Perbandingan Konverter CUK dan SEPIC Untuk Pelacakan Titik Daya Maksimum Berbasis Panel Surya

## Muhammad Syafei Gozali
Batam Polytechnics
Electrical Engineering study Program E-mail: syafei@polibatam.ac.id

## Abstrak
Untuk  memenuhi  peningkatan  kebutuhan  listrik,  diperlukan  pembangkit  listrik  yang  memanfaatkan  energi  baru terbarukan. Perkembangan teknologi yang pesat saat ini, telah mampu memanfaatkan energi surya menjadi sumber energi  listrik  dengan  menggunakan  panel  surya.  Untuk  mendapatkan  daya  yang  maksimal  dari  panel  surya dibutuhkan  konverter  dc-dc  yang  dikontrol  dengan  menggunakan  algoritma  pelacakan  titik  daya maksimum.Makalah  ini  menyajikan    perbandingan  konverter  CUK  dan  SEPIC  sebagai  pelacak  titik  daya maksimum  dari  sistem  panel  surya.  Kelebihan  dan  kekurangan  dari  kedua  konverter  ini  telah  dijelaskan  dalam makalah  ini.  Algoritma  yang  digunakan  untuk  pelacakan  titik  daya  maksimum  adalah  metode perturb  & observe (P&O). Hasil luaran kedua konverter dievaluasi dan dibandingkan dari hasil simulasi.
Kata kunci: Panel surya, metode P&O, konverter CUK, konverter SEPIC

## Abstract
To meet the increasing demand for electricity, is required the power plants that utilize renewable energy.The rapid development of technology currently, it has been able to take advantage of solar energy into electrical energy by using solar panels.To get the maximum power from the solar panel dc-dc converter is needed, which is controlled by using the maximum power point tracking algorithm(MPPT).This paper presents a comparison between CUK and SEPIC converter in maximum power point tracking of solar panel system. Advantages and disadvantages of both converters are described in this paper. Furthermore, Perturb and Observe (P&O) are used  as  maximum  power  point  tracking  algorithm.  The  evaluation  of  the  output  has  been  carried  out  and compared by software simulation .
Keywords: Solar panel, P&O method, CUK converter, SEPIC converter

## Pendahuluan
Saat  ini,  penggunaan  energi  baru  terbarukan  (EBT) merupakan  hal  penting  yang  digunakan  sebagai pembangkit listrik akibat dari berkurangnya cadangan bahan  bakar  fosil.Energi  surya  merupakan  salah  satu energi  baru  terbarukan  yang  dapat  digunakan  sebagai pembangkit listrik. Untuk mengkonversi  energi surya menjadi  listrik  dapat  dilakukan  secara  langsung  yaitu dengan menggunakan panel surya atau disebut sebagai Pembangkit listrik tenaga surya (PLTS).
PLTS  telah  berkembang  pesat  seiring  dengan  target kebijakan  energi  nasional  yang  menjelaskan  bahwa penggunaan energi baru terbarukan untuk pembangkit listrik pada tahun 2025 sekurang-kurangnya 17% [1]. Untuk memenuhi kebijakan energi nasional ini maaka PLTS  dapat  dihubungkan  ke  sistem  jala-jala  listrik
nasional  baik  secara  langsung  atau  melalui  cadangan baterai [2].
Panel surya merupakan pembangkit listrik yang praktis, tetapi  pembangkit  listrik  ini  memiliki  efisiensi  yang rendah,  dimana  daya  yang  dihasilkan  tergantung  dari iradiasi dan suhu.Untuk meningkat efisiensi dari panel surya  maka  digunakan  teknik  pelacakan  titik  daya maksimum. Algoritma palacakan titik daya maksimum telah  banyak  berkembang  seperti;  metode Pesturb  & Observe (P&O), metode IncrementalConductance (IC), metode ConstantVoltage (CV),  atau  dengan Artificial Intelegent [3].
Algoritma  pelacakan  titik  daya  maksimum    berfungsi untuk  menjaga  tegangan  luaran  dari  panel  surya konstan.  Karena  tegangan  luaran  dari  panel  surya merupakan  tegangan  DC  maka  digunakan  konverter dc-dc.  Umumnya  digunakan  konverter  boost  sebagai
JURNAL INTEGRASI Vol. 5, No. 1, 2013, 15-19
ISSN: 2085-3858
Received February, 2013 Accepted March, 2013
perangkat pelacakan titik daya  maksimum. Konverter boost  ini  hanya  bekerja  jika  taganagn  masukan  lebih kecil  dari  tegangan  luaran  yang  dinginkan.  Jika tegangan  dari  panel  surya  lebih  besar  dari  tegangan yang  dinginkan  maka  konverter  boost  tidak  akan bekerja  akibatnya  daya  maksimum  dari  panel  surya juga tidak tercapai. Sebagai pengganti konverter boost dapat digunakan konverter buck-boost [4].
Pada  makalah  ini  sebagai  pengganti  konverter buck-boost  maka  digunakan  konverter  CUK  dan SEPIC.Untuk  pelacakan  titik  daya  maksimum  dari panel surya digunakan metode P&O.

