## DESAIN KONTROL MULTI – INPUT DC – DC CONVERTER SISTEM HIBRID TURBIN ANGIN DAN SEL SURYA MENGGUNAKAN KONTROL FUZZY LOGIC UNTUK TEGANGAN RENDAH
Feby Agung Pamuji 1 dan Soedibyo 2
1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
2 Program Studi Sistem Tenaga, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember febyagungpamuji@gmail.com, dibyosoe@gmail.com
Abstrak —Dalam  makalah  ini  diuraikan  sistem  hibrid  yang  menggabungkan  Turbin  Angin  dan Photovoltaic untuk memasok listrik terus-menerus pada beban. Output dari Turbin Angin dan Photovoltaic diatur  agar  menghasilkan  daya  yang  maksimum.  Konverter  multiple-input  buck-boost  dc-dc  digunakan untuk  mengatur  aliran  daya  agar  didapatkan  MPP(Maximum  Power  Point).  Kontrol  konverter menggunakan Fuzzy Logic controller untuk mengkontrol output sehingga didapat MPP(Maximum Power Point) dari Turbin Angin dan Photovoltaic, sehingga effisiensi dari Turbin Angin dan Photovoltaic dapat ditingkatkan.
Kata Kunci : Maximum Power Point, system hibrid, Fuzzy Logic controller
Abstract — this paper describes a hybrid system that consist of  Wind Turbines and Photovoltaic to supply electricity  continuously  for    load.  Output  of  Wind  Turbines  and  Photovoltaic  is  controlled  in  order  to generate maximum power. Multiple-input dc-dc converters is used to control power flow in order to have MPP (Maximum Power Point). Converter control using Fuzzy logic controller to control the output in order to be obtained MPP (Maximum Power Point) from Wind Turbines and Photovoltaic, so the efficiency of wind turbines and photovoltaic can be improved.
Keywords : Maximum Power Point, Hybrid System, Fuzzy logic controller

## 1. PENDAHULUAN
Sehubungan semakin menipisnya energi fosil dan banyaknya pencemaran lingkungan, membuat  teknologi  pembangkit  listrik  energi terbarukan  seperti  sel  surya  dan  turbin  angin semakin berkembang. Pembangkit listrik energi terbarukan pada berbagai lokasi dapat diintegrasikan  dalam  sistem  distribusi  yang dikenal  dengan  istilah  pembangkit  tersebar ( distributed
generation , DG). Integrasi
distributed generation dalam  sistem  distribusi
dapat  mengurangi  rugi  –  rugi  daya  dan  jatuh tegangan. Dalam integrasi distributed generation ,  persoalan  penting  yang  harus diperhatikan  adalah  bagaimana  menentukan lokasi,  kapasitas  dan  jumlah  pembangkit  serta teknologi yang digunakan.
Ada  beberapa  cara  untuk  meminimalkan rugi-rugi  sistem  distribusi  daya  listrik  dalam rangka  meningkatkan  efisiensi  sistem  di antaranya  rekonfigurasi  jaringan,  pemasangan kapasitor, penyeimbangan beban, dan
meningkatkan aras tegangan listrik menggunakan  regulator.  Cara  pemasangan kapasitor  pada  jaringan  dan  penyeimbangan beban  biasanya  mengalami  kesulitan  karena beban  sistem  distribusi  yang  sangat  dinamis. Dengan  demikian  nilai  kapasitansi  kapasitor harus  selalu  berubah  dari  waktu  ke  waktu  dan beban  harus  dibuat  seimbang.  Sedangkan  cara meminimalkan  rugi-rugi  dengan  meningkatkan harga  tegangan  listrik  memerlukan  biaya  yang besar  karena  seluruh  peralatan  yang  terhubung dengan  sistem  ini  harus  mampu  bekerja  pada tegangan  yang  baru,  sementara  hasilnya  belum tentu  berhasil.  Oleh  karena  itu  diusulkan  suatu gagasan desain kontrol Multi – Input DC – DC Converter Sistem Hibrid Turbin Angin dan Sel Surya menggunakan fuzzy logic untuk tegangan rendah untuk meningkatkan efisiensi, keandalan dan stabilitas pada sistem distributed generation energi terbarukan surya dan angin yang optimal. Sistem  pada  penelitian  ini  hanya  difokuskan pada pembuatan kontrol Multi – Input DC – DC menggunakan fuzzy logic dan  merupakan
keberlanjutan  dari  penelitian  atau  thesis sebelumnya  yang  hanya  sampai  pada  simulasi sistem.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1   Sel Surya
Energi  radiasi  surya  dapat  diubah  menjadi arus  listrik  searah  dengan  mempergunakan lapisan-lapisan tipis dari silicon (Si) murni atau bahan  semi  konduktor  lainnya.  saat  ini  silicon merupakan  bahan  yang  terbanyak  dipakai. Susunan  PV  adalah  sel  surya,  yang  mana dasarnya sebuah semikonduktor p-n.
