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.