## Pemodelan Panel Surya
Panel  surya  terbentuk  dari  kombinasi  sel  surya  yang terhubung secara seri dan parallel.Rangakain ekuivalen dari sel surya ditunjukan pada Gambar 1.Tegangan dan arus  dari  sel  surya  dipengaruhi  dari  iradiasi  dan temperature [5].
R p V I I m R s + - + - V I exp 1 S pv O t V R I I I V a                  I pv I O

## Gambar 1. Rangakaian ekuivalen sel surya
Rangkain  ekuivalen  dari  sel  surya  menggunakan  satu sumber  arus I m dan  dua  resistor R s dan R p yang terhubung secara seri dan parallel, dengan I m dihitung menggunakan blok komputasi yang memiliki masukantegangan  sel  surya  ( V ),  arus  panel  surya  ( I ), arus saturasi ( I O ) dan arus sell surya ( I pv ).
Untuk  panel  surya  yang  terbentuk  dari  beberapa  sel surya,  maka  tegangan  thermal  panel  surya  dengan  sel
surya  tehubung  seri / s t V N kT q  ,  jika  panel  surya terbentuk dari sel surya yang  terhubung parallel maka arus  panel  surya  dan  arus  saturasi  menjadi
, pv pv cell P I I N  , , O O cell P I I N 
, besarnya resistansi panel  surya  untuk  sel  surya  yang  terhubung  seri  dan paralel S S S P R R N N  dan P P S P R R N N 
, dengan N s dan N p adalahjumlah  sel  surya  yang terhubung seri  dan parallel.
Pada  makalah  ini,  spesifikasi  panel  surya  yang digunakan,  ditunjukan  pada  Tabel  1.Dengan  kurva karakteristik  I-V  dan  P-V  untuk  perubahan  iradiasi ditunjukan pada Gambar 2 dan Gambar 3.
T ABEL 1.
S PESIFIKASI PANEL SURYA
PADA IRADIASI 1000W/ M 2 DAN SUHU 25 O C Spesifikasi Nilai
Jumlah sel surya 60 Daya maksimum (P MAX ) 240 Wp
Tegangan pada saat daya maksimum (V MAX ) 30.18 V Arus pada saat daya maksimum(I MAX ) 7.96 A Tegangan pada rangkian terbuka (V OC ) 36.72V
Arus pada rangkaian hubung singkat (I SC ) 8.99 A

## Gambar 2. Kurva karakteristik I-V

## Gambar 3. Kurva karakteristik P-V

## Algoritma Pelacakan Titik Daya Maksimum
Metode  P&O  merupakan  teknik  pelacakan  titik  daya maksimum  yang  banyak  digunakan  karena  hanya menggunakan  sedikit  parameter  dan  struktur  umpan balik  yang  sederhana  [3,4,6].  Metode  ini  beroperasi dengan  menambahkan  atau  mengurangi  tegangan referensi (V ref ) secara periodik.
Mulai Mengukur V(k), I(k) P(k)-P(k-1)=0 P(k)-P(k-1)>0 V(k)-V(k-1)>0 V(k)-V(k-1)<0 Mengurangi V ref Mengurangi V ref Menambah  V ref Menambah V ref ya tidak tidak ya tidak ya ya tidak

