grafik
I-V (kiri) dan Grafik P-V (kanan)
Gambar 3. Pengaruh Suhu terhadap Sel Surya Grafik I-V (kiri) dan Grafik
P-V (kanan)
Pemodelan PV yang kita gunakan pada tugas akhir ini
dapat dilihat pada Gambar 4.
Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan
nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan
pemasangan PV secara seri dan paralel. Persamaan untuk
penentuan pemasangan PV secara seri dan paralel :
M
I   iNb
1 I i
V   iNm
1Vi
M
(9)
(10)
Dengan berasumsi bahwa irradiasi dan suhu yang
diterima oleh setiap modul PV sama besar maka :
I  NB  I M
Gambar 4. Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)
Persamaan untuk rangkaian ekuivalen Gambar 4
dalam menentukan kurva karakteristik I-V output sel surya
adalah [2]:
V  N B V
(11)
M
(12)
Dari persamaan 11 dan 12 didapatkan bahwa modul
PV terhubung sebanyak 18 seri dan 8 paralel. Pemodelan
PV pada Matlab untuk tugas akhir ini ditunjukkan pada
Gambar 5.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
Gambar 5. Model Sel Surya pada Matlab
B. Boost Konverter
Desain dari boost-converter ini menggunakan
komponen yang ada pada SimPower System environment
dalam Matlab Simulink. Boost konverter digunakan untuk
menaikkan tegangan DC [6] dan boost konverter ini
mempunyai dua komponen penting seperti yang disebutkan
diatas yaitu sebuah induktor dan sebuah kapasitor. Adapun
gambar rangkaian dari boost konverter diperlihatkan pada
Gambar 6. Adapun persamaan yang digunakan untuk
mencari besarnya tegangan output :
Vo 
Vin
1 D
3
C. Voltage Oriented Control
Voltage Oriented Control merupakan metode MPPT
yang digunakan dalam tugas akhir ini. Metode ini
merupakan metode yang tersusun atas dua bagian loop
pengaturan yang terpisah, yaitu pengaturan tegangan pada
bagian dc-link yang akan digunakan sebagai pengaturan
duty-cyle pada boost konverter dan pengaturan arus pada
bagian ac-link. Pengaturan arus ini menggunakan
orthogonal sinkron d, q frame. Nilai referensi arus pada
kontroler P-I yaitu pada sisi d-axis yang ditentukan
berdasarkan set-point. Selain itu untuk memperoleh unity
power factor nilai dari q-axis disetting sama dengan nol.[1].
Algoritma kontrol tegangan ini mencakup langkah-langkah
sebagai berikut :
1) Ukur tegangan PV saat daya maksimum.
2) Berikan nilai set point sesuai tegangan saat daya
maksimum.
3) Referensi tegangan PV ini kemudian digunakan untuk
duty cycle yang dibandingkan dengan PWM sebagai
switch IGBT pada boost konverter.
(13)
Adapun dalam menentukan parameter komponen yang
digunakan diperoleh melalui persamaan :
Lmin 
1  D 2  D  R
2f
(14)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan
persamaan :
C
Vo  D
VR  R  f
(15)
Gambar 8. Algoritma kontrol tegangan
Sedangkan algoritma kontrol arus ini mencakup langkahlangkah sebagai berikut :
1) Ukur arus referensi dari saluran ke grid.
2) Arus referensi 3 fasa ini kemudian dirubah ke bentuk
orthogonal sinkron dq-frame.
3) Memberikan nilai set-point pada Id.
4) Kemudian nilai dari set-point Id dan arus referensi
akan diolah oleh kontroler PI
5) Dari kontroler PI ini kemudian orthogonal sinkron dq
dirubah kembali ke bentuk 3 fasa untuk masukan pada
SVPWM yang merupakan kontrol pada switch IGBT
di inverter.