Karakteristik  Arus-Tegangan(I-V)  dari  solar photovoltaic seperti persamaan(1) dibawah [1].
𝐼 𝑃𝑉 = 𝑛 𝑝 𝐼 𝑆𝐶 − 𝑛 𝑝 𝐼 𝑜 {𝑒𝑥𝑝 [ 𝑞(𝑉 𝑃𝑉 +𝑅 𝑠 𝐼 𝑃𝑉 ) 𝐴𝑘𝑇𝑛 𝑠 ] − 1} − 𝑛 𝑝 (𝑉 𝑃𝑉 +𝑅 𝑠 𝐼 𝑃𝑉 ) 𝑛 𝑠 𝑅 𝑠ℎ (1)
Dimana 𝑉 𝑃𝑉 dan 𝐼 𝑃𝑉 menunjukkan keluaran  tegangan  dan  arus  dari  sel  surya, berurutan ; 𝑅 𝑠 dan 𝑅 𝑠ℎ adalah seri dan hambatan shunt dari sel; 𝑞 adalah muatan elektron (1.6𝑒 −19 𝐶) ; 𝐼 𝑆𝐶 adalah  arus  yang dibangkitkan cahaya; 𝐼 𝑜 arus reverse saturasi; 𝐴 adalah factor  sambungan material yang
berdimensi; 𝑘 adalah  konstanta  Boltzmann (1.3𝑒 −23 𝐽/𝐾) ; 𝑇 adalah temperatur (𝐾) ; 𝑛 𝑝 dan 𝑛 𝑠 adalah jumlah sel –sel yang dikoneksi parallel dan seri berurutan [1].

## 2.2   Turbin Angin
Angin  adalah  udara  bergerak  yang  terjadi karena  pemanasan  tidak  merata  oleh  matahari terhadap      permukaan  bumi.  Gerakan  udara adalah  energi  kinetik  angin  yang  dapat dimanfaatkan untuk  berbagai keperluan, seperti penggerak generator pembangkit listrik melalui sistem  konversi  dengan  turbin  angin.  Jumlah daya  angin  yang  ditangkap  turbin  tergantung kepada  ukuran  baling-baling  turbin  dan kecepatan angin, dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut :
𝑃 𝑤𝑡 = 1 2 𝜋𝑅 2 𝜌𝑣 3 (2)
𝑅 adalah  jari-jari  turbin  angin, 𝜌 densitas udara  dan 𝑣 kecepatan  angin.  Daya  mekanik yang dihasilkan turbin ditentukan oleh efisiensi turbin angin, yang dirumuskan dengan persamaan :
𝑃 𝑚 = 1 2 𝜂𝜋𝜌𝑅 2 𝑣 3 (3)
Berdasarkan  Bezt  limit,  efisiensi  turbin angin maksimum adalah 0.57. Nilai efisiensi ini ditentukan    oleh  koefisien  daya  dan  Tip  Speed Ratio  (TSR)  [5].  Koefisien  daya  adalah  rasio daya  mekanik  pada    turbin  dengan  daya  angin yang  ditangkap  oleh  baling-baling  turbin    dan TSR  merupakan  rasio    kecepatan  baling-baling turbin dengan kecepatan angin, yang dijabarkan dalam persamaan :
𝐶 𝑝 = 𝑃 𝑚 𝑃 𝑤𝑡 (4)
𝜆 = 𝜔 𝑤 𝑅 𝑣 (5)
𝐶 𝑝 adalah  Koefisien  daya  , 𝜆 Tip  Speed Ratio  (TSR)  dan 𝜔 𝑤 merupakan  kecepatan angular  turbin.Hubungan  antara  daya  mekanik dengan  koefisien  daya  dan  TSR  dijabarkan dalam persamaan:
𝑃 𝑚 = 1 2 𝜋𝜌𝐶 𝑝 (𝜆, 𝛽)𝑅 2 𝑣 3 (6)
