bab iii perancangan sistemeprints.umm.ac.id/37355/4/jiptummpp-gdl-muhammadyu-51519-4-ba… ·...
TRANSCRIPT
12
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini merupakan proses pembuatan perancangan sistem untuk
mempermudah pembuatan simulasi. Perancagan sistem yang dibuat didasarkan oleh
pemodelan simulasi dengan melakukkan pengembangan dari beberapa model agar sesuai
dengan penelitian ini.
Pada bab ini membahas tentang perancangan sistem yang meliputin peracangan
solar chell , MPPT, DC – DC converter. Tugas akhir ini dibuat dengan harapan dapat
meningkatkkan efisiensi dari sistem PV
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem
Konsep dasar dari diagram blok di atas adalah, yaitu PV sebagai sumber masukkan
dari sisem ini. MPPT digunakkan untuk mengontrol tegangan masukkan dari PV.
Sedangkan beban merupakkan indikator pengontrol tegangan pada sistem tersebut.
3.1 Perancangan Photovoltaic
Pada pera sistem yang dipakai dalam penelitian ini menggunakan PV ADT 24200.
Secara garis besar perancangan sistem ini didapatkan dari persamaan – persamaan yang
disesuaikkan dengan karakteristik dari PV.
Photovoltaic Soft Switching Buck
Converter Power
Load
MPPT
Power
PWM
Senso
r Tegangan
Senso
r Aru
s
13
Gambar 3.2 Rangkaian Pengganti Photovoltaic
Rangkaian ekuivalen modul PV sesuai gambar diatas dapat dituliskan pada
persamaan matematik sebagai berikut :
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ + 𝐼𝑟𝑠 + 𝐼𝑠 (7)
Dengan:
𝐼𝑝ℎ = (𝐼𝑠𝑐 + 𝐾𝑖(𝑇𝑘 − 𝑇𝑟𝑒𝑓))
𝐺
𝐺𝑟𝑒𝑓. (8)
𝐼𝑟𝑠 = ( 𝐼𝑠𝑐𝑟
[exp(𝑞𝑉𝑜𝑐
𝑁𝑠𝐾𝐴𝑇)−1]
) (9)
𝐼𝑠 = 𝐼𝑟𝑠 (𝑇𝑐
𝑇𝑟𝑒𝑓)
3[ exp〖(𝑞𝐸𝑔(
1𝑇𝑟𝑒𝑓
−1
𝑇𝑘)
𝐾𝐴 〗)]
(10)
𝐼 = 𝑁𝑝𝐼𝑜 − 𝑁𝑝𝐼𝑜 [exp (𝑞(𝑣𝑝𝑣+𝐼𝑝𝑣𝑅𝑠)
𝑁𝑠𝐴𝐾𝑇) − 1] − 𝑉 +
𝐼𝑅𝑠
𝑅𝑠ℎ (11)
Dimana :
𝑇𝑟𝑒𝑓 : Temperatur referensi (25°C)
𝐺𝑟𝑒𝑓 : Intensitas cahaya referensi (1000W/m2)
G : Intensitas cahaya
𝐼𝑠𝑐 : Arus short circuit
𝐼𝑠 : Arus saturasi
𝐼𝑟𝑠 : Arus saturasi
𝑛 : Quality factor dioda
𝑉𝑟 : Thermodynamic potential
𝑇𝑘 : Suhu aktual (K)
14
𝑇𝑟𝑒𝑓 : Suhu referensi
𝐾𝑖 : Short-circuit current/ koefisien suhu (0.0017A/K)
𝐾 : Konstanta Boltzman (1.3805 x 10-23J/K)
𝐴 : Faktor ideal
𝑞 : Electron charge (1.6 x 10-19C)
𝐸𝑔 : Bandgap energy (Eg0 = 1.1 eV)
𝑁𝑝 : Jumlah paralel
𝑁𝑠 : Jumlah seri
𝑅𝑠 : Hambatan equivalent seri (0.1Ω)
𝑉𝑜𝑐 : Tegangan open circuit (V)
Rsh : Tahan resistance
3.1.1 Pengambilan Data
Untuk mendapatkan data yang sesuai dengan yang diinginkan maka perlu adanya
referensi dari solar cell yang sudah ada. Dilakukan perbandingan referensi solar cell
dengan hasil dari pemodelan yang telah dibuat. Referensi data solar cell didapat dari PV
yang ada di market dengan output daya maksimal yang dihasilkan sebesar 200W.