## Gambar 4. Diagram alir metode P&O
Diagram  alir  dari  metode  P&O  ditunjukan  Gambar 4.Daya luaran (P) dari panel surya dibandingkan daya luaran  dari  sistem.Setelah  daya  luaran  dibandingkan kemudian  diamati  tegangan  (V)  dari  panel  surya  dan dibandingkan  dengan  tegangan  dari  sistem.  Jika  daya meningkat  maka  gangguan  ( perturb )  akan  meningkat kearah  yang  sama  untuk  siklus  berikutnya,  jika  tidak maka  gangguan  akan  bergerak  sebaliknya.    Dengan adanya  perubahan  daya  yang  terganggu  secara  tidak
langsung  juga  menggangu  tegangan  pada  terminal panel  surya  untuk  seluruh  siklus  pelacakan  titik  daya maksimum.  Dengan  menjaga  tegangan  luaran  dari terminal  panel  surya  maka  titik  daya  maksimum  juga akan tercapai.
Skema metode P&O dapat dijelaskan dengan persamaa matematika beikut ini:
Pada daerah sumber tegangan,
0 ref ref ref P V V V V        (1)
Pada daerah sumber arus,
0 ref ref ref P V V V V        (2)
Pada kondisi titik daya maksimum,
0 ref ref ref P V V V V      
 (3)

## Konverter CUK dan SEPIC

## A. Konverter CUK
Konverter  CUK  merupakan  konverter  dc-dc  dengan besarnya tegangan luaran dari konverter ini dapat lebih besar  atau  lebih  kecil  dari  tegangan  masukan,  tetapi tegangan  luaran  dari  konverter  ini  memiliki  polaritas yang  terbalik  dari  tegangan  masukannya.Topologi pensaklaran  dari  konverter  CUK  ditunjukan  pada Gambar  5.Komponen  induktor  L 1 bertindak  sebagai penyaring  ( filter )  pada  suplay  DC  untuk  mencegah harmonic  yang  besar  [7].Besarnya  energi  yang ditransfer  yang  berhubungan  dengan  induktor  pada konverter  CUK  bergantung  pada  kapasitor  C 1 . Tegangan  yang  melewati  induktor  bernilai  nol  pada operasi keadaan yang stabil,
1 C S O V V V   .
Pada  kondisi  saklar  tertutup,  kondisi  dioda  terbuka, dan  arus  pada  C 1, 1 tertutup 2 ( ) C L i I   .  Pada  kondisi saklar  terbuka  arus  pada  L 1 dan  L 2 membuat  dioda tertutup. Arus pada C 1 menjadi,
1 terbuka 1 ( ) C L i I  .
Daya  yang  diserap  beban  R  sama  dengan  daya  yang disuplay  dari  sumber,
2 1 O L S L V I V I   .  Untuk operasi satu perioda arus pada kapasitor sama dengan nol.  Dengan  waktu  saklar  tertutup  adalah DT dan waktu  saklar  tebuka  adalah (1 ) D T  maka, 2 1 (1 ) 0 L L
I DT I D T
    .
Besarnya  daya  yang  disuplay  sumber  harus  sama dengan  daya  yang  diserap  beban, S O P P  atau 1 2 S L O L V I V I   .  Dengan  mensubsitusi  persamaan dari  waktu  buka  dan  tutup  saklar  terhadap  daya  yang diserap dan disuplay, maka didapat besarnya tegangan luaran dari konverter CUK,
1 O S D
V V D          (4)
L 1 V C1 C 1 L 2 C 2 R        V O
V S i L1 i L2 i C1 + + + Gambar 5. Topologi pensaklaran konverter CUK
L 1 V C1
C 1 C 2 R        V O
V S i L1 i C1 + + + L 2 V L2 i D i C2 i L2 +

