DESAIN MAXIMUM POWER POINT TRACKING UNTUK TURBIN ANGIN MENGGUNAKAN MODIFIED PERTURB & OBSERVE (P&O) BERDASARKAN PREDIKSI KECEPATAN ANGIN - ITS Repository

  TUGAS AKHIR – TE 141599 MAXIMUM POWER POINT T RACKING DESAIN MODIFIED UNTUK TURBIN ANGIN MENGGUNAKAN PERT URB OBSERV E

   & (P&O) BERDASARKAN PREDIKSI KECEPATAN ANGIN Dwiyan Anugrah Ernadi NRP 2212100123 Dosen Pembimbing Dr. Ir. Margo Puj iantara, MT. Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M. Eng. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Indust ri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2016

  FINAL PROJECT – TE 141599

DESIGN MAXIMUM POWER POINT TRACKING FOR

WIND TURBINE USING MODIFIED PERTURB & OBSERVE (P&O) BASED ON WIND VELOCITY PREDICTION Dwiyan Anugrah Ernadi NRP 2212100123 Advisor Dr. Ir. Margo Puj iantara, MT. Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M. Eng. DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING Faculty of Indust rial Technology Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2016

  

Desain Maximum Power Point Tracking Untuk Turbin Angin

Menggunakan Modified Perturb & Observe (P&O)

Berdasarkan Prediksi Kecepatan Angin

  Nama Mahasiswa : Dwiyan Anugrah Ernadi Pembimbing I : Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. Pembimbing II : Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M.Eng.

  Abstrak:

  Perkembangan teknologi energi baru dan terbarukan menjadi persoalan yang mendunia saat ini. Berbagai cara seperti kecerdasan buatan, algoritma peramalan dan optimasi kontrol dilakukan untuk mendapatkan hasil yang stabil dan dapat diaplikasikan pada masa yang akan datang. Pada buku tugas akhir ini akan dibahas mengenai implementasi Maximum Power Point Tracking (MPPT) pada sistem turbin angin skala kecil yang dikontrol menggunakan metode Modified

  

Perturb & Observe (P&O) pada kontrol konverter buck berdasarkan nilai

  arus dan tegangan yang dihasilkan pada keluaran Permanent Magnet

  

Synchronous Generator (PMSG). P&O merupakan metode yang paling

  banyak digunakan pada MPPT. Dengan modifikasi pada hal mendasar dari algoritma P&O, MPPT dapat menghasilkan daya optimal dan kecepatan yang lebih baik dalam pencarian nilai daya maksimum. Modifikasi pada metode P&O dapat dilakukan dengan cara menambahkan strategi kontrol dalam perubahan besarnya step dari duty cyle (∆D). Seiring dengan perubahan besarnya tegangan dan arus masukan pada MPPT, keluaran daya yang dihasilkan juga akan berubah-ubah. Perubahan daya tersebut akan memengaruhi perubahan ∆D. Dengan modifikasi metode P&O pada MPPT ini, osilasi daya keluaran pada turbin angin dapat diredam dengan baik. Hasil akhir dari penelitian ini adalah turbin angin skala kecil menggunakan sistem MPPT berdasarkan metode

  

Modified P&O dapat menghasilkan daya maksimum yang optimal dengan

  kecapatan tracking yang cepat. Efesiensi daya yang dihasilkan mencapai 97.3% dan waktu yang dibutuhkan kurang dari 20.3 detik.

  Kata kunci:

  Energi Baru dan Terbarukan, Turbin Angin, PMSG, MPPT, Modified Perturb and Observe.

• --- Halaman ini sengaja dikosongkan---

  

Design Maximum Power Point Tracking For Wind Turbine

Using Modified Perturb & Observe (P&O) Based On Wind

Velocity Prediction

  Student Name : Dwiyan Anugrah Ernadi Advisor I : Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. Advisor II : Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M.Eng.

  Abstract:

  Development in new and renewable energy becomes the common global issue. Various artificial intelligence, forecasting and optimization algorithm controls performed to obtain stable results and can be applied in the future. In this final project will be discussed the implementation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) on small-scale wind turbine system controlled using the Modified Perturb & Observe (P&O) on the control of buck converter based on the value of current and voltage generated at the output of Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). P&O is the mostly used method in the MPPT. Modification in the basic points of the algorithm P&O, MPPT can produce optimal power and fast tracking maximum power. Modified P&O method can be done by adding a control strategy in a step change of duty cycle (ΔD). Along with changes in the magnitude of the voltage and current inputs on MPPT, the power generated output will also change. The changing of power will affect the value of ΔD. Modified P&O algorithm in MPPT could reduce the oscillation at output power of wind turbine. The result of this study shows that Modified P&O that implemented in small-scale wind turbine system can generate optimum power with fast tracking in maximum power. Power efficiency reach 97.3% and need less than 20.3 seconds to reach maximum power point.