Tabel 3.1 Karakteristik PV tipe ADT 24200
Daya Maksimum (Pmax) 200 W
Tegangan Maksimum (Vmp) 35 V
Arus Maksimum (Imp) 5,71 A
Open Circuit Volrage (Voc) 43 V
Short Circuit Current (Isc) 6,11 A
Temperatur Saat Bekerja -400 C to 800 C
Jumlah Sell 72 Cel
Berat Modul 18,5 Kg
Dimensi (PanjangxLebarxTinggi) 1495x990x42
15
Max System Voltage 1000V DC
3.1.2 Pemodelan Sistem Solar Cell
Dari parameter pemodelan matematika yang ada maka dapat dibuat pemodelan
solar cell yang diinginkan, dimulai dari memodelkan Iph seperti pada
rumus pada persamaan (8)., sehingga bisa diterapkan dalam bentuk pemodelan
seperti gambar 3.2.
Gambar 3.3 Pemodelan Iph
Selanjutnya membuat pemodelan Irs menggunakan persamaan (9) sehingga
dapat terbentuk pemodelan seperti gambar 3.3.
16
Gambar 3.4 Pemodelan Irs
Pada tahap selanjutnya yang diperlukkan adalah perhitungan dari nilai arus saturasi
(Is) menggunakan persamaan (10), sehingga dapat dibuat pemodelan seperti gambar 3.4
Gambar 3.5 Pemodelan Is
Pada tahap terakhir membuat pemodelan Ipv menggunakan persamaan (11),
sehingga dapat dibuat pemodelan pada gambar 3.4
17
Gambar 3.6 Pemodelan Ipv
Setelah semua persamaan dibuat pemodelan dilakukkan penggabungan dari
keselurah sistem. Gabungan dari semua pemodelan bisa dilihat pada gambar 3.5
Gambar 3.7 Pemodelan antara Subsystem
Setelah dilakukan pemodelan, maka dapatlah dilakukan pengujian pemodelan yang
telah dibuat, dengan parameter masukannya adalah suhu (T) dan intensitas cahaya (G).
Pengujian ini dilakukan untuk mendapatkan hasil yang dikendaki dari pemodelan yang
sudah dibuat.
Gambar 3.8 Blok simulink solar cell Dengan Beban
18
3.2 Perancangan DC – DC converter
DC-DC converter adalah inti dari maximum power point tracking (MPPT).
Topologi DC-DC converter yang ada adalah buck, boost, buck-boost, cuk converter.
3.2.1 Perancangan Buck Converter
Topologi buck converter merupakan topologi yang cocok digunakan meregulasi
duty cycle MPPT karena berfungsi untuk menurunkan tegangan.
Gambar 3.9 Rangkaian Buck Converter
Perhitungan dan penentuan besar setiap komponen pada buck konverter sendiri
didapatkan dari persamaan-persamaan yang ada. Dengan penentuan parameter-parameter
yang digunakan maka dapat dilakukan perhitungan Induktansi L dan kapasitansi C,
sehingga nilai keluaran sesuai dengan yang di inginkan.
Tabel 3.2 Nilai Parameter Buck Converter
Parameter Nilai Satuan
Tegangan Input 42 V
Tegangan Output 34 V
19
Arus Output 5,7 A
Frekuensi 10 Khz
Forward Voltage 0,6 V
Resistor 6 Ohm
Setelah menentukkan parameter yang akan digunkan lalu dilanjutkan dengan perhitungan
agar bisa mengetahuin nila komponen yang akan digunkan pada back converter.
1. Menentukan nilai duty cycle
Gambar 3.10 Contoh Gambar Duty Cycle
Untuk menentukan gelombang PWM seperti pada gambar 3.9, dapat dicari
menggunakan persamaan (12).
𝐷 =𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑜𝑛+𝑇𝑜𝑓𝑓 (12)
Dimana : D = Duty Cycle
Ton = Waktu pulsa high
Toff = Waktu pulsa low
Dari persamaan (12) dapat dihasilkan :
𝐷 =42
34= 0.8
Dari hasil perhitungan diatas, maka nilai duty cycle yang digunakan sebesar 0,8.
Pada gambar 3.9 diatas merupakan contoh dari bentuk duty cycle.
2. Menentukkan nilai Induktor
20
Dalam menentukan nilai induktor, terlebih dahuu menentukkan arus rata – rata di
induktor yang dapat diperoleh dari persamaan (13) sebagai berikut.