## Gambar 6. Topologi pensaklaran konverter SEPIC

## B. Konverter SEPIC
Sama  seperti  konverter  CUK,  tegangan  luaran  dari konverter SEPIC dapat lebih besar atau lebih kecil dari  tegangan  masukannya,  yang  berbeda  hanya polaritas dari konverter SEPIC tidak terbalik.Topologi pensaklaran dari konverter SEPIC ditunjukan  pada  Gambar  6.  Pada  kondisi  operasi dalam  keadaan  stabil,  besarnya  tegangan  yang melewati  induktor  adalah  nol,  sehingga  besarnya tegangan pada kapasitor C 1 , 1 C S V V  .
Pada kondisi saklar tertutup, kondisi dioda terbuka, induktor  L 1 terisi  dari  sumber  V S ,  dan  induktor  L 2 mengisi C 1 .Selama kondisi ini, tidak ada energi yang disuplay  ke  beban.  Besarnya  tegangan  yang melewati  L 1 , 1 tertutup ( ) L S v V  ,  sedangkan  pada kondisi  saklar  terbuka,  kondisi  dioda  tertutup,  L 1 mengisi  C 1 dan  secara  bersamaan  dengan  L 2 memberikan arus ke beban. Besarnya tegangan pada L 1 pada  kondisi  ini, 1 terbuka ( ) L O v V   .  Jika  waktu saklar tertutup adalah DT dan waktu saklar terbuka adalah (1 ) D T  dan  besarnya  daya  yang  disuplay sama  dengan  daya  yang  diserap  beban,  maka
( ) (1 ) 0 S O V DT V D T    .  Besarnya  tegangan luaran dari konverter SEPIC,
1 O S D V V D         (5)
Untuk  menghitung  nilai  komponen  dari  kedua konverter dapat dilihat pada Tabel 2.
T ABEL 2.
P ERSAMAAN UNTUK MENGHITUNG NILAI KOMPONEN KONVERTER
Komponen Konverter CUK Konverter SEPIC L 1 1 1 S L V D L f i   L 2 2 2 S L V D L f i   C 1 1 1 O C V D C f v R   1 1 ( ) C O D C f V V R   C 2 2 2 2 1 ( )8 O O D C f V V L    2 ( ) O O D C f V V R  

## Hasil Simulasi
Simulasi  sistem  panel  surya  dilakukan  dengan  tiga tingkat perubahan iradiasi yaitu 1000, 500, 800 w/m2. Spesifikasi  panel  surya  ditunjukan  pada  Tabel 1.Rangkaian  dari  konverter  CUK  dan  SEPIC ditampilkan  pada  Gambar  7.  Dengan  menggunkan persamaan pada tabel 2 maka didapat nilai Komponen yang digunakan. Komponen ditunjukan pada tabel 3.
(a) Rangkaian konverter CUK

## (b) Rangkaian konverter SEPIC
Gambar 7. Rangkain konverter CUK dan SEPIC pada sistem panel surya
T ABEL 3. N ILAI K OMPONEN K ONVERTER Komponen Konverter CUK Konverter SEPIC L 1 2.5 mH 5 mH L 2 2.5 mH 5 mH C 1 50 µF 8 µF C 2 45 µF 45 µF IGBT Switchingfrekuensi 10 kHz
Hasil simulasi dari kedua konverter ditunjukan gambar 8 s/d 12.Gambar 8 menunjukan daya luaran dari sistem panel  surya  dapat  mencapai  titik  daya  maksimum. Daya  maksimum  tercapai  karena  tegangan  dari  panel surya terjaga tetap seperti yang ditunjukan gambar 9(a). Hal  ini  menunjukan  bahwa  algoritma  pelacakan  titik daya  maksimum  telah  bekerja.  Karena  tegangan terjaga  tetap  maka  arus  panel  surya  akan  mengikuti perubahan  dari  daya,  kurva  arus  panel  surya ditunjukkan  gambar  9(b).  Kedua  konverter  yang
digunakan  mampu  mencapai  titik  daya  maksimum dengan methoda P&O.
Gambar 8.Daya luaran panel surya
(a) Kurva tegangan (b) Kurva arus Gambar 9. Tegangan dan arus luaran panel surya Gambar 10. Daya luaran konverter (a) Kurva tegangan (b) Kurva arus
Gambar 11. Tegangan dan arus luaran konverter
(a) Kapasitor 1 (a) Kapasitor 2

