ANALISIS DAN DESAIN BIDIRECTIONAL INVERTER 1500 WATT UNTUK SISTEM HYBRID ENERGI ALTERNATIF PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DAN ENERGI UTILITAS PADA APLIKASI RUMAH TANGGA Amir Hamzah*, Hendri
Jurusan Teknik Elektro Universitas Riau Pekanbaru, Indonesia Email: *)
[email protected]
Abstrak Ketersedian energi listrik untuk di daerah-daerah terpencil masih belum mampu diatasi oleh penyedia energi listrik utilitas. Pemadaman listrik secara bergilir masih sering terjadi akibat ketersedian energi listrik yang kurang. Pemadaman listrik ini menganggu kegiatan-kegiatan sosial ekonomi ataupun usaha-usaha ekonomi yang dilakukan oleh masyarakat konsumen listrik. Pada makalah ini telah diteliti upaya penggabungan (hibrid) energi listrik dari pembangkit utilitas dengan pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). PLTS berfungsi sebagai penyedia energi primer dan energi utilitas sebagai penyedia energi sekunder. PLTS merupakan energi alternatif yang saat ini mengalami perkembangan teknologi dan pemakaian yang cukup pesat. Namun demikian, kelemahan PLTS yaitu energi listrik yang dihasilkannya bergantung pada insolasi penyinaran cahaya matahari harian dan harga yang masih cukup tinggi. Penggabungan energi listrik pada penelitian ini memiliki kapasitas 1500 W. Penggabungan ini dilakukan dengan menggunakan konverter. Konverter yang digunakan dalam penelitian ini adalah bidirectional inverter. Bidirectional inverter adalah konverter yang dapat bekerja dua arah, yaitu sebagai inverter dan sebagai penyearah. Hasil pengujian, pada saat kerja konverter sebagai inverter diperoleh hasil keluaran bidirectional inverter berupa arus AC dan tegangan masing-masing sebesar 3 ampere dan 220 volt AC. Pada saat kerja konverter sebagai penyearah diperoleh hasil keluaran bidirectional inverter berupa arus pengisian baterai sebesar 2.8 Ampere. Keywords—energi listrik; PLTS; bidirectional inverter; hibrid energi.
1. Pendahuluan Penelitian dan pengembangan teknologi energi terbarukan terus mengalami peningkatan dan biaya yang semakin kompetitif terhadap energi bahan bakar fosil. Biaya teknologi energi terbarukan terus menunjukkan pola semakin menurun seiring permintaan dan produksi teknologi energi terbarukan semakin meningkat. Salah satu teknologi yang mengalami perkembangan yang pesat adalah teknologi sistem energi matahari (Pembangkit Listrik Tenaga Surya, PLTS). Perkembang teknologi panel surya dan teknologi elektronika daya semakin menghasilkan efisiensi yang semakin baik dan biaya yang kompetitif [1-2]. Salah satu permasalahan dalam penggunaan PLTS adalah daya listrik yang dihasilkan oleh PLTS bergantung pada insolasi harian matahari dan kondisi cuaca. Panel photovoltaic memiliki karakteristik tegangan-arus tidak linear. Hal ini disebabkan oleh daya keluaran photovoltaic berubah-ubah sesuai dengan perubahan radiasi sinar matahari dan temperatur. Selain itu, perbedaan antara daya listrik yang dihasilkan oleh PLTS dengan energi listrik yang digunakan konsumen juga sering terjadi.
Untuk menjaga keberlangsungan suplai daya listrik ke beban-beban listrik yang digunakan, dibutuhkan penggabungan (hibrid) sistem PLTS sebagai sumber energi primer dengan sistem pembangkit energi lain sebagai cadangan (sekunder). Sistem pembangkit listrik yang dapat digunakan dapat bersumber dari energi seperti pembangkit listrik tenaga angin, minihidro, genset ataupun dari jaringan utilitas yang telah ada (jaringan listrik PT. PLN). Untuk mengatasi permasalahan tersebut digunakanlah baterai sebagai tempat penyimpan energi dan konverter daya untuk mengubah bentuk energi listrik [3]. Pada makalah ini dilakukan desain bidirectional inverter 1500 Watt sebagai konverter untuk menggabungkan energi alternatif PLTS sebagai sumber energi primer dan energi listrik utilitas (PT. PLN) sebagai energi sekunder di aplikasi rumah tangga. Bidirectional inverter berserta sistem kontrolnya berfungsi mengatur dan melakukan proses pengisian (charging) dan pelepasan (discharging) arus listrik di baterai. Karakteristik konverter daya harus memiliki performansi yang baik, efisiensi tinggi dan ukuran yang kecil. Konverter daya juga berfungsi sebagai
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.164 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
isolasi antara bagian arus bolak balik dan bagian arus searah di sistem penyimpanan baterai.