𝛽 merupakan  sudut  baling-baling  turbin terhadap arah angin. Daya mekanik  merupakan daya  yang  akan  ditransfer  ke  generator.  Nilai koefisien  daya  ditentukan  oleh  TSR  dan  sudut baling-baling  turbin.  Hubungan  antara  TSR, koefisien  daya  dan  sudut  baling-baling  turbin dinyatakan dengan persamaan:
𝐶 𝑝 (𝜆, 𝛽) = 𝑐 1 ( 𝑐 2 𝜆 𝑖 − 𝑐 3 𝛽 − 𝑐 4 ) 𝑒 −𝑐5 𝜆𝑖 + 𝑐 6 𝜆 (7)
Dengan
1 𝜆 𝑖 = 1 𝜆+0.08𝛽 − 0.035 𝛽 3 +1 (8)
𝑐 1 sampai 𝑐 2 merupakan  konstanta.  Nilai TSR  ditentukan  oleh  kecepatan  putaran  turbin dan    kecepatan  angin.  Nilai  koefisien  daya  dan TSR  bervariasi  pada  satu  kecepatan  angin, tergantung    kepada  putaran  turbin.  Torka mekanik  yang  digunakan  untuk  memutar generator  ditentukan  oleh  kecepatan  putaran turbin dan daya mekanik turbin, yang dijabarkan dengan persamaan :
𝑇 𝑚 = 0.5𝜋𝜌𝐶 𝑝 𝛽𝑅 2 𝑣 3 (9)
Pada  turbin  angin  yang  menggunakan  gearbox, daya  dan  torka  mekanik  pada  poros  generator adalah:
𝑃 𝑚 = 𝜔 𝑚 𝑇 𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡 𝜂 𝑔𝑒𝑎𝑟 (10)
𝑇 𝑚 = 𝑇 𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡 𝜂 𝑔𝑒𝑎𝑟 (11) 𝜔 𝑚 =   𝜔 𝑚 𝜂 𝑔𝑒𝑎𝑟
𝑇 𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡 adalah  torka  mekanik  pada  poros kecepatan rendah, 𝑇 𝑚 torka mekanik pada poros generator, 𝜔 𝑤 kecepatan angular turbin, 𝜔 𝑚 kecepatan  mekanik  poros  generator  dan 𝜂 𝑔𝑒𝑎𝑟 efisiensi gearbox.

## 3. METODOLOGI ATAU TEORI
Karakteristik Photovoltaic (PV) dan Turbin Angin
Plot karakteristik PV menggunakan diagram berikut:
Gambar 1. Diagram Blok Plot Karakteristik PV

## 3.1   Karakteristik
Gambar 2. Karakteristik PV
Dari grafik diatas diperoleh tegangan optimum tiap variasi Irradiance.
Tabel 1. Tegangan Optimum pada PV I(Arus) A Irradiance Kw/m 2 V(tegangan) Volt P(Daya) Watt 15.81 1 31.61 499.6 14.98 0.9 29.95 448.5 13.8 0.8 27.59 380.7 10.57 0.7 31.7 335.1 9.852 0.6 29.56 291.2 7.675 0.5 30.7 235.7 6.072 0.4 30.36 184.4 5.132 0.3 25.66 131.7 3.122 0.2 28.1 87.73 3.2   Karakteristik Turbin Angin Plot karakteristik Turbin Angin menggunakan diagram berikut : Gambar 3. Diagram Blok Plot Karakteristik
Turbin Angin
Gambar 4. Karakteristik Turbin Angin
Dari  Gambar  4  diatas  diperoleh  tegangan optimum tiap variasi Kecepatan angin.