  

Keywords: New and Renewable Energy, Wind Turbine, PMSG, MPPT,

  Modified Perturb and Observe

• --- Halaman ini sengaja dikosongkan---

KATA PENGANTAR

  Alhamdulillahirabbil ‘alamin. Puji syukur saya panjatkan kepada

  Allah SWT yang telah memberikan kekuatan dan pertolongan ilmu serta kesehatan sehingga tugas akhir ini dapat selesai dengan hasil yang baik dan tepat pada waktunya. Tugas akhir dengan judul:

  

Desain Maximum Power Point Tracking Untuk Turbin Angin

Menggunakan Modified Perturb & Observe (P&O) Berdasarkan

Prediksi Kecepatan Angin

  ini ditulis untuk memenuhi persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Teknik setelah 4 tahun menerima pendidikan di Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Penyelesaian tugas akhir ini merupakan serangkaian pengalaman berharga, yang mengajarkan banyak arti kesabaran, kegigihan, dan kerja keras.

  Kritik, saran serta perbaikan terhadap tugas akhir ini sangat diharapkan. Semoga tugas akhir ini bermanfaat, baik bagi perkembangan energi baru dan terbarukan pada khususnya maupun ilmu pengetahuan pada umumnya.

  Surabaya, Juni 2016 Penulis

• --- Halaman ini sengaja dikosongkan---

UCAPAN TERIMA KASIH

  Tugas akhir ini juga merupakan persembahan dan ucapan terima kasih yang mendalam kepada:

  1. Kedua orang tua, Sriyanto, SE. MM. dan Erna Lies WSP, kedua sosok yang doanya selalu terdengar sehingga tugas akhir ini dapat dikerjakan dengan lancar.

  2. Dosen Pembimbinng I, Bapak Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT., atas bimbingan, ilmu pengetahuan, arahan, kesabaran, dan pengalaman yang diberikan.

  3. Dosen Pembimbing II, Bapak Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M.Eng., yang menunjukkan bagaimana pentingnya pemahaman konsep ilmu pengetahuan, filosofi dari sistem.

  4. Bapak Dr. Eng. Ardyono Priyadi, ST. M.Eng., Ketua Jurusan Teknik Elektro ITS, dan seluruh keluarga besar Jurusan Teknik Elektro ITS atas segala fasilitas dan kemudahan yang telah diberikan.

  5. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Teknik Elektro ITS yang telah membina dan memberikan ilmu kepada peulis selama menempuh studi di Jurusan Teknik Elektro ITS.

  6. Ibu Ratna Ika Putri selaku mentor, yang selalu memantau perkembangan peneletian dan memberikan arahan serta penjelasan mengenai topik tugas akhir ini.

  7. Mas Irwan, Sefri, Mas Multazam, dan Mba Efin sebagai kelompok diskusi turbin angin.

  8. Dietha Kusumaningrum dan Dina Rahmayanti, kakak dan adik tercinta yang selalu memberikan semangat dalam tugas akhir ini.

  9. Dhea Nazmi Rifa, atas kesabaran yang diberikan selama ini serta mendukung dan menyemangati dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

  10. Teman-teman hai!!!! yang selalu memberikan semangat dan hiburan.

  11. Hawa, Muhtadi, Rifqi Bigpap yang selalu menemani dalam pelarian selama menjadi anak perantauan di Surabaya.

  12. Keluarga besar Laboratorium Instrumentasi, Pengukuran, dan Identifikasi Sistem Tenaga (LIPIST) yang selalu memberikan dukungan dan pencerahan selama pengerjaan tugas akhir.

  13. Teman-teman angkatan ke-52 Jurusan Teknik Elektro ITS, mahasiswa Jurusan Teknik Elektro ITS angkatan 2012, yang membuat penulis semangat untuk wisuda bersama.

  14. Semua pihak yang membantu dan tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Terima kasih atas dukungan yang selalu mengalir, semoga Allah SWT dan Rasulullah SAW memberikan pertolongan atas segala yang kalian berikan.

  

DAFTAR ISI

  ABSTRAK ............................................................................................... i ABSTRACT ........................................................................................... iii KATA PENGANTAR ............................................................................ v UCAPAN TERIMA KASIH ................................................................. vii DAFTAR ISI .......................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ............................................................................. xi DAFTAR TABEL ................................................................................. xv

