Studi Kestabilan Photovoltaic pada Pembangkit Tersebar Berbasis Pembangkit Angin, Photovoltaic dan Pembangkit Diesel Terhadap Gangguan di Sistem Tenaga Afriyastuti Herawati 1* 1
Program Studi Teknik Elektro Universitas Bengkulu, *Email:
[email protected]
ABSTRAK Energy source from sunlight abundant in tropical countries like Indonesia is very potential to be developed for solar power plants or photovoltaic. This paper proposed an analysis of the stability of the photovoltaic as a part of a distributed generation system based wind power, photovoltaic, and diesel generators, using control systems to obtain the magnitude of the array voltage and current in the MPPT conditions. In this study the stability of photovoltaic is analyzed by simulating three-phase short circuit fault on the line. Then the response is observed for several fault clearance times. The result shows that the photovoltaic is stable after the fault disconnected with fault clearance time of 100 ms without active power reduction. At the fault clearance time of 300 ms, 350 ms and 400ms, however, active power is reduced. Keywords: fault clearing time, stability, photovoltaic, distributed generation.
1. PENDAHULUAN Seiring dengan semakin berkurangnya jumlah bahan bakar fosil dan permasalahan perubahan iklim, isu energi terbarukan memang menjadi isu global saat ini. Penggunaan energi angin dan energi cahaya matahari sebagai sumber energi untuk pembangkit listrik semakin pesat peningkatannya. Dalam perkembangannya, penggunaan pembangkit listrik sumber energi terbarukan saat ini lebih banyak digunakan dalam bentuk Pembangkit Tersebar (PT) yaitu pembangkit skala kecil yang menyediakan daya listrik untuk beban kecil dan lokasinya dekat dengan beban tersebut. Penggunaan sistem PT bersama-sama dengan pembangkit konvensional memang belum banyak diterapkan di Indonesia, tetapi ini telah dilakukan di Amerika, Korea Selatan, Jepang dan beberapa Negara di Eropa yaitu Jerman, Italia, Spanyol dan Perancis. Sampai tahun 2010 telah terpasang photovoltaic sebesar lebih dari 10 GW diseluruh dunia. Konsentrasi terbesar terdapat di Jerman sebesar 5.3 GW, diikuti Spanyol sebesar 3.4 GW, Jepang sebesar 2.1 GW. Sedangkan 14
untuk pembangkit angin sampai tahun 2009 telah terpasang sebesar 160 GW di seluruh dunia [1]. Pada sistem pembangkit photovoltaic, menggunakan energi cahaya matahari yang kemudian dikonversi menjadi energi listrik. Jadi pada photovoltaic sangat dipengaruhi oleh radiasi matahari. Namun kendalanya pada pembangkit ini adalah intensitas cahaya matahari yang tidak stabil selama 24 jam. Oleh karena itu diperlukan suatu sistem pengontrolan untuk menjaga kestabilan photovoltaic agar dapat tetap terhubung ke jaringan. Penelitian mengenai photovoltaic pada pembangkit tersebar sudah dilakukan, diantaranya pada penelitian [2] membahas mengenai ekstraksi energi maksimum pada sistem pembangkit hybrid yaitu pembangkit angin dan photovoltaic. Pada penelitian [3] membahas mengenai transfer daya maksimum photovoltaic yang terhubung ke jaringan. Pada penelitian [4] membahas mengenai kestabilan pembangkit tersebar berbasis hydro generator dan photovoltaic. Sedangkan pada penelitian ini membahas mengenai kestabilan transien photovoltaic pada sistem pembangkit tersebar berbasis pembangkit angin, photovoltaic dan pembangkit diesel. Sehingga nantinya hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan masukan untuk pengembangan photovoltaic yang terhubung ke jaringan.