2. Metodologi Penelitian Modul Photovoltaic Komponen utama pembangkit energi surya adalah modul photovoltaic (PV) yang berfungsi mengubah energi cahaya (foton) menjadi energi listrik. Listrik yang dihasilkan adalah listrik arus searah. Kapasitas daya modul surya diukur dalam satuan Watt-peak (Wp) dan merupakan spesifikasi modul surya yang menyatakan besarnya daya yang bisa dihasilkan oleh modul surya pada saat insolasi surya yang diterima sebesar 1000 W/m2 dan kondisi suhu lingkungan 25 0C. Daya dan arus listrik yang dihasilkan modul surya berubah-ubah tergantung pada besar intensitas radiasi surya yang diterima. Daya keluaran modul surya juga dipengaruhi oleh faktor lingkungan, bayangan, sudut kemiringan instalasi, dan kebersihan permukaan modul.
tidak adanya sinar matahari. Selama waktu adanya matahari, modul panel surya menghasilkan daya listrik. Daya yang tidak digunakan dengan segera dipergunakan untuk mengisi baterai. Selama waktu tidak adanya matahari, permintaan daya listrik disediakan oleh baterai, yang oleh karena itu akan mengeluarkannya. Konverter AC-DC Bidirectional Tegangan listrik bolak-balik dapat disearahkan dengan menggunakan konverter dioda atau thyristor. Dalam sistem penyimpanan energi baterai, konverter ac-dc bidirectional dibutuhkan untuk mengirim energi antara baterai dan jaringan ac. Konverter bidirectional memiliki karakteristik dapat mengisi (charging) dan melepas (discharging) energi pada baterai. Diagram blok konverter bidirectional seperti terlihat pada gambar 2, dengan Pac adalah daya aktif di sisi penerima arus bolakbalik dan Pdc adalah daya di sisi penerima arus searah. Konverter bekerja sebegai penyearah bila daya dikirim dari jaringan arus bolak-balik ke sisi arus searah (Pac< 0 dan Pdc> 0). Sebaliknya, konverter bekerja sebagai inverter bila daya dikirim dari sisi sumber arus searah ke jaringan ac (Pac> 0 dan Pdc< 0) [6-10].
Gambar. 1. Model photovoltaic dengan satu diode dan resistansi seri. Gambar. 1 memperlihatkan rangkaian ekivalen photovoltaic satu dioda dan resistansi seri [4-5]. Dari rangkaian ekivalen, diketahui persamaan arus listrik sebagai berikut: q V IR S mkT I I I e 1 s 0
Baterai Baterai adalah alat yang menyimpan daya yang dihasilkan oleh panel surya yang tidak segera digunakan oleh beban. Daya yang disimpan dapat digunakan saat periode radiasi matahari rendah atau pada malam hari. Baterai menyimpan listrik dalam bentuk daya kimia. Baterai yang paling biasa digunakan dalam aplikasi surya adalah baterai yang bebas pemeliharaan bertimbal asam (maintenance-free lead-acid batteries), yang juga dinamakan baterai recombinant atau VRLA. Baterai memenuhi dua tujuan penting dalam sistem panel surya, yaitu untuk memberikan daya listrik kepada sistem ketika daya tidak disediakan oleh modul panel-panel surya, dan untuk menyimpan kelebihan daya yang ditimbulkan oleh panel-panel setiap kali daya itu melebihi beban. Baterai tersebut mengalami proses siklus menyimpan dan mengeluarkan, tergantung pada ada atau
Gambar. 2. Aliran daya dua arah. Komponen semikonduktor yang digunakan dalam konverter ac-dc bidirectional harus dapat mengalirkan arus dari dua arah. Biasanya, digunakan komponen semikonduktor Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) atau Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) yang paralel dengan sebuah dioda. Berbagai topologi konverter bidirectional telah ditemukan. Secara dasar, topologi ini dapat dibagi dalam dua jenis, yaitu: konverter non-isolated dan isolated. Transformator frekuensi tinggi adalah solusi yang baik untuk memperoleh isolasi antara jaringan ac dan sumber dc. Namun, konverter non-isolated memiliki kelebihan karena biaya lebih rendah dan lebih efisien. Pada konverter satu fasa, penggunaan konverter bidirectional dengan topologi empat saklar daya sering digunakan (Gambar 3) [1].