  BAB 1 PENDAHULUAN ...................................................................... 1

  1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................... 1

  1.2 Permasalahan ............................................................................ 2

  1.3 Tujuan ....................................................................................... 3

  1.4 Metodologi ................................................................................ 3

  1.5 Sistematika Penulisan ............................................................... 6

  1.6 Relevansi ................................................................................... 6

  BAB 2 TEORI PENUNJANG ................................................................ 9

  2.1 Energi Angin ............................................................................. 9

  2.1.1 Pemanasan Matahari yang Tidak Merata ..................... 10

  2.1.2 Gaya Coriolis ............................................................... 10

  2.1.3 Kondisi Geografis ........................................................ 11

  2.2 Turbin Angin........................................................................... 11

  2.2.1 Tipe Turbin Angin........................................................ 11

  2.2.1.1 Turbin Angin Horisontal.................................. 12

  2.2.1.2 Turbin Angin Vertikal ..................................... 14

  2.2.2 Karakteristik Turbin Angin .......................................... 15

  2.3 Parameter Turbin Angin ......................................................... 18

  2.4 Permanent Magnet Synchronous Generator ............................ 21

  2.5 Konverter ................................................................................ 23

  2.5.1 Rectifier ........................................................................ 23

  2.5.2 Konverter Buck ............................................................ 25

  2.6 Mikrokontroller ....................................................................... 30

  2.6.1 Arduino ........................................................................ 31

  2.7 Maximum Power Point Tracking ............................................ 33

  2.7.1 Perturb and Observe ...................................................... 33

  2.7.2 Modified Perturb and Observe ...................................... 35

  BAB 3 PERANCANGAN PENELITIAN ............................................. 39

  3.1 Desain Sistem .......................................................................... 39

  3.2 Pengambilan Data PMSG ........................................................ 40

  3.3 Perancangan Sensor ................................................................. 42

  3.3.1 Sensor Tegangan ........................................................... 42

  3.3.2 Sensor Arus ................................................................... 44

  3.4 Rectifier ................................................................................... 44

  3.5 Arduino MEGA 2560 .............................................................. 44

  3.6 Optocoupler dan PWM Driver ................................................. 46

  3.7 Perancangan Konverter Buck .................................................. 46

  3.8 Perturb and Observe ................................................................ 48

  3.9 Modified Perturb and Observe ................................................. 48

  BAB 4 ANALISIS PENELITIAN ......................................................... 49

  4.1 Pengujian Sensor ..................................................................... 49

  4.1.1 Sensor Tegangan ........................................................... 49

  4.1.2 Sensor Arus ................................................................... 50

  4.2 Pengujian Sistem Turbin Angin ............................................... 50

  4.3 Pengujian Nilai Daya Maksimum ............................................ 51

  4.3.1 Pengujian Nilai Daya Maksimum Tanpa MPPT ........... 51

  4.3.2 Pengujian Nilai Daya Maksimum Dengan MPPT ........ 58

  4.3.2.1 Perturb and Observe ......................................... 58

  4.3.2.2 Modified Perturb and Observe ......................... 70

  4.4 Analisis Hasil Pengujian .......................................................... 82

  BAB 5 PENUTUP ................................................................................. 85

  5.1 Kesimpulan .............................................................................. 85

  5.2 Penelitian Selanjutnya ............................................................. 86 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................ 87 BIOGRAFI PENULIS ........................................................................... 89

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

  Turbin angin horisontal .................................................. 12

  Gambar 2.2

  Turbin angin vertikal ...................................................... 14

  Gambar 2.3

  Kurva daya ideal pada turbin angin ............................... 16

  Gambar 2.4

  Kurva Cp vs Tip Speed Ratio ......................................... 17

  Gambar 2.5

  Turbin Angin TDS-500 .................................................. 19

Gambar 2.6 Turbin angin TDS-500 yang terpasang di Ciheras,

  Tasikmalaya ................................................................... 20

  Gambar 2.7

  Rangkaian penyearah 3 fasa full-bridge ......................... 23

  Gambar 2.8

  (a) Gelombang tegangan, (b) Respon saklar .................. 24

  Gambar 2.9

  Rangkaian konverter buck ............................................. 25

Gambar 2.10 Rangkaian konverter buck saat kondisi saklar on (closed)

  ....................................................................................... 26

  Gambar 2.11

  (a) Respon tegangan induktor saat saklar on (b) Respon arus induktor saat saklar on ............................................ 27

  Gambar 2.12

  Rangkaian konverter buck saat kondisi saklar off (open) ....................................................................................... 27

  Gambar 2.13

  (a) Respon tegangan induktor saat saklar off (b) Respon arus induktor saat saklar off ........................................... 28

  Gambar 2.14

  Arus kapasitor ................................................................ 30

  Gambar 2.15

  Blok diagram mikrokontroller ATmega ......................... 31

  Gambar 2.16

  Flowchart metode perturb and observe ......................... 34

  Gambar 2.17

  Metode perturb and observe dengan large step size ...... 35

Gambar 2.18 Metode perturb and observe dengan small step size ...... 35 Gambar 2.19

  Flowchart metode modified perturb and observe .......... 36

  Gambar 3.1

  Diagram sistem turbin angin dengan MPPT .................. 39

  Gambar 3.2

  Perangkat sistem turbin angin ........................................ 40

  Gambar 3.3

  Permanent magnet synchronous generator dengan motor induksi ............................................................................ 41