2. TINJAUAN PUSTAKA A.
Pembangkit Tersebar (PT)
Definisi [5] Pembangkit Tersebar (PT) merupakan semua teknologi pembangkit tenaga listrik skala kecil yaitu dibawah 10 MW yang menyediakan daya listrik pada lokasi yang dekat dengan konsumen dari pada stasiun pembangkit pusat [6]. Ada beberapa aspek yang berkaitan dengan definisi PT yaitu [5] : a. Batasan rating daya Dalam hal batasan daya, tidak ada ketetapan khusus. Tidak ada definisi yang resmi berdasarkan batasan rating daya. Tetapi dapat dikatakan bahwa PT memiliki rating daya yang lebih kecil dari pada pembangkit pusat.
ISSN: 2089-2020
b. Koneksi Kebanyakan dari PT terhubung ke jaringan sistem distribusi, tetapi pada beberapa negara (hampir semua Eropa) mempertimbangkan kemungkinan PT terhubung ke jaringan transmisi. Kecuali di Perancis dan Republik Ceko, kebanyakan PT terhubung ke jaringan distribusi. Di Perancis PT terhubung ke sistem 400 kV. Di Republik Ceko, PT kebanyakan terhubung ke jaringan transmisi. Tetapi kemudian, batasan tegangan PT sampai 110 kV. Batasan tertinggi ini berdasarkan pada level tegangan jaringan distribusi di Eropa. Tetapi batasan level tegangan tidak menjadi indikator untuk mendefinisikan PT, namun batasan tegangan PT adalah pada level jaringan distribusi sekunder. c. Lokasi Lokasi geografis bukan juga merupakan parameter yang relavan untuk membedakan PT dengan pembangkit pusat. Tetapi lokasi PT adalah berada dekat atau sangat dekat dengan beban atau konsumen. d. Kemampuan mengirimkan daya Secara umum pembangkit PT bisa bersifat dispatchable ataupun non-dispatchable, tergantung pada sumber energi primer yang menyuplai PT. Ketika PT bersifat dispatchable, operator PT dapat menentukan daya keluaran unit PT dengan mengatur sumber energi primer yang disuplai ke unit PT. Ketika PT bersifat nondispatchable, operator tidak dapat mengirimkan unit PT karena perilaku sumber energi primernya yang tidak bisa dikontrol. Biasanya PT non-dispatchable digerakkan oleh sumber energi terbarukan, dimana daya keluaran akan bergantung pada ketersediaan sumber energinya [7]. Hal ini bukan hal yang mendefinisikan PT. Pembangkit-pembangkit PT Dalam teknologi PT, berbagai jenis pembangkit yang umum digunakan diantaranya adalah internal combustion engine (ICE), turbin gas, combined cycle gas turbines, microturbines, fuel cells, solar photovoltaic, pembangkit angin, small hydropower, solar thermal, geothermal, biomass, tidal power dan wave power [7]. Dalam penelitian ini akan digunakan PT dengan pembangkit angin, photovoltaic dan diesel generator. B.
Pembangkit Photovoltaic
Photovoltaic Sel, Modul dan Array [8] Secara fisik sel photovoltaic mirip dengan dioda pn junction klasik (Gambar 1). Ketika cahaya diserap oleh junction, energi foton yang terserap dipindahkan ke sistem elektron material menghasilkan terbentuknya pembawa muatan yang terpisah pada junction. Pembawa muatan bisa berupa pasangan ion-elektron dalam suatu cairan elektrolit atau pasangan electron-hole dalam suatu material semikonduktor. Pembawa muatan pada daerah junction menciptakan suatu gradien potensial yang
Gambar 1. Pengaruh photovoltaic yang mengubah energi foton menjadi tegangan pada p-n junction[8].