## Tabel 2.Tegangan Optimum pada Turbin Angin
Kecepatan Angin (m/s) Arus Optimum (A) Tegangan Optimum (V) Daya Optimum (Watt) 6 m/s 1.2 37 44 7 m/s 2 40 79 8 m/s 2.4 48 110 9 m/s 2.7 54 145 10 m/s 3 60 185 11 m/s 3.45 68 230 12 m/s 6.2 62 395 Karakteristik tegangan optimum
Photovoltaic dan Tubin Angin diatas digunakan untuk desain Fuzzy Logic controller.

## 3.3   Konfigurasi Sistem yang diusulkan 3.3.1  Multi-Input Konverter DC/DC
Multi-input  konverter  yang  diusulkan dc/dc  adalah  perpaduan  dari  converter  buck- boost  dan    buck.  Sintesis  dari  masukan-multi converter
DC/DC
dilakukan dengan memasukkan  sumber  tegangan  berdenyut  dari converter  buck  kedalam  konverter buck-boost. Agar  tidak  menghambat  operasi  normal  dari konverter buck-boost dan memanfaatkan induktor  untuk  konverter  buck  ,  sumber tegangan  berdenyut  dari  konverter  buck  harus dihubungkan seri dengan induktor output.
Berdasarkan  status  konduksi  dari  switch M 1 dan  M 2 ,  konverter  multi-  input  DC/DC memiliki  empat  mode  operasi.  Gambar.  7  (a) sampai  (d)  menunjukkan  rangkaian  ekivalen untuk Mode I sampai  Mode IV.  Ketika switch M 1 atau  M 2 dimatikan,  dioda  D 1 dan  D 2 akan memberikan  jalan  bebas  berputar  untuk  arus induktor. Jika salah satu sumber tegangan gagal, tegangan  lainnya  masih  dapat  menyediakan energi  listrik,  dengan  normal.  Oleh  karena  itu, itu  sangat  cocok  untuk  aplikasi  energi terbarukan.
Hubungan  tegangan  input-output  dapat diturunkan  dari  analisis  keseimbangan  steady- state  tegangan  kedua  dari    induktor.  Jika  M 1 memiliki  waktu  konduksi  lebih  lama  dari  M 2 , maka  operasi  rangkaian  ekivalen  untuk  satu siklus  switching  akan  mengikuti  urutan  dari Mode I, Mode III, dan Mode IV. Di sisi lain, jika M 2 memiliki waktu konduksi lebih lama dari M 1 , urutan menjadi Mode II, Mode III, dan Mode IV. Dalam  kedua  kasus,  tegangan  output  dapat dinyatakan sebagai:
𝑉 𝐷𝐶 = 𝑑 1 1−𝑑 2 𝑉 𝑃𝑉 + 𝑑 2 1−𝑑 2 𝑉 𝑊𝑖𝑛𝑑 (12)
dimana d 1 dan d 2 adalah rasio duty dari  switch M 1 dan M 2 . Demikian pula, inputan rata-rata dan arus output  dapat diperoleh:
𝐼 1 = 𝑑 1 1−𝑑 2 𝐼 0 (13)
𝐼 2 = 𝑑 2 1−𝑑 2 𝐼 0 (14)
Dari  persamaan    tegangan  steady-state dan persamaan-persamaan arus, tuntutan distribusi  daya  yang  berbeda  dari  konverter multi-input DC/DC dapat dicapai.
VPV Vangin VPV Vangin VPV Vangin VPV Vangin L C R a) Mode I b) Mode II c) Mode III d) Mode IV L C R L C R L C R
Gambar 5. Rangkaian-rangkaian ekuivalen untuk konverter multi input DC/DC .