  Gambar 3.4

  Sensor arus dan sensor tegangan .................................... 42

  Gambar 3.5

  Rangkaian sensor tegangan ............................................ 43

  Gambar 3.6

  Board Arduino MEGA 2560.......................................... 45

  Gambar 3.7

  Desain rangkaian konverter buck ................................... 47

  Gambar 4.1

  Perbandingan daya keluaran konverter pada kecepatan angin 3 m/s hingga 5 m/s ............................................... 54

  Gambar 4.2

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 7 m/s, time delay 0.5 detik, metode P&O ................................................... 67

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 6 m/s, time delay 0.5 detik, metode P&O ................................................... 65

  Gambar 4.13

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 6 m/s, time delay 0.7 detik, metode P&O ................................................... 65

Gambar 4.14 Daya keluaran pada saat kecepatan angin 6 m/s, time delay

  1 detik, metode P&O ...................................................... 66

  Gambar 4.15

  Gambar 4.16

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 5 m/s, time delay 1 detik, metode P&O ...................................................... 64

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 7 m/s, time delay 0.7 detik, metode P&O ................................................... 67

  Gambar 4.17

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 7 m/s, time delay 1 detik, metode P&O ...................................................... 68

  Gambar 4.18

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 8 m/s, time delay 0.5 detik, metode P&O ................................................... 69

  Gambar 4.19

  Gambar 4.12

  Gambar 4.11

  Perbandingan daya keluaran konverter pada kecepatan angin 6 m/s hingga 8 m/s ................................................ 58

  Gambar 4.6

Gambar 4.3 Daya keluaran pada saat kecepatan angin 3 m/s, time delay

  0.5 detik, metode P&O ................................................... 59

  Gambar 4.4

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 3 m/s, time delay 0.7 detik, metode P&O ................................................... 59

  Gambar 4.5

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 3 m/s, time delay 1 detik, metode P&O ...................................................... 60

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 4 m/s, time delay 0.5 detik, metode P&O ................................................... 61

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 5 m/s, time delay 0.7 detik, metode P&O ................................................... 63

  Gambar 4.7

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 4 m/s, time delay 0.7 detik, metode P&O ................................................... 61

  Gambar 4.8

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 4 m/s, time delay 1 detik, metode P&O ...................................................... 62

  Gambar 4.9

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 5 m/s, time delay 0.5 detik, metode P&O ................................................... 63

  Gambar 4.10

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 8 m/s, time delay 0.7 detik, metode P&O ................................................... 69

  Gambar 4.20

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 7 m/s, time delay 0.5 detik, metode modified P&O .................................... 79

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 6 m/s, time delay 0.5 detik, metode modified P&O .................................... 77

  Gambar 4.31

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 6 m/s, time delay 0.7 detik, metode modified P&O .................................... 77

Gambar 4.32 Daya keluaran pada saat kecepatan angin 6 m/s, time delay

  1 detik, metode modified P&O ....................................... 78

  Gambar 4.33

  Gambar 4.34

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 5 m/s, time delay 1 detik, metode modified P&O ....................................... 76

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 7 m/s, time delay 0.7 detik, metode modified P&O .................................... 79

  Gambar 4.35

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 7 m/s, time delay 1 detik, metode modified P&O ....................................... 80

  Gambar 4.36

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 8 m/s, time delay 0.5 detik, metode modified P&O .................................... 81

  Gambar 4.37

  Gambar 4.30

  Gambar 4.29

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 8 m/s, time delay 1 detik, metode P&O ...................................................... 70

  Gambar 4.24

Gambar 4.21 Daya keluaran pada saat kecepatan angin 3 m/s, time delay

  0.5 detik, metode modified P&O .................................... 71

  Gambar 4.22

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 3 m/s, time delay 0.7 detik, metode modified P&O .................................... 71

  Gambar 4.23

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 3 m/s, time delay 1 detik, metode modified P&O ....................................... 72

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 4 m/s, time delay 0.5 detik, metode modified P&O .................................... 73

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 5 m/s, time delay 0.7 detik, metode modified P&O .................................... 75

  Gambar 4.25

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 4 m/s, time delay 0.7 detik, metode modified P&O .................................... 73

  Gambar 4.26

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 4 m/s, time delay 1 detik, metode modified P&O ....................................... 74

  Gambar 4.27

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 5 m/s, time delay 0.5 detik, metode modified P&O .................................... 75

  Gambar 4.28

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 8 m/s, time delay 0.7 detik, metode modified P&O .................................... 81

  Gambar 4.38

  Daya keluaran pada saat kecepatan angin 8 m/s, time delay 1 detik, metode modified P&O ....................................... 82

