Meningkatnya permintaan energi listrik di Indonesia, yang terutama didorong oleh pertumbuhan demografi, mengharuskan pengembangan dan adopsi sumber energi alternatif yang mendesak, khususnya sumber energi terbarukan [1]. Hal ini juga telah mendorong kemajuan signifikan dalam teknologi tenaga surya. Hingga tahun 2021, perusahaan listrik milik negara, PLN, mengoperasikan 6.143 pembangkit listrik yang memanfaatkan berbagai jenis bahan bakar, terutama bahan bakar minyak dan batu bara. Penggunaan sumber daya energi konvensional ini secara terus-menerus ternyata menjadi penyebab utama pemanasan global, polusi udara, dan konsumsi sumber daya alam yang terus-menerus yang mendorong perubahan besar dalam cara kita memanfaatkan sumber energi kita menuju yang terbarukan [2]. Untuk mengatasi masalah ini, penerapan teknologi fotovoltaik, yang menyediakan energi terbarukan dan tak habis-habisnya dengan kematangan teknologi yang maju, sedang mendapatkan momentum [3]. Indonesia, dengan potensi surya yang sangat besar, sangat cocok untuk implementasi solusi energi surya skala besar. Untuk mengatasi masalah ini, penerapan teknologi fotovoltaik, yang menyediakan energi terbarukan dan tak habis-habisnya dengan kematangan teknologi yang maju, sedang mendapatkan momentum [3]. Selain itu, potensi surya Indonesia yang substansial menjadikannya kandidat ideal untuk adopsi energi surya skala besar. Penelitian tentang fotovoltaik (PV) terus maju, yang bertujuan untuk mengoptimalkan dan meningkatkan efisiensi energi [4]. Untuk mencapai tujuan ini, kemajuan dalam perangkat keras dan perangkat lunak sangat penting. Baterai, komponen perangkat keras yang penting, menyediakan penyimpanan yang diperlukan untuk energi fotovoltaik. Perangkat lunak, yang dikelola oleh pengontrol pengisian daya surya (SCC), mencakup konverter, mikrokontroler, dan mekanisme penginderaan. SCC membutuhkan pengontrol yang sesuai untuk mengatur aliran daya dari PV ke penyimpanan baterai dan memastikan kinerja dan umur baterai yang optimal. Selain itu, konverter ditambahkan untuk mengubah output yang bervariasi dari PV ke level tegangan stabil yang cocok untuk pengisian daya baterai. Penelitian tentang fotovoltaik (PV) terus maju, yang bertujuan untuk mengoptimalkan dan meningkatkan efisiensi energi [4]. Peningkatan dalam perangkat keras dan perangkat lunak sangat penting untuk meningkatkan sistem ini. Baterai, komponen perangkat keras yang penting, menyediakan penyimpanan yang diperlukan untuk energi fotovoltaik. Perangkat lunak, yang dikelola oleh pengontrol pengisian daya surya (SCC), mencakup konverter, mikrokontroler, dan mekanisme penginderaan. SCC memerlukan pengontrol yang sesuai untuk mengatur aliran daya dari PV ke penyimpanan baterai dan memastikan kinerja dan umur baterai yang optimal. Selain itu, konverter ditambahkan untuk mengubah output yang bervariasi dari PV ke level tegangan stabil yang sesuai untuk pengisian baterai. Dalam makalah ini, konverter DC-DC maju diimplementasikan dalam SCC karena kesederhanaannya, dan keandalannya dalam mengelola aliran daya [5]. Selain itu, penggabungan teknik kontrol tingkat lanjut dapat lebih meningkatkan stabilitas dan efisiensi konverter dalam berbagai kondisi iradiasi matahari, status pengisian daya, dan beban [6].
Desain dan implementasi sistematis telah divalidasi melalui hasil simulasi, memberikan kontribusi yang jelas di lapangan dengan mengatasi kekurangan yang diidentifikasi dalam penelitian sebelumnya pada sistem fotovoltaik (PV) dan pengontrol pengisian tenaga surya (SCC) [1]-[17]. Makalah ini memperkenalkan solusi inovatif yang menggabungkan konverter DC-DC maju bersama kontrol PI bertingkat dalam SCC. Pendekatan ini meningkatkan efisiensi konversi energi, meningkatkan ketepatan pengaturan muatan, dan memastikan stabilitas sistem yang lebih baik. Selain itu, ia menyediakan sistem kontrol yang lebih dinamis dan mudah beradaptasi dibandingkan metode tradisional, sehingga mengisi kesenjangan dalam teknologi PV dan SCC yang ada. Validasi melalui hasil simulasi lebih lanjut menggarisbawahi potensinya untuk penerapan praktis di dunia nyata, yang menandai kemajuan signifikan di bidang sistem energi terbarukan.
