desain dan implementasi multi-input konverter dc-dc

DESAIN DAN IMPLEMENTASI MULTI-INPUT KONVERTER DC-DC PADA
SISTEM TENAGA LISTRIK HIBRIDA PV/WIND
Yahya Dzulqarnain, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng., Dedet Chandra
Riawan, ST., M.Eng., Ph.D.
Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
Abstrak—Aplikasi
sistem
tenaga
listrik
menggunakan energi surya (photovoltaic) maupun
energi angin (wind turbine) telah meningkat secara
signifikan karena pertumbuhan berbagai teknik
dalam elektronika daya yang sangat cepat. Pada
umumnya, energi surya dan energi angin saling
melengkapi karena jumlah energi surya yang
melimpah pada saat cuaca cerah atau siang hari
dan biasanya angin berhembus kencang pada
cuaca mendung atau malam hari.
Pada tugas akhir ini dirangcang sebuah
konverter DC-DC multi-input untuk sistem
hibrida PV/Wind. Tujuan dari tugas akhir ini
untuk menghasilkan daya yang stabil yang
mampu menyuplai DC Bus dari daya masukan
sistem hibrida PV/Wind. Konverter DC-DC multiinput membutuhkan sebuah pengaturan untuk
proses switching tegangan masukan. Pengaturan
ini dilakukan dengan mengubah duty cycle pada
pulsa PWM yang digunakan untuk kontrol
switching tersebut. Dengan demikian diharapkan
sistem hibrida PV/Wind dapat mengalirkan daya
baik pada saat sumber energi bekerja bersamasama maupun saat bekerja secara terpisah.
Kata kunci: Multi-input DC-DC converter, hybrid
power system, photovoltaic, wind turbine, buck
converter, buck-boost converter.
I.
PENDAHULUAN
Pemanfaatan sumber energi terbarukan seperti
energi surya atau energi angin semakin meningkat
secara signifikan. Ketersediaan energi surya dan
energi angin bergantung pada waktu, cuaca dan
musim. Pada umumnya, energi surya dan energi
angin saling melengkapi, jumlah energi surya yang
melimpah pada saat cuaca cerah atau siang hari dan
energi angin bertambah pada saat cuaca mendung
atau malam hari.
Seiring dengan perkembangan teknologi
elektronika daya yang cepat, konversi sumber energi
terbarukan menjadi energi listrik memegang peranan
penting untuk mencapai hasil yang optimal. Dengan
melihat karakteristik umum energi surya dan energi
angin, kedua macam energi ini dapat dipadukan
menggunakan teknik hibrida sehingga diharapkan
dapat
menyuplai
tenaga
secara
kontinyu
dibandingkan jika energi-energi ini digunakan secara
terpisah.
Teknik hibrida diantaranya digunakan untuk
menggabungkan beberapa jenis pembangkit listrik
Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS
baik antara pembangkit listrik yang tidak dapat
diperbarui dengan pembangkit listrik yang dapat
diperbarui maupun antar pembangkit listrik yang
dapat diperbarui. Teknik ini menggunakan pengendali
untuk mengoptimalkan pemanfaatan masing-masing
sumber energi dan pada umumnya menggunakan
baterai sebagai penyimpan energi sementara.
Konversi energi surya dan energi angin menjadi
energi listrik menggunakan teknik hibrida dapat
menggunakan dua konverter untuk masing-masing
sumber energi ataupun satu konverter yang
terintegrasi dengan dua macam sumber energi sebagai
masukan. Pengendalian sistem konversi energi
dengan teknik ini disesuaikan dengan ketersediaan
energi surya dan energi angin dan diharapkan mampu
menyuplai tenaga secara kontinyu sehingga dapat
mengurangi dampak buruk penggunaan baterai.
Pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah
konverter DC-DC multi-input sebagai alternatif solusi
untuk memadukan dua sumber energi terbarukan
yaitu energi surya dan energi angin sehingga dapat
menyederhanakan dalam mengatur pemakaian
sumber energi tersebut, menyederhanakan desain dan
mengurangi biaya. Selanjutnya, dalam tugas akhir ini
akan dianalisa daya keluaran dari konverter DC-DC
multi-input yang dihasilkan dari pengaturan duty
cycle pada pulsa PWM (Pulse Width Modulation).
Pulsa PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler
AVR ATMega8 digunakan untuk melakukan proses
switching tegangan masukan konverter DC-DC multiinput menggunakan komponen MOSFET. Nilai dari
duty cycle akan diubah-ubah secara manual
berdasarkan persamaan tegangan dan arus yang
digunakan pada konverter tersebut. Dengan sistem ini
diharapkan konverter DC-DC multi-input dapat
menghasilkan daya keluaran yang kontinyu dan
stabil.
II. KARAKTERISTIK INPUT PV, INPUT
WIND, KONVERTER DC-DC MULTIINPUT
2.1. Photovoltaic
Photovoltaic atau panel surya merupakan suatu
sumber energi listrik yang memanfaatkan cahaya
matahari sebagai sumber energi dan diubah menjadi
energi listrik. Cara kerja panel surya sendiri
sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor
dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan panel surya
dan diserap oleh bahan semikonduktor bertipe p dan n
(p-n junction semiconductor) terjadi pelepasan
1
elektron. Apabila elektron tersebut dapat menempuh
perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada
lapisan yang berbeda maka akan terjadi perubahan
sigma gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan
semikonduktor akan menyebabkan aliran medan
listrik dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke
saluran awal dan akhir untuk digunakan pada
peralatan listrik, sehingga akan terbangkit arus DC.
2.1.1 Karakteristik Panel Surya
Penentuan karakteristik panel surya dilakukan
dengan melakukan pengujian dan pengambilan data
secara langsung. Pengujian dan pengambilan data
dilakukan pada berbagai kondisi. Panel surya yang
digunakan merupakan tipe BPSX60V.
P(W)
45.00
40.00
35.00
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
0
2.2.1 Karakteristik Permanent Magnet DC
Generator
Penentuan karakteristik generator DC magnet
permanen dilakukan dengan melakukan pengujian
dan pengambilan data secara langsung. Generator DC
yang digunakan merupakan sebuah motor DC magnet
permanen tipe Hitachi 30VDC. Pengujian dilakukan
dengan memberikan putaran pada motor Hitachi
30VDC menggunakan motor lain yang dihubungkan
dengan belt sehingga motor dapat berfungsi sebagai
generator. Pengujian tersebut dilakukan pada kondisi
kecepatan motor yang berbeda-beda dengan tujuan
untuk mendapatkan data arus dan tegangan pada
kondisi yang berbeda.
P(W)
± 974
W/m2
± 700
W/m2
± 483
W/m2
5
10
15
20
V(V)
Gambar 1. Karakteristik
P-V
panel
surya
BPSX60V pada irradiance ± 974 W/m2,
± 700 W/m2, dan ± 483 W/m2
Pada setiap pengambilan data arus dan
tegangan, dilakukan juga pengukuran arus hubung
singkat (I_sc) dan tegangan rangkaian terbuka (V_oc).
Pendekatan nilai irradiance dihitung dengan cara
membandingkan I_sc hasil pengujian dengan I_sc
pada data spesifikasi dari panel surya BPSX60V,
kemudian hasil perbandingan tersebut dikalikan
dengan nilai irradiance yang ada pada data spesifikasi
panel surya BPSX60V.
2.2. Wind Turbine
Wind Turbine merupakan salah satu bagian
penting pada pembangkit listrik tenaga angin yang
berperan untuk mengubah energi kinetik angin
menjadi energi mekanik untuk menggerakkan
generator.
Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan
prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan
setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin
angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik
(yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan
angin). Energi kinetik yang hilang ini dikonversikan
menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin,
turbin angin ini terhubung dengan rotor dari
generator. Generator ini yang berfungsi mengubah
energi mekanik menjadi energi listrik.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
200
400
RPM
600
Gambar 2. Kurva P-RPM generator DC magnet
permanen Hitachi 30VDC
2.3. KONVERTER DC-DC MULTI-INPUT
Konvertee DC-DC multi-input merupakan
sebuah perkembangan teknologi elektronika daya
dimana dua atau lebih konverter DC-DC digabungkan
baik secara paralel maupun seri untuk menyuplai
beban yang sama dari beberapa sumber yang berbeda
karakteristiknya. Sebelum digunakan konverter DCDC multi-input biasanya digunakan konverter yang
terpisah untuk masing-masing sumber seperti
ditunjukkan pada gambar 3, keluaran dari masingmasing konverter selanjutnya dihubungkan dengan
DC Bus agar tegangan keluarannya sama dan stabil.
Sehingga untuk mengurangi biaya maka sistem
tersebut digabungkan seperti pada gambar 4.
Gambar 3. Topologi double DC-DC converter
berdiri sendiri-sendiri
Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS
2
rangkaian terbuka. Di sisi lain V2 mati sehingga dioda
daya D2 akan menyediakan jalur bypass untuk
induktor seperti ditunjukkan pada gambar 6. Dalam
mode ini V1 akan menyuplai komponen penyimpanan
daya induktor(L) dan Kapasitor(C) dan juga
menyuplai daya ke beban(R).
Gambar 4. Topologi double DC-DC converter
multi-input
Konverter DC-DC multi-input yang digunakan
merupakan buck converter dan buck-boost converter
yang terintegrasi, desain rangkaian konverter ini
dapat dilihat pada gambar 5, topologi ini terdiri dari
dua input sumber tegangan. Dengan menggunakan
skema kontrol PWM untuk mengatur buka tutup
saklar S1 dan S2, konverter DC-DC multi-input
direncanakan agar dapat mengalirkan daya dari dua
sumber tegangan baik secara gabungan maupun
sendiri-sendiri.
Gambar 7. Operasi konverter DC-DC multi-input
pada mode II
Mode II`( S1:off; S2:on): Saklar S1 dimatikan dan
saklar S2 diaktifkan. Karena konduksi S2, dioda daya
D2 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai
rangkaian terbuka. Di sisi lain V1 mati sehingga dioda
daya D1 akan menyediakan jalur bypass untuk
induktor seperti ditunjukkan pada gambar 7. Dalam
mode ini V2 akan menyuplai komponen penyimpanan
daya induktor(L) dan Kapasitor(C) dan juga
menyuplai daya ke beban(R).
Gambar 5. Desain konverter DC-DC multi-input[1]
Dalam konverter DC-DC multi-input ini terdapat
empat mode operasi berbeda[2] berdasarkan kondisi
saklar seperti ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 6. Operasi konverter DC-DC multi-input
pada modeI
Mode I`( S1:on; S2:off): Saklar S1 diaktifkan dan
saklar S2 dimatikan. Karena konduksi S1, dioda daya
D1 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai
Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS
Gambar 8. Operasi konverter DC-DC multi-input
pada mode III
Mode III`( S1:off; S2:off): Kedua saklar S1 dan
saklar S2 dalam kondisi dimatikan. Sehingga V1 dan
V2 tidak menyuplai daya. Dioda daya D1 dan D2 akan
menyediakan jalur bypass untuk mengalirkan arus
induktor seperti ditunjukkan pada gambar 8. Energi
listrik yang disimpan dalam komponen penyimpanan
daya induktor(L) dan Kapasitor(C) akan dilepaskan
ke beban(R).
