Optimasi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Maximum Power Point Tracker (MPPT) dengan Metode Gradient Approximation Dzulfiqar Rais Mushthafa, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng, Vita Lystianingrum, ST, M.Sc Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Abstrak—Dalam Tugas Akhir ini dilakukan studi tentang turbin angin sistem mandiri (stand-alone) serta dibahas mengenai pemodelan terhadap pelacakan titik daya maksimum dengan menggunakan MPPT (Maximum Power Point Tracker) dengan metode gradient approximation. Metode tersebut bekerja dengan mengukur tegangan dan arus pada beban, kemudian merubah besar duty cycle pada konverter DC-DC untuk mendapatkan daya maksimal. Untuk mendapatkan tegangan output AC dipergunakan single phase full bridge inverter. Dari hasil simulasi menunjukkan perbandingan daya rata-rata tanpa MPPT dengan daya maksimum = 79.408% dan perbandingan daya rata-rata menggunakan MPPT dengan daya maksimum = 94.5%. Dapat disimpulkan bahwa turbin angin yang menggunakan MPPT memiliki daya rata-rata yang lebih besar daripada tidak menggunakan MPPT. Kata kunci: Turbin Angin, MPPT, Stand-alone.
I.
mengukur kcepatan angin, kemudian kita mendapatkan kecepatan rotor yang optimal sehingga bisa didapatkan daya yang optimal. Pada tugas akhir ini digunakan metode gradient approximation yaitu mengukur tegangan dan arus pada beban, kemudian merubah duty cycle pada converter dengan membandingkan daya output sekarang dengan daya output sebelumnya. Dengan metode tersebut beban optimal mampu dicapai.
II.
KARAKTERISTIK TURBIN ANGIN
Karakteristik dari turbin angin dapat dilihat dari kurva hubungan antara kecepatan rotor dengan daya yang dihasilkan (𝜔𝑟 -P) dan kurva hubungan kecepatan angin dengan daya.
PENDAHULUAN
P
embangkit Listrik Tenaga Angin sebagai salah satu penghasil energi listrik mengalami perkembangan yang cukup pesat. Hal ini disebabkan karena kelebihankelebihan yang dimiliki oleh pembangkit tersebut, seperti ramah lingkungan, bebas polusi dan merupakan penghasil energi listrik yang dapat diperbaharui. Seiring dengan perkembangan semikonduktor dan elektronika daya maka Pembangkit Listrik Tenaga Angin juga semakin banyak digunakan dalam sistem tenaga. Pada tahun 2006, di Eropa, negara yang mempunyai kapasitas total generator tenaga angin terbesar adalah Jerman dengan 20621 MW. Spanyol dan Amerika Serikat di urutan kedua dan ketiga dengan lebih dari 11603 MW. Berdasarkan data GWEC (Global Wind Energy Council), pertumbuhan pembangunan generator tenaga angin sebesar 32 % dari tahun 2005 [1]. Pembangkit listrik tenaga angin sangat sesuai untuk negara kepulauan seperti di Indonesia. Pembangkit listrik tenaga angin mampu dibangun di daerah-daerah yang tidak terjangkau listrik karena jauh dari pusat pembangkit, sehingga rasio elektrifikasi mampu meningkat. Namun perlu diketahui bahwa efisiensi dari pembangkit listrik tenaga angin sesuai dengan the Betz Law tidak lebih dari 59 %, oleh karena itu perlu dilakukan optimasi. Sehingga efisiensi dari pembangkit listrik tenaga angin mampu mendekati 59 %. Banyak metode untuk mengoptimalkan daya output dari turbin angin. Bisa dengan mengukur kecepatan putar rotor generator, kemudian output yang optimal dihitung lalu dibandingkan dengan output nyatanya. Bisa juga dengan
Gambar. 1. Kurva hubungan kecepatan rotor dengan daya pada kecepatan angin yang bervariasi