Dalam makalah ini, pengontrol proporsional-integral (PI) bertingkat ditambahkan ke sirkuit SCC, yang diimplementasikan dalam loop arus dan tegangan. Rangkaian sistem secara keseluruhan dan diagram blok ditunjukkan pada Gambar 1 sebagai berikut. Tegangan sumber dihasilkan oleh sistem PV. Selanjutnya, pengontrol pengisian daya surya (SCC) menggunakan konverter DC-DC maju, yang diatur oleh pengontrol PI bertingkat, untuk mengelola parameter tegangan dan arus untuk mengisi daya baterai, yang berfungsi sebagai penyimpanan sementara. Kemudian Gambar 2 menunjukkan diagram blok sistem. Diagram blok menunjukkan bahwa sensor termasuk sensor arus dan tegangan digunakan untuk mengontrol parameter baterai.
Dalam makalah ini, perangkat lunak MATLAB digunakan untuk simulasi dan desain pengontrol. Hasil simulasi menunjukkan kelayakan pengontrol pengisian daya surya (SCC) yang diusulkan menggunakan pengontrol proporsional-integral yang disusun bertingkat. Variasi status pengisian daya (SoC) baterai disajikan dalam simulasi, yaitu 25%, 50%, dan 95%. SoC menunjukkan jumlah energi listrik yang disimpan dalam baterai dan sebaiknya SoC dijaga dalam batas yang sesuai. Gambar 3 mengilustrasikan respons keluaran saat ini ketika SoC diatur ke 25%. Pada titik terendah persentase SoC ini, baterai hampir kosong. Respons arus keluaran dengan pengontrol melacak titik setel 10A secara efektif. Sebaliknya, tanpa pengontrol, respons menunjukkan kelebihan yang signifikan, mencapai 24A, dan osilasi. Artinya penambahan pengontrol akan meningkatkan kinerja termasuk mengurangi kelebihan laju dan kesalahan kondisi tetap. Sebenarnya, pengontrol PI berbasis Zieger Nichol menyeimbangkan respons sistem yang cepat dengan stabilitas keseluruhan. Penguatan integral membantu mengurangi osilasi dengan mengoreksi kesalahan jangka panjang, sementara penguatan proporsional, jika disesuaikan dengan tepat, akan mengendalikan overshoot dengan memoderasi seberapa cepat sistem bereaksi. Dengan penyetelan yang tepat, pengontrol PI dapat mengurangi overshoot dan menghaluskan osilasi, sehingga menghasilkan kinerja yang lebih stabil dan memuaskan. Gambar 4 menyajikan respons tegangan, dan memperlihatkan bahwa tegangan dengan pengontrol menunjukkan kinerja unggul, termasuk respons transien cepat dan tidak ada riak tegangan. Akan tetapi, sistem tanpa pengontrol memiliki kesalahan kondisi tetap yang besar dan waktu naik yang lama. Selanjutnya pada Gambar 5, respon arus ketika SoC diset pada 50%. Jelaslah bahwa arus dengan pengontrol berkurang dibandingkan dengan SoC sebesar 25%, yaitu 6A. Oleh karena itu responnya memiliki kinerja yang baik. Gambar 6, menunjukkan respons tegangan dengan dan tanpa pengontrol, Soc 50%. Kesalahan kondisi tetapnya sama, tetapi waktu naiknya berbeda. Dengan pengontrol waktu naiknya lebih cepat daripada tanpa pengontrol. Gambar 7, saat status pengisian daya (SoC) ditetapkan ke 95%, bentuk gelombang arus dengan pengontrol menunjukkan nilai terkecil dibandingkan dengan yang lain, karena baterai hampir berkapasitas penuh. Selain itu, dari 1,8 detik menjadi 2,5 detik, arus melambat. Sebaliknya, arus tanpa pengontrol mengalami osilasi dan kelebihan arus yang signifikan, mencapai 25A. Respons tegangan pada 95% SoC ditunjukkan pada Gambar 8. Respons tegangan dengan pengontrol memiliki waktu kenaikan yang lebih cepat dibandingkan tanpa pengontrol. Selanjutnya, menjelang akhir bentuk gelombang tanpa pengontrol, respons tegangan meningkat secara perlahan. Peningkatan yang lambat ini terjadi karena tidak adanya pengontrol untuk mempertahankan respons tegangan konstan hingga baterai mencapai kapasitas penuh.
Pengontrol proporsional-integral (PI) bertingkat, yang menggabungkan loop arus dan tegangan, diusulkan untuk pengontrol pengisian daya surya (SCC). SCC menggunakan Konverter DC-DC maju untuk menurunkan tegangan dari fotovoltaik (PV) ke baterai untuk penyimpanan sementara. Berbagai simulasi menggunakan berbagai status pengisian daya (SoC) termasuk 25%, 50%, dan 95%, yang dibandingkan dengan dan tanpa pengontrol. Simulasi ini memvalidasi bahwa pengontrol bertingkat pada loop tegangan dan arus menunjukkan kinerja yang baik, ditandai dengan riak minimal, waktu kenaikan cepat, tidak ada kelebihan, dan ketahanan. Oleh karena itu, sistem yang diusulkan menggunakan metode kurva reaksi Ziegler-Nichols menunjukkan kinerja yang memadai dari konverter DC-DC maju untuk pengontrol pengisian daya surya dalam sistem PV yang cocok untuk aplikasi industri.
Penulis: Muhammad Syahril Mubarok, Ph.D.