Mode IV`( S1:on; S2:on): Kedua saklar S1 dan
saklar S2 diaktifkan sehingga dioda daya D1 dan D2
bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian
terbuka. V1 dan V2 terhubung seri untuk mengisi
induktor L. Daya ke beban diberikan oleh kapasitor
C. Pada mode ini kedua sumber bekerja bersamasama seperti ditunjukkan pada gambar 9.
3
Tabel 2.
Nilai parameter pada sisi Wind
Parameter
Nilai
Tegangan Input (Vi)
15-21 V
Tegangan Output (Vo)
12-16.8V
Arus Output (Io)
Frekuensi switching (f)
Riple arus diasumsikan
∆I = 10%
Riple tegangan
diasumsikan ∆Vc = 2%
Gambar 9. Operasi konverter DC-DC multi-input
pada mode IV
III. PERANCANGAN KONVERTER DC-DC
MULTI-INPUT
Pada konverter DC-DC multi-input, nilai L dan C
diperoleh menggunakan perhitungan pada konverter
penyusun multi-input konverter yaitu buck converter
dan buck-boost converter.
Pada sisi buck converter, perhitgan mengacu
pada spesifikasi panel surya BPSX60V.
Tabel 1.
Nilai parameter pada sisi PV
Parameter
Nilai
Tegangan Input (Vi)
15-21 V
Tegangan Output (Vo)
12-16.8V
Arus Output (Io)
Frekuensi switching (f)
Riple arus diasumsikan
∆I = 10%
Riple tegangan
diasumsikan ∆Vc = 2%
3.00 A
40 KHz
∆I = (10/100)x3 = 0.30 A
∆Vo = (2/100)x12 = 0.24 V
Jika diasumsikan tegangan output yang
diinginkan adalah 12 Volt, maka nilai duty cycle
dapat dihitung sesuai dengan persamaan sebagai
berikut :
𝐷=
𝑉𝑜 12
=
= 0.57
𝑉𝑑 21
Setelah didapatkan nilai duty cycle, kemudian
nilai L dihitung berdasarkan persamaan sebagai
berikut :
𝐿=
40 KHz
∆I = (10/100)x3 = 0.30 A
∆Vo = (2/100)x12 = 0.24 V
Jika diasumsikan tegangan output yang
diinginkan adalah 12 Volt, maka nilai duty cycle
dapat dihitung sesuai dengan persamaan sebagai
berikut :
𝐷=
𝑉𝑜
12
=
= 0.375
(𝑉𝑑 + 𝑉𝑜 ) (20 + 12)
Setelah didapatkan nilai duty cycle, kemudian
nilai L dihitung berdasarkan persamaan sebagai
berikut :
𝐿=
𝑉𝑑 𝑥 𝑉𝑜
20 𝑥 12
=
= 625 𝜇𝐻
∆𝑖𝐿 𝑥 𝑓 𝑥 (𝑉𝑑 + 𝑉𝑜 ) (0.3)𝑥 40000 𝑥 (20 + 12)
Sedangkan nilai C
persamaan sebagai berikut :
𝐶=
dihitung
berdasarkan
𝐼𝑜 𝑥 𝑉𝑜
3 𝑥 12
=
= 70 𝜇𝐹
∆𝑉𝑜 𝑥 𝑓𝑥 (𝑉𝑑 + 𝑉𝑜 ) 0.24 𝑥 40000 𝑥 (20 + 12)
Nilai L dan C yang diperoleh berdasarkan
perhitungan yang digunakan pada masing-masing
konverter penyusun konverter DC-DC multi-input
merupakan nilai minimum komponen yang dapat
digunakan pada konverter DC-DC multi-input ini.
Dengan mempertimbangkan hasil perhitungan dan
ketersediaan komponen di pasaran, maka dipilih nilai
L sebesar 1 mH dan C sebesar 100 uF.
Setelah didapatkan nilai L dan C, disimulasikan
pembuatan konverter DC-DC multi-input dengan
menggunakan software. Simulasi ini bertujuan untuk
melihat hasil dari desain yang telah dilakukan.
