1

Sistem Kontrol PV-Baterai Berbasis Fuzzy Logic

untuk Pembangkit Terdistribusi

Muhammad Rizal Falfi, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo

Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Abstrak - Energi terbarukan (renewable energy) dapat

digunakan sebagai Distributed Generation System (DGS).

Sistem pembangkit terdistribusi (DGS) merupakan suatu sistem

dan instalasi yang langsung terhubung ke sistem distribusi.

Salah satu sumber DG adalah photovoltaic (PV). Dalam

pengoperasiannya PV mempunyai efisiensi rendah jika tidak

dilakukan pelacakan titik daya maksimum (Maximum Power

Point Tracking) atau dikenal dengan MPPT.

Dalam Tugas Akhir ini dilakukan studi MPPT untuk sistem

PV dengan metode artificial intelligent yaitu Fuzzy Logic.

Dengan menggunakan Iradiasi matahari dan daya PV sebagai

masukan dan referensi sebagai keluaran akan didapatkan daya

PV maksimum. Disamping itu dibahas mengenai pemodelan

boost converter, dan single phase inverter menggunakan

Matlab/Simulink. Dari salah satu hasil simulasi menunjukkan

pada saat irradiasi 800 W/m2, beban rata-rata tanpa MPPT

1392.02 Watt sedangkan daya beban rata-rata menggunakan

MPPT 2719.57 Watt, rasio daya rata-rata tanpa MPPT 44.29 %

dan rasio daya rata-rata menggunakan MPPT 86.53 %.

Kata kunci-MPPT, pembangkit terdistribusi, PV, rasio daya

I. PENDAHULUAN

asalah energi mempunyai kecondongan untuk selalu

meningkat dan berkembang, termasuk antara propinsi di

dalam negara berkembang itu sendiri. Beberapa negara kaya

diberkahi dengan sumber energi yang baru akan habis setelah

beberapa dasawarsa lagi [1]. Disamping itu, perkembangan

teknologi tentang sumber energi terbarukan dikombinasikan

dengan berkembangnya perhatian masyarakat akan isu-isu

lingkungan maka Distributed Generation System (DGS) yang

terhubung dengan grid telah banyak digunakan.

Cadangan energi fosil yang semakin menipis dan

munculnya krisis energi menjadikan manusia berlomba untuk

mencari sumber energi alternatif. Beberapa teknologi telah

diterapkan dalam aplikasi distributed generation (DG) dengan

berbagai sumber energi terbarukan. Diantaranya adalah turbin

angin, tenaga air berskala kecil (mikrohidro), biomassa,

photovoltaic (PV), dan fuel cell [2].

Salah satu sumber energi terbarukan adalah photovoltaic

(PV) atau yang lebih dikenal sebagai sel surya merupakan

suatu alat yang dapat mengubah energi cahaya matahari

menjadi energi listrik. Penggunaan PV juga tidak bisa lepas

dari masalah, masalah yang dihadapi adalah daya keluaran

dari PV yang seringkali tidak mencapai maksimal dari daya

maksimal yang sebenarnya bisa dikeluarkan oleh PV[3].

Besarnya beban yang terhubung pada PV sangat

mempengaruhi daya keluaran PV. Agar PV dapat

mengeluarkan daya yang mendekati daya maximum point

(disebut juga daya maximum nameplate) , maka PV harus

dihubungkan dengan MPPT.

Pada tugas akhir ini akan disimulasikan sistem MPPT

dengan menggunakan artificial intelligent, berupa Fuzzy

Logic Controller. Dalam sistem ini, PV disambungkan ke

boost converter melalaui MPPT dan sebelum terhubung ke

grid PV disambungkan melalui inverter. Sistem PV ini

dilengkapi juga dengan baterai Lead Acid yang berfungsi

untuk membantu sel surya memberikan daya tambahan pada

grid karena kondisi tingkat iradiasi dan suhu yang tidak

menentu.