Dari Gambar. 1 juga dapat dilihat bahwa daya maksimal yang dihasilkan setiap kecepatan angin berbeda. Daya yang ditangkap oleh turbin angin 𝑃𝑚 adalah fungsi dari bentuk dari baling-baling, pitch angle, diameter balingbaling dan kecepatan rotasi rotor. 1 𝑃𝑚 = 𝜌 𝐶𝑝(𝜆, 𝛽) 𝜋𝑅2 𝑉 3 2 Dimana 𝜌 𝜆 𝛽 𝐶𝑝 1
= kerapatan udara (biasanya 1.22 kg/m3) = tip-speed ratio = pitch angle (dalam derajat) = koefisien daya dari wind turbine
(1)
𝑅 𝑉
= diameter baling-baling (dalam meter) = kecepatan angin (dalam m/s)
𝐿𝑚𝑖𝑛 =
Persamaan dari 𝜆 didefinisikan sebagai ω𝑅 (2) 𝑉 Dimana ω adalah kecepatan rotor dari turbin angin dengan satuan (rad/s), dan 𝐶𝑝 didapat dari persamaan 𝑐5 𝑐2 − 𝑐3𝛽 − 𝑐4 𝑒 − 𝜆𝑖 + 𝑐6 𝜆 𝜆𝑖
1 1 0.035 = − 3 𝜆𝑖 𝜆 + 0.08𝛽 𝛽 + 1
(6)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan :
𝜆=
𝐶𝑝 𝜆, 𝛽 = 𝑐1
(1 − 𝐷)2 ∙𝑅 2𝑓
𝐶=
(3)
𝑉𝑜 ∙ 𝐷 ∆𝑉𝑜 ∙ 𝑅 ∙ 𝑓
(7)
Inisialisasi variabel program
(4)
Ukur V(k) dan I(k) Nilai dari 𝑐1 hingga 𝑐6 tergantung dari karakteristik turbin angin. Hitung daya P(k) III. MAXIMUM POWER POINT TRACKER Untuk memodelkan suatu pembangkit listrik tenaga angin, akan dengan digabungkan semua komponen meliputi turbin angin, permanent-magnet synchronous generator, rectifier, konverter DC-DC, Inverter, dan beban serta ditambah dengan pemasangan baterai dengan tipe lead acid. Pada rangkaian komponen tersebut akan ditambahkan MPPT yang dihubingkan dengan konverter DC-DC. Maximum Power Point Tracker (MPPT) digunakan untuk mendapatkan nilai daya yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu turbin angin. Flowchart MPPT ditunjukkan oleh gambar 3. Konverter DC-DC yang digunakan adalah Buck-Boost Converter. Buck-Boost Converter digunakan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan DC. Adapun gambar rangkaian dari buck boost konverter diperlihatkan pada gambar 2.
P(k) > P(k-1)
Balik tanda ∆D
D(k+1) = D(k) + ∆D
Gambar. 3. Flowchart MPPT
IV. SIMULASI DAN ANALISIS Pertama kali akan dicari daya yang mampu dihasilkan oleh turbin angin dengan mengalikan torsi dan kecepatan rotor pada generator. Daya maksimal turbin angin ditunjukkan oleh tabel1. TABEL I DAYA MAKSIMAL TURBIN ANGIN
Kecepatan Angin (m/s) 3 4 5 6 7 8 9 10
Gambar. 2. Gambar Rangkaian Buck-Boost
Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output : 𝑉𝑜 =
𝐷 ∙ 𝑉𝑖𝑛 1−𝐷
(5)
Parameter komponen induktor yang digunakan diperoleh melalui persamaan :
2
Daya Maksimum (W) 128.8 305.3 597.5 1031 1639 2446 3484 4780
Kec Rotor (rad/s) 140 196 238 280 336 378 434 476
Daya turbin angin (Watt)
6000
3 m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s 10 m/s
5000 4000 3000 2000 1000 0 0
10
20
30
Analisis yang dilakukan adalah membandingkan daya output yang dihasilkan saat menggunakan MPPT dan tanpa menggunakan MPPT. Perbandingan tersebut dilakukan dengan kecepatan angin serta beban yang bervariasi. Gambar dari rangkaian MPPT ditunjukkan pada gambar 6.
40
Kec rotor (rad/s) Gambar. 4. Daya maksimal turbin angin setiap kecepatan angin dibanding kecepatan rotor.
Untuk paremeter komponen konverter DC-DC adalah L = 0.0005 dan C = 0.0125. Pengujian efisiensi dari konverter ditunjukkan oleh gambar 5. Dapat dilihat bahwa efisiensi konverter rata-rata diatas 92%.
Gambar. 7. Turbin Angin Dihubungkan dengan Beban Bervariasi tanpa MPPT
100
Efisiensi (%)
80 Vin 100 V
60
Vin 200 V 40
Vin 300 V
Gambar. 8. Turbin Angin Dihubungkan dengan Beban Bervariasi dengan MPPT
20 0 0
5000
10000
P out (Watt)
15000
Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan turbin angin dengan hambatan yang nilainya berubah dari 10 ohm sampai 300 ohm. Pengujian dan analisis dilakukan pada lima kecepatan angin, yaitu 3m/s, 5m/s, 7m/s, 9m/s, dan 10m/s.