Gambar 2. Beberapa sel photovoltaic membentuk modul dan beberapa modul membentuk array [8].
dipercepat dibawah medan magnet yang beredar sebagai arus melalui suatu rangkaian. Secara umum, beberapa inci kuadrat ukuran sel photovoltaic menghasilkan daya sekitar satu watt. Untuk mendapatkan daya yang besar, maka sejumlah sel dihubungkan secara seri dan parallel pada suatu panel atau modul dalam ukuran luas tertentu. Gabungan beberapa modul yang terhubung secara seri, paralel atau kombinasi keduanya disebut array (Gambar 2) Karakteristik I – V Karakteristik dari photovoltaic dapat dilihat dari kurva I – V (Gambar 3). Pada kurva tersebut terdiri atas arus hubung singkat Isc, tegangan rangkaian terbuka Voc, dan titik operasi daya maksimum atau yang biasa dikenal dengan Maximum Power Point atau disingkat menjadi MPP. Adapun penjelasannya adalah sebagai berikut: a. Arus hubung singkat Isc merupakan arus maksimum yang mengalir ketika photovoltaic tersebut dihubung singkat sehingga pada saat itu tegangannya bernilai nol. b. Tegangan rangkaian terbuka Voc adalah tegangan maksimum pada photovoltaic ketika photovoltaic dalam keadaan rangkaian terbuka. c. Maximum power point adalah suatu titik pada kurva I – V photovoltaic yang merupakan titik daya maksimum. Tegangan pada titik ini dikenal dengan tegangan maximum power point (Vmpp) dan arus pada titik ini dikenal sebagai arus maximum power point (Impp) [9]. 15
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 1, Mei 2013
Gambar 4. Jaringan sistem tenaga listrik untuk simulasi [10]
Gambar 3. Kurva karakteristik tegangan – arus (kurva I–V) [9]
Arus hubung singkat Isc dan tegangan rangkaian terbuka Voc pada photovoltaic sangat dipengaruhi oleh suhu. Dengan kenaikan suhu maka arus Isc akan meningkat sedangkan tegangan Voc menurun. Pengaruh suhu terhadap daya dihitung dengan menguji pengaruhnya terhadap arus dan tegangan secara terpisah. Jika Io adalah arus hubung singkat, Vo adalah tegangan rangkaian terbuka pada suhu referensi T, α adalah koefisien suhu arus dan β adalah koefisien suhu tegangan maka arus dan tegangan yang baru pada perubahan suhu sebesar ∆T diberikan oleh [8]: I sc = I 0 (1 + α ⋅ Δ T )
(1)
Voc = V0 (1 − β ⋅ Δ T )
(2)
(a)
Maka besarnya daya yang baru adalah : P = V ⋅ I = I 0 (1 + α ⋅ Δ T ) ⋅ V0 (1 − β ⋅ Δ T )
(3) (b)
Kemudian dapat disederhanakan menjadi : P = P0 ⎡⎣1 + (α − β ) ⋅ Δ T ⎤⎦
(4)
Untuk membandingkan modul photovoltaic satu dengan lainnya, maka kondisi yang seragam ditetapkan untuk menentukan data elektriknya sehingga dapat dilakukan perhitungan untuk menetukan kurva karakteristik I – V nya. Ini dikenal dengan Kondisi Tes Standar (KTS). Berdasarkan standar IEC 60904/DIN EN 60904 maka untuk KTS ketentuannya adalah sebagai berikut [9]: 1. Irradiasi vertikal E adalah pada nilai 1000 W/m2 2. Temperatur sel adalah 25⁰C dengan toleransi ± 2⁰C 3. Spektrum cahaya dengan massa udara AM = 1.5.
3. METODE PENELITIAN Sistem yang digunakan pada penelitian ini mengacu pada sistem yang digunakan pada [10]. Simulasi dilakukan menggunakan program DigSilent Powerfactory. Rangkaian yang digunakan pada penelitian ini digambarkan pada Gambar 4 yang terdiri 16
(c) Gambar 5. Sistem dengan pembangkit Pembangkit Terdistribusi (PT) untuk masing-masing bus: (a) Bus 1 (b) Bus 2 (c) Bus 3, 4, 5 dan 6 [1][10].