(21 − 12) 𝑥 12
(𝑉𝑑 − 𝑉𝑜 ) 𝑥 𝑉𝑜
=
= 428 𝜇𝐻
(0.3)𝑥 40000 𝑥 21
∆𝑖𝐿 𝑥 𝑓 𝑥 𝑉𝑑
Sedangkan nilai C
persamaan sebagai berikut :
𝐶=
3.00 A
dihitung
berdasarkan
∆𝑖𝐿
0.30
=
= 3.9 𝜇𝐹
8 𝑥 ∆𝑉𝑜 𝑥 𝑓 8𝑥0.24𝑥40000
Pada sisi buck-boost converter, perhitgan
mengacu pada spesifikasi panel surya generator DC
magnet permanen Hitachi 30VDC.
Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS
Gambar 10. Rangkaian simulasi konverter DC-DC
multi-input
4
Dari hasil simulasi dapat dilihat skema charging
induktor(L) pada berbagai duty cycle yang diberikan
untuk mengetahui apakah desain konverter sudah
sesuai dengan topologi konverter DC-DC multi-input.
Eff(%)
100
95
V1=15 V
90
V1=18 V
V1=21 V
85
80
0
10
20
30
40
50
60 Pout(W)
Gambar 13. Kurva efisiensi terhadap perubahan
daya output konverter DC-DC multiinput saat input PV bekerja sendiri
Dari hasil pengujian pada beberapa level
tegangan di atas tampak bahwa efisiensi buck
converter pada sistem konverter DC-DC multi-input
ini semakin menurun sebanding dengan peningkatan
daya output sistem. Semakin besar daya output yang
dihasilkan, maka efisiensi sistem tersebut semakin
menurun.
Gambar 11. Sistem konverter DC-DC multi-input
saat D1 = 38,89%, D2 = 25%
IV. PENGUJIAN DAN ANALISA
Pengujian dilakukan untuk menperoleh efisiensi
sistem konverter DC-DC multi-input pada berbagai
mode operasi dan kondisi beban yang berubah-ubah.
Pengujian dilakukan dengan menggunakan DC Power
Supply sebagai sumber tegangan input. Pengujian
dilakukan pada tiga kondisi yaitu pada saat PV atau
input satu bekerja sendiri, input Wind atau input dua
bekerja sendiri dan pada saat kedua input bekerja
bersama-sama. Pada masing-masing pengujian
diberikan beban resistor yang nilainya berubah-ubah.
Pengaturan duty cycle untuk proses switching
dilakukan secara manual melalui potensiometer
sampai didapat tegangan output yang diinginkan.
4.1. Pengujian Input PV Bekerja Sendiri
4.2. Pengujian Input Wind Bekerja Sendiri
Gambar 14. Skema pengujian input Wind bekerja
sendiri
Eff(%)
90
80
V2=12 V
70
V2=15 V
60
V2=18 V
50
V2=21 V
40
0
Gambar 12. Skema pengujian input PV bekerja
sendiri
Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS
10
20
30
40
50 Pout(W)
Gambar 15. Kurva efisiensi terhadap perubahan
daya output konverter DC-DC multiinput saat input Wind bekerja sendiri
Dari hasil pengujian pada beberapa level
tegangan di atas tampak bahwa efisiensi buck-boost
converter pada sistem konverter DC-DC multi-input
ini cukup rendah dan semakin menurun sebanding
5
dengan peningkatan daya output sistem. Semakin
besar daya output yang dihasilkan, maka efisiensi
sistem tersebut semakin menurun.
4.3. Pengujian Input PV/Wind Bekerja Bersama
sendiri efisiensi sistem hanya 45% sampai 75%, dan
pada saat keduanya bekerja bersama efisiensi sistem
berada diatas 75%. Dari nilai tersebut, konverter DCDC multi-input sudah dapat diimplementasikan pada
sistem tenaga listrik hibrida.