Gambar. 5. Efisiensi Buck-Boost Converter
Daya (watt)
2000 1500 1000 tanpa MPPT dengan MPPT
500 0 0
100
200 R (ohm)
300
400
Gambar. 9. Daya output dengan nilai hambatan 10-300 ohm saat kecepatan angin 7 m/s
Daya (watt)
4000 3000 2000 tanpa MPPT dengan MPPT
1000 0 0
Gambar. 6. Rangkaian MPPT pada Simulink
200 300 400 R (ohm) Gambar. 10. Daya output dengan nilai hambatan 10-300 ohm saat kecepatan angin 9 m/s
3
100
Setelah kita mendapatkan daya output dengan beban yang bervariasi dari 10 ohm hingga 300 ohm pada kecepatan angin yang bermacam-macam, maka kita bisa mendapatkan daya output rata-rata yang dihasilkan saat menggunakan MPPT dan tanpa menggunakan MPPT.
5000 Daya (watt)
4000 3000 2000 tanpa MPPT dengan MPPT
1000 0 0
100
200 300 400 R (ohm) Gambar. 11. Daya output dengan nilai hambatan 10-300 ohm saat kecepatan angin 10 m/s
TABEL V DAYA OUTPUT RATA-RATA YANG DIHASILKAN MENGGUNAKAN MPPT DAN TANPA MPPT, DIBANDINGKAN DAYA MAKSIMAL
TABEL II DAYA BEBAN TANPA MPPT DAN MENGGUNAKAN MPPT UNTUK KECEPATAN ANGIN 7 M/S
Daya R 10 50 100 150 155 200 300
Tanpa MPPT 2.668 12.14 23.58 35.5 1401 1137 882
Dengan MPPT 9.674 1359 1375 1398 1394 1373 1331
Duty Cycle
Vdc Output Konverter (V)
0.33 0.45 0.53 0.57 0.57 0.6 0.65
9.823 269.2 377 456.6 464.7 523.9 631.7
Kec angin
Daya Max
Tanpa MPPT (W)
Dengan MPPT (W)
Tanpa MPPT (%)
Dengan MPPT (%)
3
85.59
68.549
79.633
80.09%
93.04%
5
566.5
466.796
538.76
82.4%
95.1%
7
1401
1140
1366
81.37%
97.5%
9
3266
2512
3025.38
76.9%
92.63%
10
4380
3341.8
4131.6
76.28%
94.32%
Nilai prosentase dari kolom ke-5 dan ke-6 tabel diatas didapatkan dengan membandingkan nilai daya output tanpa MPPT dan dengan MPPT dibanding daya maksimal pada tiap kecepatan saat pembebanan optimum. Berikut ditampilkan kondisi dari daya output dari turbin angin saat menggunakan MPPT dan tanpa MPPT dengan kecepatan angin yang berubah-ubah serta beban yang berubah ubah dalam suatu kondisi waktu tertentu.
TABEL III DAYA BEBAN TANPA MPPT DAN MENGGUNAKAN MPPT UNTUK KECEPATAN ANGIN 9 M/S
Daya R 10 30 40 50 100 200 300
Tanpa MPPT 6.907 20.22 2762 3266 2927 2049 1557
Dengan MPPT 3120.2 3138 3122.7 3117.2 3056 2959 2872
Duty Cycle
Vdc Output Konverter (V)
0.3 0.42 0.46 0.48 0.57 0.64 0.69
176.6 306.3 353.42 395.3 552.4 769.1 928.1
dengan MPPT
tanpa MPPT
Gambar. 12. Daya output dengan dan tanpa menggunakan MPPT dengan nilai hambatan bervariasi dan kecepatan angin 7 m/s
TABEL IV DAYA BEBAN TANPA MPPT DAN MENGGUNAKAN MPPT UNTUK KECEPATAN ANGIN 10 M/S
Daya R 10 20 35 40 100 200 300
Tanpa MPPT 10.49 20.66 3956 4380 3798 2607 1968
Dengan MPPT 4242 4307 4301 4112 4198 4079 3968
Duty Cycle
Vdc Output Konverter (V)
0.32 0.39 0.46 0.5 0.59 0.66 0.7
205.6 293.6 387.9 405.4 647.7 903 1091
dengan MPPT tanpa MPPT
Gambar. 13. Daya output dengan dan tanpa menggunakan MPPT dengan nilai hambatan 100 ohm dan kecepatan angin 7m/s - 10m/s
4
Gambar. 14. Rangkaian Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Simulink
Pengujian kali ini digunakan kecepatan angin yang berubah-ubah seperti pada gambar 15. Beban yang digunakan juga berubah-ubah, sehingga kita mampu mengetahui kemampuan dari rangkaian MPPT untuk mengikuti perubahan kecepatan angin dan beban.
dengan tidak menggunakan MPPT, kemudian hasil dari inverter haruslah tegangan yang konstan dengan Vrms = 220V seiring perubahan beban. Pada pengujian ini digunakan kecepatan angin dan beban yang berubah-ubah seiring berubahnya waktu.
