## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)

## PENGENDALIAN MPPT BERBASIS METODE P&O MENGGUNAKAN BOOST CONVERTER
Frediawan Yuniar fr_ays@yahoo.co.id Universitas Brawijaya
Rini Nur Hasanah
rini.hasanah@ub.ac.id Universitas Brawijaya Onny Setyawati osetyawati@ub.ac.id Universitas Brawijaya Abstrak
Sinar  matahari  merupakan  sumber  energi  terbarukan  yang tersedia  secara  gratis  dan  dapat  menjadi  alternatif  sumber energi  listrik  selain  yang  disediakan  oleh  Perusahaan  Listrik Negara  (PLN).  Dalam  bentuk photovoltaic (PV),  penyediaan energi  listrik  bersumber  sinar  matahari  diharapkan  mampu memberikan  suplai  daya  yang  sama  handalnya  dengan  PLN. Untuk  memaksimalkan  daya  yang  dihasilkan  sistem  PV, diterapkan  teknik maximum  power  point  tracking (MPPT). Berbagai  algoritme  pengendalian  dicari  untuk  memaksimalkan daya  sistem  PV.  Pada  penelitian  ini  dikaji  penggunaan  metode perturb  and  observe (P&O) yang  diimplementasikan  pada modulasi  lebar  pulsa  ( pulse-width  modulation /PWM)  untuk mengendalikan boost  converter .  Untuk  mengatasi  timbulnya osilasi  di  sekitar  titik  daya  maksimum  karena  penggunaan metode  P&O,  pada  penelitian  ini  diusulkan  modifikasi  dengan menambahkan  pengukuran  variabel  arus  saat  perubahan iradiasi. Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  hilangnya  potensi daya  yang  dibangkitkan  dapat  dikurangi,  yang  tidak  dapat dilacak jika menggunakan metode P&O konvensional.
Kata  kunci ___ Boost  Converter,  MPPT,  Perturb  and  observe, Photovoltaic.

## Abstract
Sunlight  is  a  source  of  renewable  energy  which  is  available  for free  and  can  bcome  an  alternative  source  of  electrical  energy, beside that supplied by the State Electricity Company (PLN). In the  form  of  photovoltaic,  the  electricity  generated  using photovoltaic  is  expected  to  be  as  reliable  as  that  provided  by PLN.  To  maximize  the  power  production  of  the  photovoltaic system,  the  maximum  power  point  tracking  (MPPT)  techniques have  been  commonly  applied.  Various  control  algorithms  have been  recently  sought  to  maximize  the  generated  power.  In  this study,  the  use  of  perturb  and  observe  (P&O)  method,  which  is implemented  in  a  pulse-width  modulation  (PWM)  technique  to control a boost converter. To overcome the problem of oscillation around  the  maximum-power  point  because  of  the  use  of  P&O method,  a  modification  is  proposed  through  the  addition  of current variable measurement at the time of iradiation changes. The simulation results indicate that the loss of generated power potential,  which  cannot  be  tracked  using  the  conventional method of P&O, can be reduced.
Keywords ___ Boost  Converter,  MPPT,  Perturb  and  Observe Photovoltaic.