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.165 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
Gambar. 3. Diagram rangkaian bidirectional empat saklar satu fasa.
konverter
ac-dc
Desain Pembangkit Listrik Tenaga Surya Gambar 4 merupakan desain penggabungan sistem PLTS sebagai sumber energi primer dengan sistem pembangkit energi utilitas sebagai cadangan. Pada penelitian ini panel surya yang digunakan adalah panel surya dengan spesifikasi 130 Wp 17.6 Volt 7.39 A. Modul ini disimulasikan menggunakan Simulink matlab (gambar 5). Baterai yang digunakan pada penelitian ini adalah baterai basah (aki) dengan spesifikasi baterai 24 Volt 75 Ah yang disusun seri sebanyak 13 buah sehingga diperoleh tegangan 312 Volt.
Gambar. 4. Skema sistem hibrid bidirectional inverter.
Gambar. 6. Rangkaian bidirectional inverter kerja inverter Bidirectional Inverter Kerja Penyearah Pada penelitian ini bidirectional inverter kerja penyearah di modelkan dalam Simulink matlab (gambar 7). Arus pengisian baterai adalah 6.4 A saat di suplai oleh PLTS dan 2.8 A saat di suplai oleh PLN sedangkan tegangan pengisian baterai adalah 374 Volt. Dikarenakan tegangan keluaran penyearah ini adalah 311.3 Vdc dengan nilai ratarata tegangan keluaran penyearah adalah Vdc = 0,636 Vm.
Gambar. 7. Rangkaian bidirectional inverter kerja penyearah Sehingga tegangan rata-rata keluaran penyearah adalah 198 Volt maka diperlukan konverter penaik agar mendapat tegangan pengisian baterai sebesar 374 Volt. Adapun rangkaian konverter penaik tegangan dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar. 5. pemodelan satu keeping panel surya Bidirectional Inverter Mode Inverter Bidirectional inverter pada penelitian ini menggunakan IGBT sebagai komponen pensaklarannya. IGBT ini akan di operasikan secara bergantian dengan mengendalikan gate pada IGBT dengan teknik SPWM. Gambar 6 merupakan rangkaian bidirectional Inverter pada Matlab Simulink.
Gambar. 8. Rangkaian konverter penaik
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.166 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
Parameter dari konverter penaik ini adalah sebagai berikut: Tegangan Masukan = 198 Volt Induktor Konverter Penaik= 0.264 µH Capasitor Konverter Penaik = 7.03 mF Rasio Kerja = 0.47 Frekuensi Pensaklaran = 25000 Hz Tegangan Keluaran Konverter Penaik = 374 Volt
3. Hasil dan Pembahasan Analisis Simulasi Kerja Inverter Kerja konverter sebagai inverter dilakukan saat sumber energi listrik yang digunakan berasal dari PLTS atau dari baterai. Kerja inverter ini dilakukan untuk melihat dan menghitung besar arus dan tegangan keluaran bidirectional inverter pada kondisi berbeban. Untuk menganalisa kerja Inverter ini dilakukan analisa menggunakan simulasi kerja inverter pada Simulink Matlab R2013b seperti terlihat pada gambar 9 berikut.
surya tersebut dihubungkan ke beban rumah tangga melalui bidirectional inverter. Pada kerja ini, tegangan masukan DC akan diubah menjadi tegangan keluaran AC. Untuk memperoleh tegangan AC yang mendekati sinusoidal diperoleh dengan mengoperasikan IGBT secara bergantian yang dikendalikan dengan teknik SPWM yaitu membandingkan sinyal sinus dan sinyal segitiga. Gambar 11 merupakan hasil keluaran dari dari rangkaian bidirectional inverter kerja inverter. Gambar 11 menunjukkan hasil keluaran bidirectional inverter berupa arus dan tegangan AC yang mendekati sinusoidal dengan arus dan tegangan masing-masing sebesar 3 ampere dan 220 volt AC. Untuk mendapatkan gelombang arus dan tegangan yang mendekati sinus ini digunakan teknik pensaklaran SPWM.
Gambar. 11. Grafik arus dan tegangan keluaran bidirectional inverter kerja inverter Gambar. 9. Rangkaian bidirectional inverter kerja inverter dengan sumber panel surya
Analisis Simulasi Kerja Penyearah Kerja konverter sebagai penyearah dilakukan saat sumber energi listrik berasal dari jaringan utilitas. Kerja sebagai penyearah bertujuan sebagai pengisi muatan baterai bila energi dari photovoltaik tidak mencukupi dan juga sebagai penyimpan energi listrik yang dapat dipergunakan kembali saat terjadi pemadaman listrik. Gambar 12 merupakan rangkaian bidirectional inverter kerja penyearah.