Gambar 6. Gambar Rangkaian Boost
Gambar 9. Algoritma kontrol arus
Gambar 7. Konverter Boost pada Matlab
D. Inverter
Dalam tugas akhir, ini inverter digunakan untuk
mentransformasi tegangan dari DC mennjadi AC. Inverter
tiga fasa terdiri dari enam IGBT yang dihubungkan dengan
svpwm generator. Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini
ditunjukkan pada Gambar 10.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
4
Gambar 10. Desain Inverter Tiga fasa pada simulink
III. KONFIGURASI SISTEM
Sistem PV-grid yang digunakan pada tugas akhir ini
diperlihatkan pada Gambar 11. Sistem PV-grid yang
diperlihatkan oleh Gambar 11 terdiri dari 5 bagian penting,
diantaranya adalah: PV, VOC, konverter boost, inverter,
dan grid.
a.
b.
c.
d.
e.
IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA
A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi
Suhu yang digunakan = 25 0 C
- Daya Wattpeak PV = 8032 W (Saat intensitas
cahaya matahari = 1000 W/m2)
- Tegangan PV = 377.4 volt (saat kondisi wattpeak)
Konverter Boost
1. Induktor = 5 mH
2. Kapasitor = 10 mFarad
3. Frekuensi switching = 10 kHz
Inverter
- Tegangan referensi = 220√2 V
- Induktor = 5 mH
Grid
- Tegangan grid = 220√2 V
B. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan Beban
Bervariasi
Pengujian
ini
digunakan
untuk
mengetahui
karakteristik dari model PV. Adapun karakteristik dari PV
dapat dilihat dari kurva hubungan antara arus-tegangan (IV) dan kurva hubungan daya-tegangan (P-V). Pengujian
model PV untuk mengetahui karakteristik I-V dan P-V ini
dapat dilakukan dengan menghubungkan PV dengan beban
yang bervariasi antara 0.001 – 1000 Ω. Pengujian dilakukan
pada dua keadaan intensitas sinar matahari yakni 800 W/m2,
dan 1000 W/m2.
Tabel 2
Data Daya Max, Vmp, dan I mp
Iradiansi
(kW/m2)
0.8
1
Pmax (W)
6352
8032
V mp (V)
295,6
296,3
Imp (A)
26.94
21.11
Gambar 12. Grafik Perbandingan Tegangan dan Daya
Gambar 13. Grafik Perbandingan Tegangan dan Arus
C. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT
dan Beban Bervariasi
Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan
model PV dengan hambatan yang nilainya berubah.
Pengujian ini dilakukan pada dua kondisi, yakni sebelum
menggunakan MPPT dan setelah menggunakan MPPT.
Adapun data yang akan dianalisis adalah daya PV sebelum
dan sesudah menggunakan MPPT. Pengujian dan analisis
dilakukan pada dua keadaan intensitas sinar matahari yakni
800W/m2, dan 1000W/m2.
Tabel 3
Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban
Bervariasi
Irad
(kW/m^2)
0.8
1
Pmax
(W)
6352
8032
P PV tanpa
MPPT (W)
2994.03
3389.67
P PV dengan
MPPT (W)
6170.67
7937
Berdasarkan Tabel 3. Terlihat bahwa daya rata-rata
PV adalah
Daya Rata-Rata tanpa MPPT
= 3191.85 W
Daya Rata-Rata menggunakan MPPT
= 7053.84 W
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
5
Gambar 11. Gambar Sistem Keseluruhan
D. Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban
Dalam
pengujian
ini
dilakukan
dengan
menggabungkan semua komponen dari sel surya sampai
grid. Pemodelan sederhana pengujian dapat ditunjukkan
pada Gambar 14.
Gambar 15 Hasil Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban Irrad
1000W/m2
Gambar 14. Pemodelan Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban
Tabel 4
Data Daya PV, Daya Output, VLine dan I d-ref
Iradiansi
(kW/m2)
0.8
1
PPV (W)
Pout (W)
VL-N (V)
Id-ref
6352
8032
6060
7930
311
311
13
17
Dari Hasil pengujian dengan tingkat intensitas cahaya
matahari 1000 W/m2 dan 800 W/m2 serta suhu ambient 25̊C
didapatkan hasil keluaran seperti pada Gambar 15 dan
Gambar 16. Terlihat pada Gambar 15 dan Gambar 16
bahwa daya dari PV dan daya output saat irradiasi 1000
W/m2 dan 800 W/m2 nilainya hampir sama besar sesuai
dengan nilai pada Tabel 4.