## I. PENDAHULUAN
Sistem photovoltaic (PV)  adalah  sistem  pembangkit  daya listrik  yang  menggunakan  sumber  energi  dari  cahaya matahari.  Listrik  yang  dihasilkan  dapat  langsung  digunakan oleh  peralatan  listrik  atau  dapat  juga  disambungkan  dengan jaringan listrik publik. Teknologi PV dan penerapannya pada sistem  yang  terhubung  ke  jaringan  public  ( grid-connected ) berkembang  pesat.  Sistem photovoltaic menghasilkan  listrik yang  ramah  lingkungan  [1].  Pembangkitan  daya  listrik bersumber  energi  terbarukan  menghadirkan  tantangan tersendiri agar dapat sama handalnya dengan suplai daya yang disediakan  PLN.  Berdasarkan  data  Badan  Pengkajian  dan Penerapan  Teknologi  (BPPT)  serta  Badan  Meteorologi  dan Geofisika (BMG) diketahui bahwa intensitas radiasi matahari di  Indonesia  berkisar  antara  2,5  hingga  5,7  kWh/m 2 . Beberapa  wilayah  Indonesia  seperti  Lampung,  Jawa  Tengah, Sulawesi  Tengah,  Papua,  Bali,  NTB,  dan  NTT  mempunyai intensitas  radiasi  melebihi  5  kWh/m 2 .  Daerah  di  Jawa  Barat, khusunya di Bogor dan Bandung mempunyai intensitas radiasi matahari  sekitar  2  kWh/m 2 ,  sedangkan  untuk  wilayah Indonesia  lainnya  besarnya  rata-rata  intensitas  radiasi  adalah sekitar 4 kWh/m 2 [2]. Sejauh ini sudah banyak hasil penelitian mengenai  metode  pengoptimalan  daya  yang  dihasilkan photovoltaic menggunakan berbagai metode maximum power point tracking (MPPT) , yang dikaji dalam berbagai publikasi ilmiah  nasional  maupun  internasional.  MPPT  merupakan metode  untuk  mencari  titik  maksimum  pada  kurva karakteristik  daya  dan  tegangan  masukan  (P-V)  sistem photovoltaic .  Sistem    MPPT  dengan  menggunakan  konverter DC-DC  digunakan  untuk  mengatur  besarnya  tegangan keluaran pada photovoltaic , agar dapat memaksa photovoltaic memperoleh  daya maximum pada  berbagai  tingkat  intensitas cahaya.  Beberapa  diantaranya  juga  mengkaji  mengenai bagaimana menghubungkan sistem PV dengan jaringan listrik publik,  antara  lain  menggunakan single-stage  grid-connected inverter [1], grid-connection untuk  sistem  tiga  fasa  [3], maupun photovoltaic  grid-connected yang  dihubungkan terlebih  dahulu  dengan  baterai  [4].  Beberapa  penelitian  juga telah  membahas  penggunaan  sistem  MPPT  untuk meningkatkan  kualitas photovoltaic yang  dihasilkan.  Kajian penggunaan  MPPT  dengan  menerapkan  teori fuzzy  control dapat digunakan  sebagai  pelacak  daya  maksimum  sistem photovoltaic dan  terbukti  memiliki  kemampuan  pelacakan daya  yang  tinggi  pada  kondisi  luar  yang  berubah-ubah  [5].
2
Sistem  MPPT  yang  mengadopsi  kombinasi  metode pengendalian fuzzy-PI menunjukkan  performansi  yang  lebih baik dalam hal kecepatan pelacakan titik daya maksimum dan steady-state  error [6]. Perturb  and  Observe (P&O) adalah metode  kontrol  klasik  yang  diaplikasikan  pada  sistem  MPPT dengan  cara  mengukur  tegangan  dan  arus  keluaran  PV . Pengukuran  terhadap  perubahan  tegangan  dilakukan  untuk memungkinkan  penghitungan  setiap  kali  terjadi  perubahan daya.  Kelebihan  metode  P&O  adalah  kemampuannya  untuk dapat  dengan  cepat  melakukan  pelacakan  titik  daya maksimum  karena selalu dilakukan penghitungan jika terjadi perubahan  daya.  Kekurangannya  adalah  timbulnya  osilasi  di sekitar  titik  daya  maksimum  ketika  kondisi  tersebut  tercapai [7] . Pada  kajian  ini  dilakukan  modifikasi  pada  metode  P&O untuk  mengurangi  osilasi  yang  diakibatkan  oleh  gangguan atau perubahan iradiasi di sekitar titik daya maksimum .