atas suatu sistem enam bus PT dan terhubung ke jaringan listrik eksternal. Dari enam bus 110 kV tersebut tersusun atas bus 1 terdiri atas pembangkit angin sebesar 5 x 2 MW dan pada bus 1 tersebut terdapat beban sebesar
ISSN: 2089-2020
Gambar 7. Simulasi gangguan hubung singkat 3 fasa di saluran 4
Gambar 6. Model blok pengontrolan daya PV TABEL 1 NILAI PARAMETER PV PADA SISTEM PENGONTROLAN PV MODEL Parameter Tegangan rangkaian terbuka modul pada KTS (V) Tegangan MPP modul pada KTS (V) Arus MPP modul pada KTS (A) Arus hubung singkat modul pada KTS (A) Faktor koreksi suhu untuk tegangan (1/K) Faktor koreksi suhu untuk arus (1/K) Jumlah modul terhubung seri Jumlah modul terhubung parallel
Nilai 36.72 30.18 7.97 8.99 -0.0034 0.00045 25 75
10 MW yang diperlihatkan oleh Gambar 5(a). Kemudian pada bus 2 juga terdapat pembangkit angin sebesar 4 x 2 MW dan juga terdapat beban sebesar 8 MW seperti terlihat pada Gambar 5(b). Pada bus 3, bus 4 dan bus 5 merupakan PT yang masing-masing bus seperti terlihat pada Gambar 5(c) dengan pembangkit diesel sebesar 1.4 MVA pada masing-masing pembangkitnya. Sedangkan untuk bus 6 merupakan sistem PT yang sistemnya sama dengan Gambar 5(c) namun untuk pembangkitnya bukan pembangkit diesel melainkan photovoltaic dengan kapasitas masingmasingnya sebesar 1.35 MW[10]. Model Kontroler PV [11] Adapun untuk model kontrol daya PV pada penelitian ini direpresentasikan pada DSL atau DigSilent Simulation Languange (Gambar 6). Model pengontrolan ini terdiri atas pengontrolan suhu, pengontrolan radiasi matahari, reduksi daya aktif dan controller PV model. Dengan memasukkan besarnya nilai suhu, irradiasi, jumlah PV modul yang terhubung seri, jumlah PV modul yang terhubung paralel, tegangan rangkaian terbuka, arus hubung singkat, tegangan pada MPP, arus pada MPP dan faktor koreksi arus (Tabel 1), maka sistem pengontrolan akan menghitung besarnya nilai tegangan dan arus array pada MPP.
Reduksi Daya Aktif Untuk analisis kestabilan, maka pada pengontrolan ini terdapat blok Active Power Reduction yang berfungsi untuk mereduksi daya aktif ketika daya aktif yang dihasilkan oleh PV dapat mengakibatkan frekuensi lebih (over frequency). Dalam hal ini jika frekuensi bernilai sebesar 50.2 Hz sampai 51.5 Hz maka daya aktif akan direduksi. Dan jika frekuensi diatas 51.5 Hz atau dibawah 47.5 Hz maka PV akan diputus dari sistem [11]. Dengan masukan adalah frekuensi hasil dari pengukuran frekuensi maka keluarannya adalah besarnya daya yang telah direduksi jika terjadi frekuensi lebih. Dengan kata lain pada kondisi normal besarnya daya yang dikeluarkan oleh blok ini yaitu pred adalah 1 pu, artinya tidak ada daya yang direduksi.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Simulasi gangguan hubung singkat 3 fasa di saluran 4 (waktu pemutusan gangguan 100 milidetik) Simulasi dilakukan dengan menerapkan gangguan hubung singkat tiga fasa di saluran 4 dengan waktu pemutusan gangguan 100 milidetik dengan membuka circuit breaker (CB) di saluran 4 (Gambar 7). Dari Gambar 7 terlihat bahwa ketika terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa di saluran 4, hampir semua bus terpengaruh. Hal ini bisa dilihat pada Gambar 7 bahwa hampir semua tegangan bus turun sampai dibawah 50%. Dan bus yang tegangannya paling jatuh hampir mendekati nol adalah bus 4 yaitu bus tempat terhubungnya saluran 4. Namun ketika gangguan diputus dalam waktu pemutusan gangguan 100 milidetik, maka tegangan pada semua bus tersebut dapat naik lagi ke posisi semula yaitu 1 p.u. Atau dapat dikatakan bahwa secara keseluruhan masing-masing pembangkit dapat mengembalikan tegangannya kembali ke level yang dapat diterima segera setelah gangguan diputus.