## 3.3.2  Desain control Fuzzy Logic Controller
Fuzzy  logic  controller  digunakan  untuk mengkontrol  Pulse  wave  modulation  (PWM) untuk  mengatur  multi  input  DC/DC  agar memperoleh  daya  optimum  dari  sel  surya  dan turbin  angin.  Desain  fuzzy  logic  dapat  dilihat pada gambar dibawah:
Gambar 6. Desain Fuzzy Logic untuk pengaturan sel surya.
Pada  desain  diatas  dapat  dilihat  fuzzy logic controller didesain terdiri dari 3 input dan satu  output.  Input  VDC  meprupakan  input tegangan actual dari sel surya, sedangkan input Tc  adalah  input  suhu  cel  dan  E  adalah  input irradiance  sedangkan  outputnya  adalah  duty cycle.  Membership  function  dari    input  dan output dapat dilihat dari gambar dibawah ini:
Gambar 7. Membership Function VDC.
Gambar 8. Membership Function TC.
Gambar 9. Membership Function E.
Gambar 10. Membership Function Output.
Dari membership function dari PV dapat dibuat  rule  Fuzzy  logic  controller  seperti dibawah:
Untuk Desain fuzzy logic untuk mengatur turbin angin dapat dilihat pada gambar dibawah:
Gambar 11. Desain Fuzzy Logic untuk pengaturan Turbin Angin.
Pada  desain  diatas  dapat  dilihat  fuzzy logic controller didesain terdiri dari 2 input dan satu  output.  Input  VDC  meprupakan  input tegangan  actual  dari  turbin  angin,  sedangkan input  V  adalah  kecepatan  angin  sedangkan outputnya  adalah  duty  cycle.  Membership function dari  input dan output dapat dilihat dari gambar dibawah ini:
Gambar 12. Membership Function VDC.
Gambar 13. Membership Function V.
Gambar 14. Membership Function Output.
Dari  membership  function  dari  Turbin Angin  dapat  dibuat  rule  Fuzzy  logic  controller seperti dibawah:

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam  simulasi  ini  digunakan software MATLAB 2010 mensimulasikan desain kontrol multi  input  DC  –  DC  converter  sistem  hibrid angin dan surya menggunakan fuzzy logic.
Photovoltaic Load DC-DC Turbin Angin AC-DC FLC FLC Tc(Suhu Sel) E(Irradiance) V(Kecepatan Angin) Vpv(Tegangan PV) Vwt(Tegangan Aktual ) Multi_input konverter dc/dc PMSG
Gambar 15. Simulasi Desain Kontrol DC – DC Konverter Sistem Hibrid Tenaga Angin dan Sel Surya Menggunakan Fuzzy Logic untuk
Tegangan Rendah dengan MATLAB 2010 Sistem Hibrid terdiri dari Photovoltaic (PV) dan  Turbin  Angin  (TA)  yang  dihubungkan dengan beban, kontroler MPPTnya menggunakan Fuzzy Logic  Controller yang mana inputan FLC adalah E(Irradiance) , VDC (Tegangan  aktual)  dan  Tc(suhu  sel)  untuk Photovoltaic  (PV)  sedangkan  untuk  Turbin Angin (TA) inputan Fuzzy Logic Controllernya adalah v(kecepatan angin) dan VDC (Tegangan aktual). Fuzzy  Logic Controller    berfungsi mencari  Duty  Cycle  dari  PWM  untuk mengkontrol  Multi-input  Buck-boost  untuk menggeser  tegangan  aktual  ke  tegangan optimum.
Hasil  dari  simulasi  system  hybrid  dapat dilihat dibawah:
Voltage (volt) 11.5 11 624.5 624 623.5 1.15 1.13 1.35 Time (second) 12 1.12 1.125 1.14 1.145 625 625.5 626 12.5 13 13.5 49 49.5 50 50.5 51 Current (A) power (watt)
Gambar 16. Hasil simulasi system hybrid sel surya dan turbin angin.
Dari  hasil  diatas  pada  kecepatan  angin  12 m/s  dan  irradiance  800  watt/m 2 sistem  hybrid dapat menghasilkan daya 625 watt pada kondisi daya  jumlah  maksimum    sel  surya  dan  turbin angin 894 watt.