## II. SISTEM PHOTOVOLTAIC

## A. Photovoltaic
Tegangan  listrik  yang  dihasilkan  sel  PV  tidak  tergantung pada  besaran  luas  bidang silicon melainkan  secara  konstan menghasilkan  daya  dari  tegangan  yang  berkisar  ±0,5  V (paling  besar  0,6V)  pada  arus  2  A.  Radiasi  matahari  sebesar 1000  W/m 2 dapat  menghasilkan  arus  listrik  (I)  sekitar  30 mA/cm 2 per  sel  surya. Photovoltaic menghasilkan  daya maksimum  jika nilai tegangan dan arus juga maksimum, pada V m dan I m . I sc adalah  arus  listrik  maksimum  pada  saat  nilai tegangannya  nol. I sc berbanding  langsung  dengan ketersediaan  sinar  matahari. V oc adalah  nilai  tegangan maksimum pada saat nilai arus nol, seperti dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar. 1 Kurva V-I [8]
Model  matematika  suatu photovoltaic dinyatakan menggunakan besaran arus short-circuit ( I sc ) yang dipengaruhi oleh  fungsi  iluminasi  matahari  ( S )  dan  tegangan open-circuit ( V oc ) dengan persamaan berikut.
𝐼 ! ! 𝑛 ! 𝐼 ! ! − 𝑛 ! 𝐼 !" 𝑒𝑥𝑝 !"# !"# ! ! − 1 ............ (1)
dengan I o merupakan  arus  keluaran photovoltaic;  n p banyaknya sel yang terhubung paralel; n s banyaknya sel yang
terhubung  seri; k konstanta Boltzmann;  q kecepatan perpindahan  elektron ;  T suhu  permukaan  panel,  dan A konstanta deviasi karakteristik p-n junction sel .  I rs merupakan arus balik saturasi pada sel yang berubah mengikuti besarnya temperatur.

## B. MPPT
MPPT  ( Maximum  Power  Point  Tracking ) adalah  teknik yang  digunakan  untuk  menjaga  sistem photovoltaic bekerja dalam  titik  daya  maksimum,  seperti  dapat  dilihat  pada Gambar 2.

## Gambar. 2 Grafik titik daya maksimum [9]
Berdasarkan  Gambar  2  dapat  diketahui  bahwa  titik  daya maksimum  berada  pada  titik  E  dan  F.  Titik-titik  ini dipengaruhi  oleh  suhu  dan  iradiasi,  sebagaimana  terlihat perbedaannya  pada  dua  suhu  yang  berbeda  yaitu  40 0 C  dan 80 0 C.  Kerja  PV  akan  berubah  sesuai  dengan  perubahan  nilai suhu dan iradiasi.

## C. Boost Converter
Jenis konverter ini merupakan konverter arus searah yang digunakan untuk menghasilkan  tegangan keluaran yang lebih tinggi  dari  pada  tegangan  masukannya,  atau  biasa  disebut sebagai  konverter  penaik  tegangan.  Seperti  terlihat  pada Gambar 3, komponen utamanya terdiri dari MOSFET, dioda, induktor, dan kapasitor.
Gambar. 3 Boost Converter [10]
Pada  skema  di  Gambar  3,  saat  saklar  atau switch pada kondisi tertutup (selama waktu t on ), arus mengalir ke induktor sehingga  menyebabkan  energi  tersimpan  di  dalamnya.    Saat saklar    MOSFET  terbuka  (selama  waktu  t off ),  arus  induktor mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi yang

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)
tersimpan dalam induktor berkurang. Selama waktu t off , beban dicatu  dari  tegangan  sumber  serta  tegangan  induktor  yang sedang  melepaskan  energi.    Kondisi  ini  menyebabkan tegangan  keluaran  menjadi  lebih  besar  dibandingkan  dengan tegangan  masukannya.    Rasio  antara  tegangan  keluaran  dan tegangan  masukan  ini  sebanding  dengan  rasio  antara  periode penutupan saklar dan periode pembukaan saklar.