17
Jurnal Amplifierr Vol. 3 No. 1, Mei M 2013
Gambar 8. Reespon tegangann bus terhadap gangguan tiga fasa di saluran 4 denngan waktu peemutusan gangguan 1000 milidetik
g di salluran Gambar 9. Reespon daya aktif PV terhadap gangguan 4 dengan d waktu pemutusan p ganggguan 100 miliddetik
Demikiian pula untukk PV, ketika gangguan g dipputus dalam waktuu 100 milidetikk, tegangan dan d daya aktiff nya relatif stabil seperti terlihaat pada Gambaar 9. B. Simulasii gangguan hubung sin ngkat 3 fasaa di saluran 4 (waktu pemutusan gangguan 400 k) milidetik Ketika waktu pem mutusan ganggguan dinaikkkan m didapatkkan hasil sepperti menjadi 4000 milidetik maka Gambar 10. Terlihat bahhwa dengan waktu w pemutuusan gangguan yaang diperpanjjang maka tegangan pada bus setelah ganggguan diselesaikan akan naiik kembali settelah turun. Namuun setelah naiik kembali, teegangan ini tidak t lurus lagi tetaapi mengalam mi riak. Ketika terjadi gangguuan, PV menggalami penuruunan daya aktif haampir mencappai nol, namunn ketika ganggguan diselesaikan maka PV dappat meningkattkan lagi dayaanya p walaupun grrafiknya menjadi beriak sepperti terlihat pada Gambar 11. C. Analisis Kestabilan PV P Secara umum m PV tidak memiliki m bagiian yang berpputar seperti halnyya generator sinkron s atau generator g induuksi. Maka PV cenderung relatif r stabil setelah terrjadi
18
Gam mbar 10. Respoon tegangan bbus pada wak ktu pemutusann gangguan 400 milideetik
Gam mbar 11. Respoon daya aktif PV terhadap gangguan dii salurann 4 dengan waaktu pemutusan n gangguan 4000 milideetik
gan ngguan. Selam ma gangguan berlangsung g dan setelahh gan ngguan, PV haarus tetap terhhubung ke jarringan. Indikator keestabilan PV ddapat dilihat dari d frekuensii pad da bus PV terrsebut. Jika ppada saat terjaadi gangguann frek kuensi pada PV P berada diibawah 50.2 Hz H maka PV V tetaap menyuplai daya aktif tanpa ada red duksi. Namunn jikaa frekuensi PV P berada diaatas 50.2 maaka PV haruss merreduksi daya aktifnya a [11]. Untuk analiisis reduksi ddaya aktif ini dapat diamatii den ngan menerappkan gangguaan hubung siingkat 3 fasaa pad da saluran 6 dengan wakktu pemutusaan gangguann sebesar 100 miliidetik, 300 m milidetik, 350 milidetik dann 0 milidetik seehingga didaapatkan hasil seperti padaa 400 Gam mbar 12 samppai dengan Gaambar 15. Dari Gambar 12 sampai Gambar 15 diatas d terlihatt bah hwa dengan dengan sistem pengontrolan n seperti yangg dijeelaskan pada Bab 3, makka PV relatiff stabil. Padaa wak ktu pemutusaan gangguan 100 ms tidak k ada reduksii day ya aktif, karenna ketika ganggguan diputus pada waktuu pem mutusan ganggguan yang ceepat tidak terjjadi kenaikann frek kuensi sistem m. Namun pada waktu u pemutusann gan ngguan 300 ms, m 350 ms ddan 400 ms ketika terjadii
ISSN: I 2089-20200
Gambar 12. Respon R reduksi daya aktif PV terhadap perubbahan frrekuensi akibatt gangguan hubung h singkat tiga faasa pada salurran 6 dengan waktu pemuttusan gaangguan 100 milidetik m
Gam mbar 15. Respoon reduksi dayaa aktif PV terhaadap perubahann frekueensi akibat gaangguan hubun ng singkat tigaa fasa pada p saluran 6 dengan wak ktu pemutusann gangguan 400 milideetik