II. MPPT DALAM SISTEM PV-GRID

A. Karakteristik PV

Sel surya atau PV merupakan suatu devais

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[4], Gambar 1 dan Gambar 2

menunjukkan pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari

dan suhu pada sel surya.

Gambar 1. Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari terhadap Sel Surya Grafik I-

V (kiri) dan Grafik P-V (kanan)

Gambar 2. 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 3 [4].

M

2

Gambar 3. Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)

Persamaan yang didapat dari rangkaian PV pada Gambar

3 adalah :

P

SnkT

IRVq

OSCR

RIVeIII

S

1 (1)

Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel

diasumsikan sangat besar, sehingga persamaan untuk model

arus output sel surya adalah [3]: 1/

nkTIRVq

OLSeIII (2)

1011

TTKII TLL (3)

nomnomTSCTL GIGI /,11 (4)

12120 / TTIIK TSCTSC (5)

1/1/1//3

1)1(0 /TTnkqVn

TOgeTTII

(6)

)/( 1)1( /

)1()1(

nkTqV

TSCTOTOCeII (7)

VVS XdIdVROC

/1/ (8)

1)1( /

1)1( /nkTqV

TOVTOCenkTqIX (9)

Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya BPSSX60

dengan spesifikasi ditunjukkan pada Tabel I dengan keluaran

daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari 36 PVdengan diode

jenis crystalline yang dirangkai secara seri.

Tabel I

Parameter Panel Surya BPSX-60

Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai

tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan PV

secara seri dan paralel. Persamaan arus keluaran PV model

[4]:

C

tSM

MM

S

M

OC

MM

SC

M

VN

IRVVII exp1

(10)

Dimana : C

SCPM

M

SC INI

(11)

C

OCSM

M

OC VNV (12)

C

S

PM

SMM

S RN

NR

(13)

qnkTV C

t / (14)

Pemodelan PV pada Matlab untuk tugas akhir ini

ditunjukkan pada Gambar 4.

B. MPPT Controller

Maximum Power Point Tracker (MPPT) digunakan untuk

mendapatkan nilai tegangan dan arus yang optimal sehingga

didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu sel surya.

Daya keluaran yang maksimal ini akan menghasilkan rasio

daya yang tinggi dan mengurangi rugi-rugi suatu sel surya [4].

Fuzzy logic dalam penggunaan MPPT mempunyai

keuntungan dalam menghadapi ketidaktentuan dan

ketidaktelitian. Dalam MPPT controller ini akan didasarkan

pada penerapan logika fuzzy ini dan terdiri dari dua bagian

yaitu fuzzifikasi dan fuzzy rule [5].

Gambar 4. Model Sel Surya pada Matlab

Fuzzifikasi

Seperti ditunjukkan pada Gambar 5, pada bagian

masukan ada dua yaitu Iradiasi (Ir) dan daya PV (PPV). Ir

mempunyai tiga fungsi segitiga yaitu A, B, dan C dengan nilai

antara 0 - 1000 dan untuk PPV mempunyai empatbelas fungsi

segitiga yaitu A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, dan N

dengan nilai antara 0 – 4100. Sedangkan untuk nilai kelauaran

tegangan referensi (D) mempunyai tujuh fungsi segitiga yaitu

A, B, C, D, E, F, dan G dengan nilai antara 0 – 1.

3

1

0.5

Ir

(a)

Ppv

(b)

4000380036003400320030002800260024002200

0 1000900800700600500400300200100

0 10.90.80.70.60.50.40.30.20.1

1

0.5

0

1

0.5

0

D

(c) Gambar 5. Fungsi Keanggotaan (a) input Ir, (b) input PPV, (c) output D.

Fuzzy Rules

Dalam Tugas Akhir, syntax “if-then” selalu digunakan

untuk mengespresikan fuzzy rules. Untuk MPPT ini

menggunakan total 16 rule base seperti yang ditunjukkan

dibawah.