Gambar. 15. Kecepatan angin dengan satuan m/s Gambar. 17. Kecepatan Angin yang Digunakan
dengan MPPT tanpa MPPT
Gambar. 16. Daya output turbin angin dengan beban dan kecepatan angin berubah-ubah
Pengujian diatas adalah pengujian daya output turbin angin dengan beban DC tanpa terhubung ke inverter. Pada pengujian kali ini dilakukan dengan menggabungkan semua komponen dari pembangkit listrik tenaga angin, yakni dari turbin angin, generator, rectifier, konverter DC-DC, Inverter, dan beban serta ditambah dengan pemasangan baterai. Dalam pengujian ini dianalisa apa manfaat dari pemasangan MPPT dibanding
Gambar. 18. Tegangan pada Beban
Tegangan dan arus output pada inverter berbentuk sinusoidal seperti ditunjukkan pada gambar 18 dan gambar 19. Sedangkan pada gambar 20 dan gambar 21 menunjukkan perbandingan pengisian baterai saat menggunakan MPPT dan tanpa menggunakan MPPT. 5
perbandingan daya rata-rata tanpa MPPT = 79.408 % dan perbandingan daya rata-rata menggunakan MPPT = 94.5 %.
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2] [3] Gambar. 19. Arus pada Beban
[4]
[5] [6] [7] [8]
Gambar. 20. SOC dari baterai saat tidak menggunakan MPPT
[9]
Z.Chen, F.Blaabjerg. ―Wind farm-A power source in future power systems―. Elsevier Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1288–1300. 2009 Rashid M.H, ―Power Electronics Handbook‖, Academic Press, 2001. Ying-Yi Hong, Shiue-Der Lu, Ching-Sheng Chiou. ―MPPT for PM wind generator using gradient approximation―. Elsevier Conversion and Management 50 (2009) 82-89. 2009 Koutroulis, Eftichious. Kalaitzakis, Kostas. 2006. ―Design of a Maximum Power Point Tracking System for Wind-EnergyConversier Applications―. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.53 (2006) 0278–0046. Masters, Gilbert M.. ―Renewable &Efficient Electric *ower System‖. Wiley Interscience.London.2004 Mochamad Ashari. ―Diktat Kuliah Elektronika Daya‖, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS. 2006 Mahmudsyah, Syarifuddin, ― Modul Kuliah Audit Energi‖, Surabaya. 2008 Kurniawan, Aries Pratama.’Optimalisasi Sel Surya menggunakan Maximum Power Point Tracker (MPPT) Sebagai Catu Daya Base Tranceiver Station (BTS).Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, ITS. 2010 Zhang ,Jianzhong. Cheng, Ming. Chen, Zhe. Fu, Xiaofan. ‖Pitch Angle Control for Variable Speed Wind Turbines‖, Nanjing. 2009
RIWAYAT HIDUP
Gambar. 21. SOC dari baterai saat menggunakan MPPT
V.
KESIMPULAN
Metode Gradient approximation yang digunakan untuk optimasi turbin angin yang digunakan pada tugas akhir ini mempunyai beberapa keuntungan yaitu: 1) tidak diperlukan untuk mengetahui karakteristik daya output dari turbin angin (karakteristik turbin angin), 2) tidak diperlukannya sensor kecepatan angin dan kecepatan rotor dari generator sehingga biaya yang diperlukan lebih murah dan 3) MPPT dengan metode ini mampu bekerja mengikuti perubahan beban dan kecepatan angin. Dari hasil simulasi, diketahui bahwa turbin angin dapat digunakan sebagai catu daya yang berdiri sendiri dengan dilengkapi baterai sebagai backup turbin angin. Didapatkan kenaikan rata-rata daya turbin angin jika menggunakan MPPT dibanding dengan tidak menggunakan MPPT pada beban yang besar adalah 179% dan dilihat dari perbandingan daya,
Dzulfiqar Rais Mushthafa, lahir di Surabaya pada tanggal 7 Februari 1991. Merupakan anak pertama dari dua bersaudara. Memulai pendidikannya di TK Cahaya Muda Surabaya, kemudian melanjutkan ke tingkat dasar di SDN Lidah Kulon II Surabaya. Setelah lulus tingkat dasar, melanjutkan ke tingkat menengah pertama di SMPN 1 Surabaya dengan masuk ke kelas akselerasi. Dua tahun kemudian melanjutkan ke SMAN 9 Surabaya. Setelah lulus dari bangku sekolah, kemudian melanjutkan ke bangku perguruan tinggi di Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya pada tahun 2007 dan kemudian mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah, penulis juga aktif dalam organisasi kemahasiswaan Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Industri ITS (BEM FTI ITS) selama dua tahun (2008-2010) dan juga sebagai Asisten Laboratorium Instrumentasi, Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga (2010-2011).
6