5. KESIMPPULAN m pembangkitt Pembangkitt photovoltaicc pada sistem terssebar cukup stabil s ketika dikenai gang gguan hubungg sing gkat 3 fasa. Dengan D adanyaa sistem pengo ontrolan yangg baik k, PV dappat dengan cepat meengembalikann kesttabilannya seetelah terjadi gangguan, yaitu y dengann merreduksi daya aktif ketika frrekuensi sistem m diatas 50.22 Hz. Gambar 13. Respon R reduksi daya aktif PV terhadap perubbahan frrekuensi akibatt gangguan hubung h singkat tiga faasa pada salurran 6 dengan waktu pemuttusan gaangguan 300 milidetik m
Gambar 14. Respon R reduksi daya aktif PV terhadap perubbahan frrekuensi akibatt gangguan hubung h singkat tiga faasa pada salurran 6 dengan waktu pemuttusan gaangguan 350 milidetik m
gangguan PV V memang meengalami penuurunan daya aktif a karena terjjadi kenaikkan frekuenssi sistem dan tegangannya pun mengaalami penuruunan, namun PV dapat meninngkatkan lagii daya aktif dan tegangannnya segera setelaah gangguan diselesaikan. d Jaadi sistem konntrol PV cukup staabil.
REFEREN NSI [1] Mohd Zamrri Che Wanikk and Istvan Erlich, Azahh Mohamed and a Azuki Abbdul Salam, “Influence off Distributed Generation and Renew wable Energyy Resources Power P Plant oon Power Systtem Transientt Stability”, IEEE I PECon, Kuala Lump pur Malaysia,, 2010. [2] P. Aravindan, S. Thargavel, M.Y. Sanavulllah, “Maximum m Wind Solar Hybrid H Energyy Energy Extrraction in W Conversion System”, Euroopean Journal of Scientificc Research Voll. 63 No.1 pp 900-98, 2011. [3] M.Hanif, M.B Basu, K. Gaugghan, “Novel AC A Side P & O Maximum Poower Transfer Control for Grid G Connectedd Photovoltaic Systems”, Innternational Conference C onn E and Power Quality y ICREPQ’10,, Renewable Energies Granada, Spaain, 2010. [4] M. Aktarujjaaman, K.M. M Muttaqi, M. Neegnevitsky, G.. Ledwich, “Coontrol Stabilisaation of Multip ple DG”, IEEE,, 2007. [5] F.Gonzalez-L Longatt, C F Fortoul, “Rev view of thee Distributed Generation Concepts: Attempt off Unification”. [6] Ann Marie Borbely, Jann F Kreider, “Distributedd or the New w Generation the Power Paradigm fo Millennium”,, CRC Press, United Statess of America,, 2001.
199
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 1, Mei 2013
[7]
[8] [9]
20
Ferry August Viawan, “Voltage Control and Voltage Stability of Power Distribution Systems in The Presence of Distributed Generation”, Thesis for the Degree of Doctor Philosophy, Chalmers University of Technology, Sweden, 2008. Mukund R Patel, “Wind and Solar Power System”, CRC Press, United States of America, 1999. Earthscan, “Planning & Installing Photovoltaic System – A Guide for Installers, Architects and Engineers”, Second Edition, Earthscan, UK, 2008.
[10] Afriyastuti Herawati, “Respon Kecepatan Rotor Generator Induksi DFIG dan Sudut Rotor Generator Sinkron terhadap Gangguan Transien di Sistem Pembangkit Tersebar”, Jurnal Amplifier Fakultas Teknik Universitas Bengkulu vol. 2 no. 2, 2012. [11] Ioannis-Thomas K.Theologitis, “Comparison of Existing PV Models and Possible Integration Under EU Grid Spesifications”, Master of Science Thesis, KTH School of Electrical Engineering, Stockholm, 2011.