## Gambar 12. Tegangan pada kapasitor
Daya  luaran  dari  konverter  ditampilkan  pada  gambar 10.Daya luaran konverter sebanding dengan daya yang diberikan  dari  panel  surya.  Pada  Gambar  10  terlihat bahwa ripple dari  konverter  SEPIC  lebih  besar  dari konverter  CUK. Ripple ini  dapat  dikurangi  dengan memperbesar nilai kapasitor. Ripple daya dipengaruhi dari ripple tegangan  dan  arus.  Tegangan  dan  arus luaran  dari  konverter  CUK  memiliki  polaritas  yang terbalik  dari  masukannya,  sedangkan  tegangan  dan arus  dari  konverter  SEPIC  memilki  polaritas  yang sama  dengan  masukannya,  seperti  yang  ditunjukan pada Gambar 11.
Gambar  12  menunjukan  tegangan stress pada komponen  kapasitor  1  dan  2  dari  konverter.  Gambar 12(a) terlihat, bahwa tegangan stress pada kapasitor 1 dari konverter CUK merupakan penjumlahan tegangan masukan  dan  tegangan  luaran,  sedangkan  tegangan dari  konverter  SEPIC  sebanding  dengan  tegangan masukannya, sehingga tegangan stress pada kapasitor 1  untuk  konverter  CUK  lebih  besar  dari  konverter SEPIC.  Gambar  12(b)  menunjukan  tegangan stress pada  kapasitor  2  dari  kedua  konverter.  Besarnya tegangan stress pada  kapasitor  2  sebanding  dengan tegangan luaran dari konverter.

## Kesimpulan
Konverter  CUK  dan  SEPIC  dapat  digunakan  untuk mendapatkan  titik  daya  maksimum  dari  sistem  panel surya.  Konverter  CUK    memiliki  polaritas  tegangan dan  arus  luaran  yang  terbalik  dari  masukannya, sedangkan konverter SEPIC polaritasnya sama dengan masukannya.  Untuk  mendapatkan ripple yang  kecil maka nilai komponen kapasitor yang digunakan untuk konverter  SEPIC  jauh  lebih  besar  jika  dibandingkan dengan  konverter  CUK,  tetapi  tegangan stress kapasitor dari konverter CUK lebih tinggi dibandingkan dengan konverter SEPIC.

## Daftar Rujukan
[1] “Blueprint Pengelolaan Energi Nasional
2006-2025” ,  Departemen  Energi  dan  Sumber
Daya Mineral, Jakarta, 2006.
[2] C.V. Nayar, M. Ashari, W. W. L. Keerthipala, “A Grid-Interactive Photovoltaic Uninterruptible
Power Supply System Using Battery Storage and a Back  Up  Diesel  Generator”  ,  IEEE  Transactions on Energy Conversion, vol. 15, no. 3, pp. 348-353, September 2000
[3] Sung-Jun  Kang  ,  Jae-Sub  Ko,  Jung-Sik  Choi, Mi-Geum  Jang,  Ju-Hui  Mun,  Jin-Gook  Lee,
Dong-Hwa  Chung,  “A  Novel  MPPT  Control  of photovoltaic  system  using  FLC  algorithm”,
KINTEX  11 th International  Conference  on Control,  Automation  and  Systems  Gyeonggi-do, Korea, Oct. 26-29, 2011.
[4] T. Patarau, S. R. Daraban, D. Petreus, and R. Etz “A  Comaprison  between  Sepic  and  Buck–Boost Converters  Used  in  Maximum  Power  Point Trackers”,  IEEE  34th  Int.  Spring  Seminar  on
Electronics Technology, 2011.
[5] M.  G.  Villalva,  J.  R.  Gazoli,  E.  Ruppert  F. “Modeling  and  Circuit-Based  Simulation  Of Photovoltaic Arrays”, Brazilian Journal of Power Electronics,  Vol.  14,  no.  1,  pp.  35-45,  Februari 2009.
[6] H.  Abidi,  A.  bennani,  D.  M.  Miracle,  “MPPT Algorithm and Photovoltaic Array Emulator using DC/DC Converters”, IEEE, 2012
[7] Daniel  W.  Hart,  “Power  Electronics”,  Mc  Graw Hill, 2010.