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 14. Skema pengujian input PV/Wind bekerja
bersama
Eff(%)
110
100
V1=12 V;
V2=21 V
V1=15 V;
V2=18 V
90
V1=18 V;
V2=15 V
80
70
V1=21 V;
V2=12 V
60
0
10 20 30 40 50 60 Pout(W)
Gambar 15. Kurva efisiensi terhadap perubahan
daya output konverter DC-DC multiinput saat input PV/Wind bekerja
bersama
Pada saat input PV/Wind bekerja bersama,
konverter DC-DC multi-input bekerja pada semua
mode operasi yang dimiliki sistem tersebut sesuai
dengan topologinya. Pada pengujian ini, duty cycle
saklar S2 diatur lebih kecil daripada duty cycle saklar
S1 .Efisiensi sistem konverter DC-DC multi-input ini
semakin menurun sebanding dengan peningkatan
daya output sistem yaitu diatas 75 % pada daya
output 20 watt sampai 40 Watt.
[1].
Yaow-Ming Chen, S. C. Hung, C. S. Cheng, Y. C. Liu,
“Multi-Input Inverte for Grid-Connected Hybrid PV/Wind
Power System”, Power Electronics Applied Research
Laboratory, National Chug Cheng University Ming-Hsiung,
Chia-Yi, pp 850-856, Taiiwan, Taipe, 2005.
[2].
Yaow-Ming Chen, S. C. Hung, C. S. Cheng, Y. C. Liu,
“Double-Input PWM DC/DC Converter for High/Low
Voltage Sources”, IEEE Trans On Industrial Electronics, Vol.
53, No. 5, October, Taiwan, Taipe, 2006.
[3].
Muhammad H. Rasyid, 1993. “Power Electronics”, Second
Edition, Prentice Hall International Inc.
[4].
Mochamad Ashari, 2006. “Diktat Kuliah Elektronika Daya”,
Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS.
Dilahirkan di sebuah kota kecil yang terkenal sebagai
kota Batik, Yahya Dzulqarnain, anak kedua dari
empat bersaudara dari pasangan M.Husni Zen dan
Siti Baidah ini memulai pendidikan formal di kota
Pekalongan pada tahun 1994 di SD Negeri Tirto 1
Pekalongan. Setelah lulus dari
sekolah
dasar,
penulis
melanjutkan
pendidikan
di
sekolah favorit di kotanya. Pada
tahun 2003 lulus dari SMP Negeri
2
Pekalongan
kemudian
melanjutkan ke jenjang yang
lebih tinggi di SMA Negeri 1
Pekalongan sampai tahun 2006.
Penulis yang gemar mendaki
gunung dan jalan-jalan ini memulai studi di
perguruan tinggi di Surabaya. Selama menempuh
pendidikan tiinggi di Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya sejak tahun 2007, penulis aktif
dalam komunitas pecinta robot Mechatronic
Community di kampusnya. Beberapa kompetisi
robotik tingkat nasional pernah diikuti oleh penulis
yang mengambil bidang studi Power System
Engineering di Jurusan Teknik Elektro ITS.
V. KESIMPULAN
Pada penelitian ini telah didesain dan
diimplementasikan konverter DC-DC multi-input pada
sistem tenaga listrik hibrida PV/Wind, konverter ini
merupakan dua konverter DC-DC yang terintegrasi
menjadi satu. Dari hasil pengujian konverter DC-DC
multi-input ini, konverter mampu bekerja pada saat
PV bekerja sendiri, Wind bekerja sendiri, maupun
pada saat keduanya bekerja bersama-sama. Efisiensi
sistem konverter DC-DC multi-input untuk daya 20
Watt sampai 40 Watt pada saat PV bekerja sendiri
yaitu diatas 85%, sedangkan pada saat Wind bekerja
Proceeding Tugas Akhir Jurusan Teknik Elekto FTI – ITS
6