Gambar 16 Hasil Pengujian Sistem Keseluruhan Tanpa Beban Irrad
800W/m2
E. Pengujian Sistem Keseluruhan Dengan Beban
Bervariasi
Dalam
pengujian
ini
dilakukan
dengan
menggabungkan semua komponen dari sel surya sampai
grid dengan beban yang berubah-ubah. Pemodelan
sederhana pengujian dapat ditunjukkan pada Gambar 17.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
6
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Allah SWT
yang telah memberikan semua apa yang saya minta, terima
kasih juga kepada kedua orang tua saya dan kedua kakak
saya yang telah memberikan dukungan morilnya melalui
doa, dan terima kasih juga kepada pembimbing saya Bapak
Mochamad Ashari dan Ibu Vita Lystianingrum, serta tidak
lupa saya berterima kasih kepada para teman-teman saya
yang senantiasa membantu saya dalam menyelesaikan tugas
akhir ini dengan baik.
Gambar 17. Pemodelan Dalam Pengujian Sistem Keseluruhan Dengan
Beban Bervariasi
Dari hasil pengujian dengan memvariasikan nilai beban
antara 4000 Ω sampai 6000 Ω dengan tingkat intensitas
cahaya matahari sebesar 1000 W/m2 dan suhu ambient 25̊C
didapatkan hasil simulasi seperti pada pada Gambar 16.
Pada Gambar 18 memperlihatkan bahwa ketika sistem
diberi perubahan beban daya ouput yang akan disalurkan ke
grid berkurang sebesar nilai beban yang diberikan, karena
daya yang akan disalurkan akan menyuplai beban terlebih
dahulu.
Gambar 18 Hasil Pengujian Sistem Keseluruhan Dengan Beban Bervariasi
Irrad 1000W/m2
V. KESIMPULAN
1. Dengan menggunaan sistem Maximum Power Point
Traking (MPPT) pada sistem panel surya dapat
memaksa panel surya menghasilkan daya keluaran
yang maksimum pada berbagai kondisi irradiasi.
2. Model PV dalam tugas akhir ini mendekati spesifikasi.
Model PV memiliki error daya keluaran sebesar 4%,
error tegangan pada daya maksimum sebesar 1.75%,
error arus maksimum sebesar 2.85%.
3. Dengan menggunakan metode Voltage Oriented
Control Sistem PV dalam tugas akhir ini mengalirkan
daya secara optimal sesuai perubahan irradiasi ketika
tanpa beban.
4. Ketika Sistem PV diberi beban yang bervariasi nilai
daya yang tersalurkan ke grid akan berkurang sebesar
beban yang diberikan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Riad Kadiri, Jean-Paul Gaubert, “An Improved
Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic
Grid-Connected Inverter Based on Voltage-Oriented
Control,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 1,
Jan. 2011.
[2] Geoff Walker, "Evaluating MPPT Converter
Topologies Using A Matlab PV Model” Dept of
Computer Science and Electrical Engineering,
University of Queensland, Australia.
[3] T. Tafticht, K. Agbossou, M.L. Doumbia, A. Cheriti,
“An Improved Maximum Power Point Tracking
Method for Photovoltaic Systems”, Elsevier
Renewable Energy 33, 1508-1516, October, 2007.
[4] Hansen A. D., Sorensen P., Hansen L. H., Bindner H.
“Models for a stand alone PV system”., Riso National
Laboratory, 2000.
[5] Chang, Yuen-Haw, dan Chang, Chia-Yu, “Maximum
Power Point Tracking of PV System by Scaling Fuzzy
Control”, Proceeding IMECS, Hong Kong, March,
2010.
[6] Rashid M.H, “Power Electronics Handbook”,
Academic Press, 2007.