If Ir = A and PPV = A, then D = G

If Ir = A and PPV = B, then D = D

If Ir = A and PPV = C, then D = E

If Ir = A and PPV = D, then D = C

If Ir = B and PPV = A, then D = G

If Ir = B and PPV = E, then D = G

If Ir = B and PPV = F, then D = B

If Ir = B and PPV = G, then D = C

If Ir = B and PPV = H, then D = A

If Ir = C and PPV = A, then D = G

If Ir = C and PPV = N, then D = G

If Ir = C and PPV = I, then D = F

If Ir = C and PPV = J, then D = A

If Ir = C and PPV = K, then D = F

If Ir = C and PPV = L, then D = D

If Ir = C and PPV = M, then D = C

C. Konverter Boost

Boost konverter digunakan untuk menaikkan tegangan

DC [6]. Adapun gambar rangkaian dari buck boost konverter

diperlihatkan pada Gambar 6. Adapun persamaan yang

digunakan untuk mencari besarnya tegangan output :

D

VV in

O

1

(15)

Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM

(Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter

komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan :

DR

f

DL

2

12

min (16)

Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan

persamaan :

fRV

DVC

R

O

(17)

Gambar 6. Gambar Rangkaian Boost

Gambar 7. Pemodelan MPPT secara Keseluruhan

Gambar 8. Konverter Boost pada Matlab

D. Inverter

Dalam tugas akhir, ini inverter digunakan untuk

mentransformasi tegangan dari DC mennjadi AC. Karena

pada sistem ini PV tersambung pada grid. Inverter yang

digunakan adalah full wave inverter satu fasa dengan sistem

closed loop dengan mengambil referensi berupa tegangan

dibandingkan dengan tegangan keluaran. Pemodelan inverter

dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 9.

Sistem MPPT

4

E. Rasio Daya PV

Rasio daya PV adalah perbandingan antara daya beban

dengan daya max nameplate dengan cara membagi daya

beban dengan daya maksimal yang bisa dikeluarkan oleh PV.

Semakin tinggi nilai rasio daya, maka semakin baik dan

semakin efisien kinerja dari suatu PV [4].

Rasio Daya Rata-Rata diberikan oleh persamaan (18):

n

i

iT

P

P

n 1 max

1 (18)

Gambar 9. Pemodelan inverter

III. KONFIGURASI SISTEM

Sistem PV-grid yang digunakan pada tugas akhir ini

diperlihatkan pada Gambar 10. Sistem PV-grid yang

diperlihatkan oleh Gambar 10 terdiri dari 6 bagian penting,

diantaranya adalah: PV, MPPT, Baterai, konverter boost,

inverter, dan grid.

IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA

A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi

a. Suhu yang digunakan = 250 C

b. - Daya Wattpeak PV = 4000 W (Saat intensitas cahaya

matahari = 1000 W/m2

- Tegangan PV = 222 volt (saat kondisi wattpeak)

c. Konverter Boost

1. Induktor = 5 mH

2. Kapasitor = 10 mFarad

3. Frekuensi switching = 30 kHz

d. Baterai

1. Tegangan = 240 volt

2. Ah Baterai = 352.940 Ah

e. Inverter

- Tegangan referensi = 220√2 V

- Induktor = 50 mH

- Kapasitor = 1×10-5

F

f. Grid

- Tegangan grid = 220√2 V

- Induktor (link) = 5×10-5

H

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 (I-V) dan kurva

hubungan daya-tegangan. 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 tiga

keadaan intensitas sinar matahari yakni 600 W/m2, 800 W/m

2,

dan 1000 W/m2.