## 5. KESIMPULAN
Sistem hybrid menggunakan multi input DC/ DC yang dikontrol dengan menggunakan Fuzzy Logic Controller dapat menghasilkan daya pada kondisi  maksimum  dari  daya  maksimum  sel surya dan turbin angin sehingga losses pada sel surya dan turbin angin dapat diperkecil.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Nabil  A.A,  Masafumi  Miyatake,A.K.Al-
Othman,  Power  Fluctutions  Suppression Of  Stand-Alone  Hybrid  Generation Combining Solar Photovoltaic/Wind Turbine  And  Fuel  Cell,  Science  Direct (2008). [2] Syafaruddin,Engin Karatepe,Takashi Hiyama, Polar Coordinated Fuzzy Controller  Based  Real-Time  Maximum- Power  Point  Control  Of  Photovoltaic System, Science Direct (2009). [3] F.Almonacid, C.Rus,P.J .Perez, L.Hontoria, Estimation Of The Energy Of PV  Generator  Using  Artificial  Neural
Network, ScienceDirect(2009).
[4] Yusuf  Oner,  Engin  Cetin,Harun  Kemal
Ozturk,Ahmet  Yilanci,  Design  Of  Three
Degree Of Freedom Spherical Motor For
Photovoltaic-Tracking  Systems,  Science
Direct (2009).
[5] Yulin  He,  Xinping  Chen,  Wind  Turbine
Generator  System.The  Supply  Chain  In
China  :Status  And  Problems,  Science Direct (2009).
[6] Wissem Zghal, Gueorgui Kantchev, Hedi Kchaou,  Optimization  And  Management Of  Energy  Produced  By  A  Wind Energizing System, Science Direct (2010).
[7] Y.-M. Chen, S.-C Hung,C-S.Cheng , and Y.-C.Liu , Multi-Input Inverter For Grid-
Connected  Hybrid  PV/Wind  Power System , IEEE (2005).
[8] Chian-song  Chiu  ,  T-S  Fuzzy  Maximum
Power  Point  Tracking  Control  of  Solar
Power Generation Systems.
[9] Muldi Yuhendri , Mochamad Ashari , dan Mauridhi  Hery  Purnomo  ,  Maximum Output  Power  Tracking  dengan  Metode Direct    Field  Oriented  Control  Pada Pembangkit Listrik Tenaga  Angin Stand Alone , Seminar Nasional XIV - FTI-ITS (2009). [10] Soedibyo,  Feby  Agung  Pamuji  and Mochamad Ashari, “Grid Quality Hybrid Power  System  Control  of  Microhydro, Wind Turbine and Fuel Cell Using Fuzzy Logic”, International Review on Modelling and Simulations (I.RE.MO.S), Vol 6, No 4, Agust 2013, pp 1271 - 1278, Indexed in Scopus, ISSN : 1974 - 9821 / e-ISSN : 1974 - 983X [11] Dedy  Kurnia  Setiawan,  Mochamad Ashari, Mauridhi Hery Purnomo, “Modified Synchronous Reference Frame untuk  Pengendalian  Inverter  Empat Lengan  pada  Sistem  Hibrida  Generator Diesel  dan  Battery  dengan  Beban  Tidak Seimbang”, JITEE (Journal of Information  Technology  and  Electrical
Engineering), vol. 2, no. 1, April 2010.

## Biodata Penulis
Feby Agung Pamuji, memperoleh gelar sarjana dari  Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya,  Indonesia    pada  tahun  2009.    Pada tahun 2012, dia memperoleh gelar megister dari ITS, dia bergabung di ITS sebagai staf pengajar pada tahun 2012.
Soedibyo, memperoleh  gelar  sarjana  dan megister    dari    Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember  (ITS)  Surabaya,  Indonesia,  pada 2013,  dia  memperoleh  gelar  doktor  dari    ITS, penelitiannyan di ITS dengan topik ”optimization  and  control  of  hybrid  power system  involving  diesel  engine,  micro  hydro, wind turbine and fuel cell system”.