  DAFTAR TABEL Tabel 2.1

  Data turbin angin .......................................................... 18

  Tabel 2.2

  Hasil data perhitungan turbin angin .............................. 20

  Tabel 2.3

  Spesifikasi Arduino MEGA 2560 ................................. 32

  Tabel 3.1

  Hasil data uji PMSG ..................................................... 41

  Tabel 3.2

  Parameter Arduino MEGA 2560 .................................. 45

Tabel 3.3 Spesifikasi konverter buck............................................ 47 Tabel 3.4

  Parameter algoritma perturb and observe .................... 48

  Tabel 3.5

  Parameter algoritma modified perturb and observe...... 48

  Tabel 4.1

  Data hasil uji sensor tegangan ...................................... 49

  Tabel 4.2

  Data hasil uji sensor arus .............................................. 50

Tabel 4.3 Daya PMSG .................................................................. 50 Tabel 4.4

  Hasil daya maksimum pada kecepatan 3 m/s ............... 51

  Tabel 4.5

  Hasil daya maksimum pada kecepatan 4 m/s ............... 52

  Tabel 4.6

  Hasil daya maksimum pada kecepatan 5 m/s ............... 53

  Tabel 4.7

  Hasil daya maksimum pada kecepatan 6 m/s ............... 55

  Tabel 4.8

  Hasil daya maksimum pada kecepatan 7 m/s ............... 55

  Tabel 4.9

  Hasil daya maksimum pada kecepatan 8 m/s ............... 56

  Tabel 4.10

  Perbandingan hasil daya pengujian .............................. 83

  Tabel 4.11

  Perbandingan hasil waktu pengujian ............................ 83

  Tabel 4.11

  Perbandingan hasil efesiensi kedua metode .................. 84

• ---Halaman ini sengaja dikosongkan---

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Energi listrik dibutuhkan dalam kehidupan sehari-hari untuk membantu tugas dan aktivitas manusia. Pemenuhan kebutuhan listrik dapat dilakukan dengan membangun pembangkit tenaga listrik. Pembangkitan tenaga listrik dapat dilakukan dengan berbagai macam cara. Berdasarkan bahan primernya, pembangkit tenaga listrik terbagi menjadi dua, yaitu energi terbarukan dan energi tak terbarukan. Energi terbarukan adalah energi yang sumber bahan primernya dapat diambil secara mudah, diperbarui, dan digunakan kembali. Salah satu contoh dari energi terbarukan adalah energi angin [1].

  Berdasarkan data Blueprint Energi Nasional, Departemen ESDM RI, dapat dilihat bahwa potensi Pembangkit Listrik Tenaga Angin di Indonesia sangat menarik untuk dikembangkan karena dari potensi sebesar 9.29 GW, baru sekitar 0.5 GW yang dikembangkan, yang berarti baru sekitar 5.38% [2]. Beberapa daerah di Indonesia yang memiliki potensi pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin antara lain NTB, NTT, Maluku, dan wilayah-wilayah Indonesia bagian timur.

  Energi angin dapat menghasilkan energi listrik dengan menggunakan turbin angin. Turbin angin memiliki berbagai macam jenis berdasarkan dari bentuk dan poros yang digunakan. Turbin angin terhubung dengan generator yang dapat mengubah energi gerak dari turbin angin menjadi energi listrik. Generator yang umum digunakan pada pembangkitan energi listrik berbasis turbin angin adalah Permanent Magnet

  Synchronous Generator (PMSG).

  Besar daya keluaran yang dihasilkan oleh PMSG bervariasi, tergantung dari besarnya kecepatan angin. Maximum Power Point

  

Tracking (MPPT) digunakan untuk mendapatkan nilai daya maksimum

  dari pembangkitan energi listrik ini. MPPT berbasis metode Perturb &

  

Observe (P&O) telah banyak digunakan dalam pencarian nilai daya

  maksimum. P&O merupakan metode yang mudah untuk diimplementasikan pada sistem turbin angin karena memiliki algoritma yang sederhana [3]. Selain itu, penggunaan metode P&O tidak membutuhkan informasi kecepatan angin dan parameter turbin angin sehingga lebih efisien dan memiliki harga yang paling rendah diantara metode-metode yang ada [4]. Metode ini memiliki feedback yang sederhana dan beberapa parameter pengukuran. Kekurangan metode ini menghasilkan osilasi pada kondisi steady state karena perubahan duty

  cycle konstan.

  Modifikasi dengan mengombinasikan metode P&O dengan metode prediktif. Kedua metode tersebut bekerja secara bergantian sesuai dengan kondisi dari arus dan tegangan pada sisi masukan konverter [4]. Metode prediktif digunakan untuk menentukan besarnya perubahan step pada metode P&O. Apabila perubahan dari tegangan sangat besar, maka akan digunakan step size yang bernilai besar, sedangkan apabila perubahan dari nilai tegangan kecil digunakan step size yang kecil.

  Besaran torsi dapat memberikan pengaruh terhadap daya keluaran generator. Dengan mengatur torsi tersebut dalam nilai yang optimal, maka akan dihasilkan daya keluaran yang maksimal dengan menggunakan MPPT [5]. Pada metode ini diperlukan sensor mekanik berupa anemometer yang digunakan untuk mengetahui besaran torsi pada tiap kecepatan angin.