Tabel II

Data Daya Max Nameplate, Vmp, Imp, dan Voc

Gambar 12. Grafik Perbandingan Tegangan dan Daya

Gambar 11. Grafik Perbandingan Tegangan dan Arus

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 100 200 300D

aya

(W)

Tegangan (V)

Grafik Tegangan vs Daya

1000 W/m2 800 W/m2 600 W/m2

0

5

10

15

20

0 100 200 300

Aru

s (A

)

Tegangan (V)

Grafik Tegangan vs Arus

1000 W/m2 800 W/m2 600 W/m2

Iradiansi

(kW/m2)

Pmax

nameplate

(W)

Vmp

(V) Imp (A) Voc (V)

Ioc

(A)

0.6 2290 222 10.31 281.56 11.61

0.8 3143 228 13.78 288.97 15.48

1 4011 234 17.14 294.77 19.35

5

Gambar 10. Pemodelan Seluruh Sistem

A. 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 rasio daya PV sebelum dan sesudah

menggunakan MPPT. Pengujian dan analisis dilakukan pada

tiga keadaan intensitas sinar matahari yakni 600 W/m2, 800

W/m2, dan 1000 W/m

2.

Tabel III

Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban

Bervariasi

Berdasarkan Tabel III. Terlihat bahwa daya rata-rata PV

adalah

Daya Rata-Rata tanpa MPPT = 1738.19 W

Daya Rata-Rata menggunakan MPPT = 2823.97 W

Tabel IV

Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban Bervariasi

Analisis Rasio Daya Rata-Rata PV

Berdasarkan Tabel IV, rasio daya rata-rata PV adalah

Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT = 47.99%

Rasio Daya Rata-Rata menggunakan MPPT = 90.30 %

Dari hasil simulasi PV yang dihubungkan dengan beban

bervariasi, MPPT terbukti dapat meningkatkan rasio daya

rata-rata PV karena sebelum menggunakan MPPT , PV

memiliki rasio daya rata-rata sebesar 47.99 %, sedangkan

setelah menggunakan MPPT rasio daya rata-rata PV

meningkat menjadi 90.30 %.

Penggunaan MPPT pada PV dapat digunakan untuk

mengatasi perubahan daya yang diakibatkan perubahan dari

beban yang terhubung pada PV.

Gambar 12. Grafik Perbandingan Iradiasi dan Daya Rata-rata

Gambar 13. Grafik Perbandingan Iradiasi dan Rasio Daya Rata-rata

B. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT

dan Grid

Dalam pengujian ini dilakukan dengan menggabungkan

semua komponen dari sel surya sampai grid. Pemodelan

sederhana pengujian dapat ditunjukkan pada Gambar 14.

IrPV

Boost Converter

FLCDuty Cycle

Inverter Satu

fasa

P

grid

Beban

Ir

Gambar 14. Pengujian Sistem dengan Variasi Beban

0

1000

2000

3000

4000

500 600 700 800 900 1000

Da

ya

(W

)Iradiasi (W/m^2)

Grafik Iradiasi vs Daya Rata-rata

Pmaks tanpa MPPT dengan MPPT

0

20

40

60

80

100

500 600 700 800 900 1000

Ra

sio

Da

ya

(%

)

Iradiasi (W/m^2)

Grafik Iradiasi vs Rasio Daya Rata-rata

tanpa MPPT dengan MPPT

Irad (kW/m^2) Pmax

(W)

P PV tanpa

MPPT (W)

P PV dengan

MPPT (W)

0.6 2290 940.53 2187.33

0.8 3143 1392.03 2719.57

1 4011 2882 3565

Irad

(W/m^2)

Rasio Daya rata-rata

tanpa

MPPT (%)

Rasio Daya rata-rata

dengan

MPPT (%)

600 29.37 95.54

800 44.29 86.53

1000 70.32 88.84

7

Dari hasil pengujian dengan memvariasikan beban

anatara 20 – 200 Ω dengan tingkat intensitas cahaya matahari

1000 W/m2

dan suhu ambient 25̊C didapatkan grafik pada

Gambar 15 dan Gambar 16. Terlihat pada Gambar 15 dengan

menggunakan MPPT daya di bagian konverter relatif konstan

tidak terpengaruh dengan beban yang berubah-ubah. Hal

tersebut berbanding terbalik dengan Pout pada sistem yang

mengalami penurunan secara linier sesuai dengan perubahan

beban. Hal tersebut karena semakin meningkatnya beban

maka Ploss akan meningkat, sehingga menyebabkan nilai Pout

semakin menurun.