## III. RANCANGAN SISTEM PENGENDALI
Penelitian mengenai pengendalian MPPT berbasis metode P&O menggunakan boost converter dilakukan melalui proses simulasi. Simulasi dilakukan dengan terlebih dahulu membuat model  keseluruhan  sistem.  Simulasi  dilakukan  pada  berbagai kondisi  dan  nilai  variabel  penelitian.  Analisis  terhadap  hasil simulasi  dilakukan  untuk  mendapatkan  kesimpulan  dari  hasil penelitian. Diagram blok sistem MPPT yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar. 4 Blok diagram sistem MPPT
Pada Gambar 4 blok photovoltaic mewakili beberapa panel photovoltaic yang  tersusun  secara  seri,  yang  dihubungkan dengan blok boost converter dan blok P&O controller . Selain menerima sinyal dari blok photovoltaic , blok boost converter juga akan menerima signal dari blok P&O yang keluarannya berupa  sinyal  PWM  yang  terkendali.  Blok boost  converter dihubungkan  dengan  beban,  yang  pada  penelitian  ini  berupa beban resistif.
A. Photovoltaic
Modul photovoltaic yang digunakan adalah tipe 1soltech 1STH-250-WH yang memiliki daya maksimum sekitar 250 W. Spesifikasi selengkapnya diberikan pada Tabel I.
Agar diperoleh daya sekitar 2000 W maka modul disusun secara seri menggunakan 8 modul. Tegangan yang dihasilkan dinyatakan oleh persamaan berikut.
𝑉 !"!#$ = 𝑉 ! + 𝑉 ! + 𝑉 ! … 𝑉 ! ............................ (2)
Daya  maksimum  yang  dihasilkan  modul photovoltaic dipengaruhi  oleh  perubahan  suhu  dan  iradiasi,  sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Gambar. 5 Grafik pengaruh  perubahan iradiasi pada photovoltaic
Gambar. 6 Grafik pengaruh  perubahan suhu pada photovoltaic
Gambar  5  dan  6  menunjukkan  kedua  gambar  tersebut dapat  dilihat  saat  kenaikan  iradiasi  mulai  dari  100  W/m 2 hingga  1000  W/m 2 bahwa  perubahan  iradiasi  sangat berpengaruh terhadap daya photovoltaic khususnya arus yang dihasilkan oleh photovoltaic.
B. Boost Converter Hubungan antara V out ,V in dan D pada boost converter dapat ditunjukan dengan persamaan (3)
!" !"# = ! ! ! ! .............................................................. (3)
Nilai kapasitansi kapasitor pada boost converter dirancang sedemikian sehingga C lebih besar dari C min yang dinyatakan dengan persamaan (4)
𝐶 !"# = !" ∗ ! ! ∗ ∆ !" ∗ ! ................................................. (4)
Nilai induktansi induktor ditetapkan sedemikian sehingga L lebih besar dari L min yang dinyatakan dengan persamaan (5)
𝐿 !"# = ! ( ! ! ! ) ! ! ∗ ! ∗ 𝑅 ............................................ (5)
Dengan  menggunakan  persamaan  (4)  dan  persamaan  (5), diperoleh nilai parameter untuk boost converter , seperti yang diberikan pada Tabel I.
Tabel I
Nilai parameter C dan L pada boost converter Inductor / Capacitor Keterangan Capacitor (C) 2000 µ 𝑓 Inductor (L) 4000 µ 𝐻
4

## C. Algoritme Perturb and Observe
Algoritme P&O yang digunakan dalam MPPT ditunjukkan pada Gambar 7
Gambar. 7 Perturb and observe Algorithm flowchart modifikasi
Modifikasi  dilakukan  dengan  penambahan  delta I yang berguna  untuk  melakukan  perhitungan  nilai  arus  sebelum memberikan  kenaikan  atau  penurunan  nilai duty-cycle .  Nilai positif dP karena  gangguan  atau  peningkatan  iradiasi    dapat dideteksi menggunakan parameter dI .

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  yang  diperoleh  meliputi  hasil  simulasi  pengujian photovoltaic menggunakan  MPPT,  serta  perbandingan  antara hasil simulasi penerapan metode P&O konvensional dan P&O modifikasi.  Pengujian  sistem  MPPT  juga  dilakukan  dengan memberikan perubahan beban.
Pada  Gambar  8  ditunjukkan  kurva  daya  yang  dihasilkan PV  menggunakan  MPPT  dan  metode  P&O  konvensional. Terlihat bahwa daya maksimum yang dihasikan memiliki nilai rata-rata sekitar 1997,3 W saat iradiasi matahari sebesar 1000 W/m 2 pada suhu 25 0 C.
Gambar 9 menunjukkan kurva daya yang dihasilkan boost converter pada  sistem  MPPT  menggunakan  metode  P&O konvensional.  Terlihat  bahwa  daya  yang  dihasilkan  sekitar 1953,8  W,  yang  berbeda  dari  daya  yang  dihasilkan  oleh photovoltaic .  Perbedaan  daya  ini  karena  pengaruh  komponen sistem pada boost converter dan ini masih dapat di toleransi karena  daya  yang  dihasilkan  berada  di  sekitar  nilai  daya maksimum.
Gambar. 8 Daya PV yang dihasilkan MPPT P&O konvensional
Gambar. 9 Daya Boost Converter yang dihasilkan MPPT P&O konvensional
Perbandingan  daya  yang  dihasilkan  antara  penggunaan sistem MPPT dengan metode P&O konvensional dan metode P&O modifikasi diberikan pada Gambar 10.