  Dengan modifikasi pada hal mendasar dari algoritma P&O, MPPT dapat menghasilkan akurasi yang lebih baik dalam pencarian nilai daya maksimum. Modifikasi pada metode P&O dapat dilakukan dengan cara menambahkan strategi kontrol dalam perubahan besarnya size-step dari

  

duty cycle (∆D). Pada tugas akhir ini algoritma modified perturb &

observe akan diimplementasikan pada sistem turbin angin stand alone

  dengan menggunakan mikrokontroller.

1.2 Permasalahan

  Sistem turbin angin stand alone tanpa menggunakan MPPT akan memiliki efesiensi yang sangat rendah. Daya yang dihasilkan oleh generator hanya akan digunakan sebagian apabila tidak menggunakan MPPT. Implementasi kontrol MPPT dibutuhkan untuk menanggulangi masalah tersebut.

  Metode P&O adalah salah satu metode yang digunakan untuk mendapatkan nilai daya keluaran maksimum. Penggunaan P&O dapat menghasilkan keluaran daya yang cukup optimal. Beberapa kelemahan yang ditemukan dalam penggunaan metode P&O pada turbin angin adalah ketika terjadi perubahan kecepatan angin. Ketika terjadi perubahan kecepatan angin, maka akan muncul titik daya keluaran maksimum yang baru.

  Penggunaan Modified P&O pada turbin angin dapat memberikan solusi terhadap penggunaan metode MPPT. Dari beberapa hasil penelitian didapatkan masih terjadi osilasi ketika metode P&O digunakan pada turbin angin. Modifikasi pada beberapa algoritma P&O diharapkan dapat meredam osilasi tersebut.

  Dalam menyelesaikan permasalahan pada tugas akhir ini, terdapat beberapa batasan penelitian. Kecepatan angin dimodelkan menggunakan

  

emulator yang berupa motor induksi dan dikontrol dengan variable speed

drive. Penelitian ini hanya untuk MPPT dengan pencarian nilai daya

  maksimum untuk satu kecepatan tertentu (tidak variatif). Konverter yang digunakan hanya menggunakan konverter buck dengan beban resistif berupa lampu. Efesiensi dari konverter buck tidak diperhitungkan.

1.3 Tujuan

  Tujuan yang ingin dicapai dari tugas akhir ini adalah:

  1. Mengimplementasikan Modified Perturb & Observe untuk mengekstrak daya maksimum pada sistem turbin angin menggunakan PMSG

2. Membandingkan hasil keluaran yang diperoleh pada turbin angin dengan metode konvensional P&O dan Modified P&O.

  3. Mengetahui performansi dari Modified P&O dengan perubahan kecepatan angin yang bervariasi pada pembangkitan tenaga listrik dengan menggunakan turbin angin berbasis PMSG.

1.4 Metodologi

  Metode penelitian yang digunakan dalam tugas akhir ini terdiri dari Studi Literatur, Pengumpulan Data, Desain MPPT, Simulasi, Implementasi dan Analisis.

1. Studi Literatur

  Studi literatur perlu dilakukan untuk menunjang penguasaan pustaka. Pengumpulan pustaka dilakukan dengan cara mencari bahan bacaan yang diperoleh dari jurnal ilmiah internasional, laporan teknik, dan buku teks yang berhubungan dengan permasalahan yang akan diteliti. Pustaka yang berkaitan dengan turbin angin, maximum power point tracking, metode perturb &

  observe, permanent magnet synchronous generator, dan elektronika daya.

  2. Pengumpulan Data Pada penelitian yang akan dilakukan mengambil data dari kecepatan angin yang berada di Nganjuk dan turbin angin yang sudah terpasang di Ciheras. Data yang akan diambil berupa data kecepatan angin, besarnya nilai tegangan dan arus pada

  permanent magnet synchronous generator turbin angin.

  Besarnya nilai tegangan dan arus yang didapatkan adalah nilai tegangan dan arus pada keluaran dari permanent magnet

  synchronous generator.

  3. Desain Sistem Desain MPPT dilakukan dengan metode Modified Perturb

  and Observe (P&O). Metode Modified Perturb and Observe (P&O) merupakan modifikasi hal sederhana dari metode P&O.

  Desain kontrol MPPT dengan metode Modified Perturb and

  Observe (P&O) ini mengatur kontrol dari switch pada DC-DC

  Konverter. Perbandingan hasil daya dan tegangan akan menjadi acuan untuk perubahan pada kontrol switch. Nilai daya pada saat sekarang akan dibandingkan dengan nilai sebelumnya. Begitu pula dengan nilai tegangan. Modified pada Perturb and Observe (P&O) adalah dengan menentukan nilai step-size (∆D) yang akan diatur. Besar dari nilai ∆D menentukan kemampuan optimasi daya keluaran pada wind turbine. Apabila nilai ∆D terlalu kecil, maka respon dari sistem akan sangat lambat. Sedangkan jika nilai ∆D terlalu besar, maka sistem akan berosilasi.