Gambar. 10. Rangkaian bidirectional inverter kerja inverter dengan sumber baterai Dari Gambar 10 terlihat bahwa rangkaian bidirectional inverter kerja inverter dengan sumbernya adalah baterai yang telah dirangkai secara seri-paralel. Dimana panel
Gambar. 12. Rangkaian bidirectional inverter kerja penyearah
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.167 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
(2) Pada saat kerja konverter sebagai inverter diperoleh hasil keluaran bidirectional inverter berupa arus AC dan tegangan masing-masing sebesar 3 ampere dan 220 volt AC. Untuk mendapatkan gelombang arus dan tegangan yang mendekati sinus ini digunakan teknik pensaklaran SPWM. (3) Pada saat kerja konverter sebagai penyearah diperoleh hasil keluaran bidirectional inverter berupa arus pengisian baterai sebesar 2.8 A. Gambar 13. Grafik tegangan (bawah) dan arus (atas) pengisian baterai Pada kerja penyearah, tegangan masukan AC dikonversikan menjadi tegangan keluaran DC. Pengkonversian tegangan AC menjadi tegangan DC bertujuan untuk mengisi baterai DC 312 Volt yang berfungsi sebagai sumber cadangan apabila tidak disuplai oleh panel surya. Pada kerja penyearah ini, tegangan AC yang telah disearahkan menjadi tegangan DC dengan tegangan keluaran sebesar 198 kemudian dinaikkan menjadi 374 Vdc dengan arus pengisian sebesar 2.8 Amper, sedangkan arus pengisian baterai dari PLTS adalah 6.4 A. Gambar 13 merupakan bentuk hasil tegangan dan arus pengisian baterai.
4. Penutup (1) Konverter bidirectional inverter dapat bekerja sebagai inverter dan penyearah. Kerja konverter sebagai inverter dilakukan saat sumber energi listrik yang digunakan berasal dari PLTS atau dari baterai. Sedangkan kerja sebagai penyearah bertujuan sebagai pengisi muatan baterai bila energi dari photovoltaik tidak mencukupi dan juga sebagai penyimpan energi listrik yang dapat dipergunakan kembali saat terjadi pemadaman listrik.
Referensi [1]
P. Veena, V. Indragandhi, R. Jeyabharath, 2013, “An Interleaved Soft Switching Boost Converter with Bidirectional Full Bridge Inverter for Photo Voltaic Power Generation”, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 6(22): 4204-4210, 2013. [2] Amakye Dickson Ntoni, 2014, “Control of inverters to support bidirectional power Flow in grid connected systems” IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology. [3] Md. Parvez Akter, Saad Mekhilef, Nadia Mei Lin Tan, and Hirofumi Akagi, 2015, “Model Predictive Control of Bidirectional AC-DC Converter for Energy Storage System”, J Electr Eng Technol.;10(1): 165-175 http://dx.doi.org/10.5370/ JEET.2015.10.1.165. [4] Jitendra Bikaneria, Surya Prakash Joshi, 2014, “Modeling and Simulation of PV Cell using One-diode model”, International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 3, Issue 10. [5] Ankit Varshney, Abu Tariq, 2014, “Simulink Model of Solar Array for Photovoltaic Power Generation System”, International Journal of Electronic and Electrical Engineering ISSN 0974-2174, Volume 7, Number 2. [6] Mei Su, Hua Li, Yao Sun, and Wenjing Xiong, 2014, “HighEfficiency Bidirectional AC/DC Topology or V2G Applications”, Journal of Power Electronics, Vol. 14, No. 5. [7] Mohamed, M. Elshaer, and O. Mohammed, “Bi-directional ACDC/DC-AC converter for power sharing of hybrid AC/DC systems,” in 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2011, pp. 1–8. [8] Ahmet Teke, Mohammad Barghi Latran, 2014, Review of Multifunctional Inverter Topologies and Control Schemes Used in Distributed Generation, ournal of Power Electronics, Vol. 14, No. 2, pp. 324-340. [9] Do-Hyun Kim, Yoon-Seok Lee, Byung-Moon Han, Ju-Yong Kim, Woo-Kyu Chae, 2013, “Grid-tied Power Converter for Battery Energy Storage Composed of 2-stage DC-DC Converter” JEET.2013.8.6.742. [10] M. Sasikumar, S. Chenthur Pandian, 2012, “Modified Bidirectional AC/DC Power Converter with Power Factor Correction”, IJE TRANSACTIONS B Applications Vol. 25, No. 3.
ISBN 978-979-097-420-3