## Gambar. 10 Perbandingan daya yang dihasilkan pada penggunaan metode P&O konvensional dan metode P&O modifikasi
Terlihat  dari  Gambar  10  bahwa  hasil  yang  lebih  baik diperoleh  dengan  menggunakan  metode  P&O  modifikasi karena  dapat  mengurangi  osilasi  saat  mencapai  kondisi  titik daya maksimum hingga 90 watt.
Pengaruh perubahan beban pada sistem MPPT ditunjukkan pada Gambar 11.
Gambar. 11 Pengaruh perubahan beban pada sistem MPPT
P&O konvensional P&O Modifikasi Ppv Pdc w w w w t t t t

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)
Dari Gambar 11 terlihat bahwa pada saat terjadi perubahan beban  pada detik ke-3 keluaran daya boost converter mampu kembali ke keadaan steady-state dalam waktu 1 detik.

## V. KESIMPULAN
1) Kedua  algoritma  pengendalian  yang  dibandingkan,  yaitu metode  P&O  konvensional  dan  P&O  yang  dimodifikasi, mampu  melacak  kondisi  titik  daya  maksimum. Perbedaannya  terletak  pada  responnya  saat  terjadi perubahan  iradiasi.  Metode  P&O  yang  dimodifikasi mampu  meningkatkan  daya  karena  kesalahan  kontroler P&O  konvensional  hingga  25  watt,  serta  mampu mengurangi  osilasi  pada  saat  keadaan  daya  maksimum tercapai  hingga  90  watt.  Secara  keseluruhan  dapat dikatakan  bahwa  metode  P&O  yang  dimodifikasi mempunyai  unjuk  kerja  yang  lebih  baik  pada  saat  terjadi perubahan iradiasi.
2) Pada  pengujian  perubahan  beban  pada  sistem  MPPT, kondisi  steady-state  dapat  dicapai  kembali  dalam  waktu kurang lebih 1 detik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   W.  Libo,  Z.  Zhengming,  L.  Jianzheng,  L.  Shu  and  Y. Liqiang,  "Modifi'ed  MPPT  Strategy  Applied  in  Single- Stage Grid-Connected Photovoltaic System," Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2005.
[2]   A.  Nurrohim,  "Pembangkit  Listrik  Tenaga  Hibrid Sebagai Solusi Kelistrikan Di Daerah Terpencil," Jurnal Sains dan Teknolgi Indonesia, 2012.
[3]   H.  Wu  and  X.  Tao,  "Three  Phase  Photovoltaic  Grid- connected  Generation  Technology  with  MPPT  Function and  Voltage  Control," Institute  of  Electrical  and Electronics Engineers, 2009.
[4]   M.  I.  Hossain,  S.  A.  Khan,  M.  Shafiullah  and  M.  J. Hossain,  "Design  and  Implementation  of  MPPT Controlled  Grid  Connected  Photovoltaic  System," Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2011.
[5]   L.  Sun,  Zhengdandan  and  F.  Han,  "Study  on  MPPT Approach  in  Photovoltaic  System  Based  on  Fuzzy Control," Institute  of  Electrical  and  Electronics Engineers, 2013.
[6]   C.-U.  Lee,  J.-S.  Ko,  T.-Y.  Seo,  D.-K.  Kim  and  D.-H. Chung,  "The  MPPT  Control  of  Photovoltaic  System using  Fuzzy-PI  Controller," Institute  of  Electrical  and Electronics Engineers, 2013.
[7]   R.  Raedani  and  M.  Hanif,  "Design,  Testing  and Comparison of P&O, IC and VSSIR MPPT Techniques," Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014.
[8]   S. J.strong, in The solar electric house , p. 54.
[9]   S.  Kollimalla  and  M.  Mishra,  "A  novel  adaptive  P&O MPPT  algorithm  considering  sudden  changes  in  the irradiance," IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014.
[10]  P. Muhammad H. Rashid, Power Electronics Handbook, Florida: Academic Press, 2011.
6