𝐼𝐿 =𝑉𝑜
𝑅= 𝐼𝑂 = 5,7 𝐴 (13)
Dimana : IL = Arus Induktor
Vo = Tegangan Keluaran
R = Resistor
IO = Arus keluaran
Dari hasil diatas maka selanjutnya mencari nilai riak arus pada induktor
menggunakan persamaan (14) sebagai berikut :
∆IL = 0,3 x IL= 0,3 x 5,7 = 1,68 A (14)
Dimana : ∆IL = Riak arus induktor
IL = Arus induktor
Dari hasil diatas, maka nilai riak arus didapatkan 1,68 A. Lalu menentukan nilai
induktor dengan menggunakan persamaan (15) berikut dibawah ini.
L = (1
𝑓) . (𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡). (
𝑉𝑜𝑢𝑡+𝑉𝑓
𝑉𝑖𝑛+𝑉𝑓) . (
1
∆𝐼𝐿) (15)
L = (1
10000) . (42 − 34). (
34+0.6
42+0.6) . (
1
1,68)
= 0.000374328 H
= 374,328358 μH
DImana : F = Frekuensi
Vin = Tegangan masukan
Vout = Tegangan keluaran
Vf = Tegangan jatuh
∆IL = Ripple arus induktor:
21
Dari hasil perhitungan diatas, maka nilai rata-rata arus diatas ialah 7 A, riak arus
didapatkan ialah 2.1 A dan menurut hasil perhitungan induktor maka didapatkan nilai
induktor sebesar 374,3 μH.
3. Menentukan Nilai Kapasitor
Dalam menentukan nilai kapasitor yang pertama perlu menentukan nilai riak
teganga keluaran yang dapat dicari menggunakan persamaan (16) dibawah ini.
∆𝑉𝑜= ±0.1% 𝑥 𝑉𝑜 = 0.001 x 34 = 0,034 (16)
Dimana : ∆𝑉𝑜 = Riak tegangan keluaran
Vo = Tegangan Keluaran
Dari hasil perhitungan diatas, maka nilai riak tegangan diatas didapatkan sebesar
0.034 V. Kemudian menentukan nilai kapasitor dapat diperoleh menggunakan persamaan
(17) dibawah ini.
C = ∆𝐼𝐿
8.𝑓.∆𝑉𝑜 (17)
Dimana : C = Kapasitor
∆IL = Riak arus induktor
F = frekuensi
∆V0 = riak tegangan keluaran
Dari persamaan (17) dapat dihitung sebagai berikut.
C = 1,68
8.10000.(0.034)
= 0.0006176 F
= 617,6 μF
Dari hasil perhitungan diatas, untuk mendapatkan nilai kapasitor. Maka nilai kapasitor
didapatkan 617,6 μF.
4. Menentuka Nilai Parameter MOSFET
22
Pada perhitungan buck converter, tegangan maksimum pada MOSFET di batasi
oleh tegangan masukan. Pada umumnya toleransi yang diterapkan pada drain to source
breakdown voltage (BVDSS) adalah 15% Karena tegangan masukan maksimal sebesar 42
V dan karena ini bertujuan meningkatkan efisiensi daya pada sistem PV maka pemilihan
nilai parameter MOSFET yang dipilih ialah Rds(on) yang paling rendah dengan.
5. Menentukan Nilai Parameter Dioda
Dalam menentukan nilai parameter dioda yang digunakan sesuai dengan nilai
parameter pada library Matlab-Simulink. Tegangan jatuh pada dioda antara 0,6 V sampai
0,7 V. Semakin rendah tegangan jatuh maka pensaklaran akan lebih cepat dan efisiensi
yang lebih baik, namun memiliki kekurangan yaitu lebih cepat menimbulkan panas. Pada
sistem ini di pilih tegangan jatuh sebesar 0,6 V.
3.2.2 Perancangan Soft Switching Buck Converter
Soft switching buck converter merupakkan pengembangan dari buck converter
yang memiliki fungsi yang sama, namun soft switching buck converter memiliki kelebihan
dalam hal mengatasi loses daya.
Gambar 3.11 Desain soft - switching buck converter
Secara umum penentuan komponen pada soft - switching buck converter sama
dengan menentukan nilai komponen pada buck converter yang membedakan hanya pada
penentuan nilai dari soft – switching yang dapat di hitung dari persamaan berikut : (Harst,
Daniel W. 1996)
DC-DC Converter : Zero Current Switching (ZCS)
Vs = 42 V
V0 = 34 V
23
Lr = 0,374 µH
Cr = 6,176 µF
I0max = 5,7 A
f = 10 KHz
Menentukan perpindahan frekuensi sehingga tegangan output adalah 34 V.