  4. Simulasi Pada tahap ini dilakukan simulasi dari desain MPPT dengan menggunakan software PowerSIM dan Simulink MATLAB.

  Data masukkan didapat dari pengumpulan data di Nganjuk dan memodelkan sistem turbin angin. Hasil dari simulasi ini digunakan untuk mengetahui kinerja dari algoritma metode

  Perturb and Observe (P&O) konvensional dengan Modified Perturb and Observe (P&O).

  5. Implementasi Implementasi MPPT dilakukan untuk untuk membuat

  hardware dari sistem turbin angin. Dalam tugas akhir ini

  pembuatan hardware dilakukan dengan cara membuat algoritma kontrol menggunakan mikrokontroler. Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino. Hardware lain yang digunakan berupa emulator turbin angin, PMSG, rectifier, dan konverter buck menggunakan modul lab yang sudah tersedia.

  6. Pengujian dan Analisis Pengujian dilakukan pada setiap hardware yang digunakan.

  Dalam pengujian hardware yang digunakan, dihitung besaran kesalahan pengukurannya. Terdapat tiga metode yang digunakan dalam menguji sistem turbin angin. Pengujian pertama dilakukan dengan cara mengukur hasil daya keluaran secara langsung tanpa MPPT. Kedua pengujian dilakukan dengan cara menggunakan MPPT dengan input secara manual. Ketiga pengujian dilakukan dengan menggunakan metode algoritma yang sudah terpasang pada mikrokontroller. Hal ini dilakukan agar hasil dari penelitian dapat diaplikasikan dan dibandingkan. Analisis dilakukan dengan monitoring hasil daya keluaran MPPT.

  7. Kesimpulan Kesimpulan diambil berdasarkan perbandingan hasil simulasi dan implementasi. Dari hasil tersebut dapat diketahui apakah hipotesis yang dibuat sesuai dengan hasil yang didapatkan.

  8. Pembuatan Laporan Sebagai hasil akhir dari penelitian dilakukan penulisan laporan dalam bentuk buku Tugas Akhir. Pembuatan laporan tugas akhir ditujukan untuk memenuhi syarat kelulusan mata kuliah tugas akhir.

  1.5 Sistematika Penulisan

  Pada tugas akhir ini pembahasan akan dibagi menjadi 5 bab dengan sistematika sebagai berikut:

  BAB 1 : PENDAHULUAN Bab ini berisi latar belakang pembuatan tugas akhir, permasalahan yang akan diangkat, tujuan serta manfaat tugas akhir, metodologi penulisan dan sistematika penulisan tugas akhir.

  BAB 2 : TEORI PENUNJANG Bab ini berisi teori dasar mengenai pembangkitan listrik tenaga angin, turbin angin, PMSG, konverter dan MPPT. Teori ini digunakan sebagai dasar dalam penulisan tugas akhir.

  BAB 3 : PERANCANGAN PENELITIAN Bab ini berisi data perancangan sistem, pengolahan data yang diperoleh yaitu data turbin angin, data PMSG, dan data konverter. Pada turbin angin data yang diperoleh adalah kecepatan angin dan parameter yang terdapat pada turbin. Data PMSG adalah kecepatan putar rotor, tegangan, arus, dan daya. Perancangan komponen konverter sesuai dengan perhitungan dan pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur tegangan dan arus keluaran dari koverter. Data tersebut digunakan untuk pencarian nilai daya maksimum pada turbin angin.

  BAB 4 : ANALISIS PENELITIAN Bab ini berisi mengenai perhitungan hasil daya maksimum dengan beberapa metode MPPT yang berbeda dan evaluasi setiap metode yang digunakan.

  BAB 5 : PENUTUP Bab ini berisi kesimpulan atas hasil yang diperoleh dari penelitian tugas akhir serta saran untuk penelitian selanjutnya.

  1.6 Relevansi

  Tugas akhir ini diharapkan dapat memberikan manfaat bagi pembangkitan tenaga listrik terutama yang bergerak dalam bidang energi baru terbarukan dengan menggunakan turbin angin sebagai perbandingan performansi dari penggunaan MPPT dengan metode P&O konvensional sehingga bisa dipilih dan diaplikasikan metode yang terbaik.

  Sebagai dasar penelitian lebih lanjut, penelitian ini dapat dikembangkan untuk mengetahui performansi MPPT dengan menggunakan Modified Perturb & Observe sebagai media peredaman osilasi sistem turbin angin.