Sedangkan pada Gambar 16 menunjukkan grafik

yang hampir sama yaitu efek perubahan beban dan pengaruh

terhadap efisiensi. Efisiensi dipengaruhi oleh perubahan dari

nilai dari beban. Berdasarkan persamaan

𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 = 𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 × 100% (18)

Gambar 15. Grafik Perbandingan antara Pconv dan Pout

Gambar 16. Grafik Hubungan Beban dengan Efisiensi

Maka dengan mengasumsikan bahwan Pin = Pconv dan

Pout adalah daya keluaran sistem, maka karena Ploss semakin

meningkat sehingga nilai dari Pout semakin turun,. Dari

Persamaan 18 didapat efisiensi berbanding lurus dengan Pout.

Dari grafik tersebut didapatkan kesimpulan bahwa semakin

besar nilai dari beban maka akan terjadi penurunan terhadap

efisiensi.

V. KESIMPULAN

1. Semakin besar tingkat intensitas cahaya matahari

(W/m2) yang diterima oleh kombinasi PV maka semakin

tinggi nilai daya maksimum yang dihasilkan oleh PV.

2. Nilai daya PV ketika dipasang seri sebanyak 14 buah

kemudian di paralel sebanyak 5 kali, didapatkan daya

maksimum pv sebesar 4011 W dengan intensitas cahaya

matahari 1000 W/m2 dan suhu 25̊̊ C.

3. Dari hasil simulasi, daya beban rata-rata tanpa MPPT =

1738.19 W sedangkan daya beban rata-rata

menggunakan MPPT = 2823.97 W.

4. MPPT dapat digunakan untuk meningkatkan rasio daya

PV. Rasio daya rata-rata tanpa MPPT = 47.99 % dan

rasio daya rata-rata menggunakan MPPT = 90.30 %.

5. Untuk pengujian sistem dengan variasi beban didapatkan

bahwa ketika beban semakin meningkat maka daya

konverter hampir konstan. Sedangkan daya output dan

efisiensi menurun.

6. Sel surya dapat digunakan sebagai catu daya yang

terhubung ke grid dengan dilengkapi baterai sebagai

backup sel surya.

DAFTAR PUSTAKA [1] Hajizadeh, Amin and Golkar, Masoud Aliakbar, ”Control Of Hybrid

Fuel Cell/Energy Storage Distributed Generation System Against

Voltage Sag”, Electrical Power and Energy System, pp. 488-497, Iran, September, 2009.

[2] Mostavan, Aman, “Catatan Kuliah : Konversi Energi”, ITB, Bandung,

2005. [3] Messenger, Roger A. Ventre, Jerry, “Photovoltaic Systems

Engineering”, second edition, CRC Press, 2003.

[4] 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.

[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.

Muhammad Rizal Falfi dilahirkan di Gresik,

3 Mei 1989. Penulis adalah putra dari pasangan M.

Yasin dan Astikah. Penulis memulai jenjang

pendidikan di SDN Karang-Kiring Gresik, SLTPN 1 Gresik, serta SMAN 1 Gresik hingga lulus tahun 2007.

Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi dan diterima di Institut

Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada Jurusan

Teknik Elektro, dan kemudian mengambil bidang studi

Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah, penulis juga aktif dalam organisasi

kemahasiswaan Badan Eksekutif Mahasiswa ITS (BEM ITS) dan Himpunan

Mahasiswa Teknik Elektro (HIMATEKTRO) serta sebagai Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik. Selain itu, semasa kuliah penulis

pernah mendapatkan dana hibah DIKTI untuk PKM dalam bidang

Pengabdian Masyarakat dan beasiswa penuh dari Eka Tjipta Foundation selama empat tahun.

0

1000

2000

3000

4000

0 50 100 150 200

Da

ya

(W

)

Beban (Ohm)

Grafik Beban vs Daya (W)

Pconv Pout

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

0 50 100 150 200

Efi

sien

si

Beban (Ohm)

Grafik Beban vs Efisiensi

6

8

7