𝑊0 = 1
√𝐿𝑟.𝐶𝑟 (18)
𝑊0 =1
√0,374𝑥10−6.6176𝑥10−6 = 6,5 x 105 Rad/S
𝑍0 = √𝐿𝑟
𝐶𝑟 (19)
𝑍0 = √0,374𝑥10−6
6,176𝑥10−6 = 0,246 ohm
𝑡1 = 𝐼0.𝐿𝑟
𝑉𝑠 (20)
𝑡1 = 5,7(0,374𝑥10−6)
42 = 0,05075 μs
𝑡2 − 𝑡1 = 1
𝑊0 [𝑠𝑖𝑛−1 (
𝐼0.𝑍0
𝑉𝑠) + 𝜋] (21)
𝑡2 − 𝑡1 = 1
6,5𝑥105 [𝑠𝑖𝑛−1 (5,7𝑥0,246
42) + 𝜋] = 4,88 μs
𝑡3 − 𝑡2 = (𝐶𝑟.𝑉𝑠
𝐼0) [1 − cos 𝑊0 (𝑡2 − 𝑡1)] (23)
𝑡3 − 𝑡2 = ((6,176𝑥10−6).42
5,7) [1 − cos 6,5𝑥105(4,88𝑥10−6)]
𝑡3 − 𝑡2 = 0,455 μs
𝑉0 = 𝑉𝑠. 𝑓𝑠 [𝑡1
2+ (𝑡2 − 𝑡1) + (𝑡3 − 𝑡2)] (24)
𝑉0 = 42.10000 [0,05075
2+ (4,88) + (0,455)] 𝑥10−6
𝑉0 = 2,25 V
𝐼𝐿𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼0 +𝑉𝑠
𝑍0 (25)
𝐼𝐿𝑝𝑒𝑎𝑘 = 5,7 +42
2,46 = 176,43 A
𝑉𝐶𝑝𝑒𝑎𝑘 = 2. 𝑉𝑠 (26)
𝑉𝐶𝑝𝑒𝑎𝑘 = 2𝑥42
𝑉𝐶𝑝𝑒𝑎𝑘 = 84𝑉
𝑓𝑠 = 10𝐾𝐻𝑧𝑥34
3,92= 151 𝐾𝐻𝑧 (27)
𝑡3 = 𝑡1 + (𝑡2 − 𝑡1) + (𝑡3 − 𝑡2) (28)
24
Mulai
GWO
Inisialisasi
i = 1
Keluaran Duty Cycle
sama dengan serigala
i
Vpv, Ipv of
PV array
Mengevaluas
i power Ppv
Jika P(i) > P(i – 1)
Memperbarui
Pmax, i = P(i-1)
Memperbarui
Pmax, i = P(i)
Jika
Gmax > Pmax
Semua dievaluasi,
nilai sudah sesuai
Memperbarui
Gmax
Next serigala
I = i + 1
A
A
Meperbarui α , A, C dan posisi menggunakan persamaan 1, 2, 3, 4, dan 5.
Kriteria konfigurasi
terpenuhi ?
Selesai
Interasi
Selanjutnya
k = k +1
B
B
Y
T
Y
Y
T
T
Y
T
𝑡3 = (0,05075 + 4,88 + 0,455)µ𝑠
𝑡3 = 5,38 µ𝑠
𝑓𝑠𝑚𝑎𝑥 =1
𝑇𝑚𝑖𝑛=
1
𝑡3 (29)
𝑓𝑠𝑚𝑎𝑥 =1
(5,38𝑥10−6)
𝑓𝑠𝑚𝑎𝑥 = 185 𝐾𝐻𝑧
Berdasarkan data perhitungan maka selanjutnya adalah pembuatan model simulasi
menggunakan matlab-simulink.
3.3 Perancangan Maximum Power Point Tracking ( MPPT )
Algoritma MPPT yang digunakan pada sistem ini adalah algoritma yang
terinspirasi dari kehidupan serigala abu – abu yang dikenal dengan nama Grey Wolf
Optimization ( GWO ). Pada gambar 3.1 menunjukkan skema MPPT untuk sistem tugas
akhir ini. Untuk jumlah serigala abu – abu, duty ratio, pengukuran Vpv dan Ipv melalui
sensor dan menghitung daya keluaran. Flowchart dari algoritma GWO ditunjukkan pada
gambar di bawah ini :
25
Gambar 3.12 Flowchart Gray Wolf Optimization (GWO)
( Mohanty, Satyajit dkk. 2016 )
Kurva P-V ditandain dengan banyaknya hubungan yang memiliki berbagai local
peak (LP) dan satu global peak (GP). Penting bahwa saat serigala menemukkan MPP,
vektorkorelasi mereka menjadi hampir sama dengan nol. Pada algoritma osilasi menjadi
lebih stabil sehingga rugi daya dapat berkurang dan menghasilkan eifisiensi yang lebih
tinggi.