• ---Halaman ini sengaja dikosongkan---

BAB 2 TEORI PENUNJANG

2.1 Energi Angin

  Energi angin adalah hasil produksi dari reaksi fusi Hidrogen menjadi Helium pada inti matahari. Proses fusi Hidrogen menjadi Helium menimbulkan panas dan radiasi elektromagnetik menyebar ke seluruh angkasa. Sebagian kecil dari radiasi tersebut yang mencapai bumi, dapat memberikan kebutuhan energi diseluruh permukaan bumi [1].

  Energi angin merupakan energi yang biasa digunakan sebagai sumber pembangkitan tenaga listrik dan bagian penting dalam kebutuhan energi dunia. Sebagai energi penting di dunia, energi angin mengalami perkembangan teknologi yang sangat cepat. Teknologi pembangkitan tenaga angin dikembangkan untuk dapat terhubung ke dalam sistem kelistrikan. Kapasitas energi angin yang tersedia dan dapat diubah

  9

  menjadi tenaga listrik sebesar 1.26x10 MW. Kapasitas tersebut lebih besar 20 kali lipat dibandingkan dengan konsumsi energi dunia saat ini.

  Dibandingkan dengan sumber daya alam lainnya, energi angin memiliki beberapa keunggulan. Tidak seperti bahan bakar fossil yang menghasilkan gas sisa yang berbahaya maupun energi nuklir yang menimbulkan sisa bahan radioaktif, energi angin merupakan energi yang bersih dan ramah lingkungan. Jika dibandingkan dengan energi baru dan terbarukan lainnya, maka energi angin memiliki keunggulan dalam besarnya biaya investasi yang dikeluarkan perkWh dari pembangkitan energi angin akan lebih murah dibandingkan dengan energi sel surya.

  Potensi energi angin di Indonesia banyak ditemui pada pesisir selatan Jawa, Sumatera, dan pulau-pulau di Indonesia bagian timur. Berdasarkan data dari Lentera Angin Nusantara pada tahun 2012, daerah Indonesia bagian timur memiliki energi angin yang potensial untuk dimanfaatkan. Hal ini berbanding terbalik dengan ketersediaan kebutuhan listrik pada daerah tersebut yang sangat minim.

  Angin dihasilkan dari pergerakan udara yang disebabkan oleh perbedaan tekanan atmosfer. Aliran udara mengalir dari tekanan tinggi menuju ke tekanan yang lebih rendah. Semakin besar beda tekanan atmosfer, maka semakin besar kecepatan angin yang dihasilkan, dan semakin besar pula energi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Variasi perubahan angin dipengaruhi oleh banyak faktor. Faktor yang paling memberikan dampak adalah pemanasan yang tidak merata, gaya coriolis, dan kondisi geografis.

  2.1.1 Pemanasan Matahari yang Tidak Merata

  Diantara faktor lain yang menimbulkan munculnya angin, pemanasan matahari yang tidak merata merupakan faktor yang paling penting dan krusial. Terdapat empat alasan yang menyebabkan pemanasan matahari yang tidak merata.

  Pertama, bumi mengelilingi matahari berdasarkan garis orbit yang sesuai dengan equatornya. Pada daerah equator intensitas matahari akan lebih besar dibandingkan dengan daerah kutub, hal ini disebabkan pada garis equator cahaya matahari berbading tegak lurus dengan permukaan bumi, sedangkan pada daerah kutub hampir berbanding lurus atau paralel. Akibat perbedaan ini, menimbulkan perbedaan temperatur suhu dan tekanan pada daerah equator dengan kutub. Udara panas dengan kerapatan rendah yang berada pada equator mengalir ke kutub melalui atnosfer, sedangkan udara dingin dengan kerapatan tinggi mengalir ke equator melalui permukaan bumi.

  Kedua, kemiringan rotasi bumi berkisar 23.5º dan berputar pada orbit bumi. Kemiringan ini mengakibatkan siklus pemanasan matahari yang tidak merata, menyebabkan siklus musim tahunan yang berubah.

  Ketiga, terdapat berbagai lapisan pada permukaan bumi seperti batu, tanah, pasir, air, dan lain sebagainya. Setiap lapisan ini memiliki kemampuan menyerap dan merefleksikan intensitas cahaya matahari yang berbeda.

  Keempat, pemanasan yang tidak merata pada permukaan bumi berdasarkan pada topografi permukaan bumi. Dalam keadaan cerah maupun berawan akan berbeda pada daerah pegunungan dan lembah.

  2.1.2 Gaya Coriolis

  Rotasi bumi adalah faktor yang mempengaruhi arah dan kecepatan angin. Gaya coriolis yang dihasilkan dari rotasi bumi berbanding terbalik dengan arah gerak dari atmosfer. Pada bumi bagian utara, angin bergerak ke kanan dan pada bagian selatan angin bergerak ke kiri. Kecepatan maksimum angin tersebut berada pada bagia kutub dan bernilai paling minimum pada garis equator.

2.1.3 Kondisi Geografis