0776: Riza dkk.
EN-64
RANCANG BANGUN SMART GRID-CONNECTED BI-DIRECTIONAL INVERTER BERKAPASITAS 10 KW 3-FASA UNTUK ENERGI TERBARUKAN DENGAN PENGENDALI BERBASIS GENERAL PURPOSE CONTROLLER Riza∗ , Eka Rakhman Priandana, Hani Yuniarto Eko Cahyono, dan Ferdy Armansyah Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Jl. MH. Thamrin 8, Jakarta Pusat 10340 Telepon (021) 3169754 ∗
e-Mail:
[email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Makalah ini menjelaskan mengenai desain dan rancang bangun Smart Grid-connected Bidirectional Inverter (SGBI). SGBI merupakan pengintegrasian dari DC/AC-AC/DC converter (bidirectional inverter), DC/DC converter (charge controller), hybrid energy management system, Remote Terminal Unit untuk kendali genset-power factor correction-circuit breaker, smart grid system, dan weather station data logging dengan antarmuka LCD touchscreen. SGBI ini dikontrol oleh sebuah pengendali berbasis General Purpose Controller (GPC KP-2010-0951) sebagai bagian dari difusi teknologi kegiatan program insentif sebelumnya. Selain GPC controller terdapat beberapa PCB modul data accuisition dan fungsi kontrol tambahan. Fungsi dasar dari modul-modul penyusun SGBI telah dilakukan pengujian dan berfungsi dengan baik. Komunikasi data antar modul juga telah diverifikasi. Diharapkan SGBI ini dapat diaplikasikan pada area terpencil yang jauh dari feeder PLN. Tujuan desain ini adalah untuk memenuhi pencapaian target pembangunan nasional 2014 sesuai program SINAS: Pengembangan Teknologi Sistem dan Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Surya dengan indikator keberhasilan tersedianya inverter lokal dan tersedianya sistem pembangkit tenaga matahari berkapasitas 100kW atau lebih. Kata Kunci: desain, SGBI, GPC, micro grid
I.
PENDAHULUAN
Smart Grid-Connected Bi-Directional Inverter (SGBI) adalah perangkat multi sistem yang terintegrasi antara Grid-Connected Bi-Directional Inverter 3-fasa, Battery Charge Regulator (BCR), Multiple Genset Remote System, Power Factor Correction And Load Sensing Network System, Weather Station Data Logging System, serta Real-Time Monitoring System dengan koneksi internet. Disebut ”Smart” karena SGBI menggunakan sebagian dari algoritma Smart Grid, yakni algoritma untuk menilai kondisi beban pada jaringan kemudian menyesuaikan kebutuhannya dengan suplai energi hybrid (renewable dan fosil) secara real-time hingga tercapai kondisi yang optimal. Untuk merealisasikannya, SGBI membutuhkan dua komponen utama yakni General Purpose Controller (GPC) dan industrial PC. GPC merupakan salah satu hasil perekayasaan BPPT (KP-2010-0951), yakni berupa modul sistem kendali mutakhir berbasis FPGA (Field Programmable Gate Array) yang diimplementasikan
sebagai pengendali utama SGBI. Sedangkan industrial PC merupakan komputer standar industri dengan layar sentuh yang digunakan sebagai perangkat antarmuka manusia-mesin dan sistem pentransmisi data. Hasil keluaran yang diharapkan dari SGBI ini adalah mampu menyuplai daya listrik ke jala-jala hingga 10 kW dengan tegangan stabil di 220 Vrms, frekuensi stabil di 50±0.5 Hz, efisiensi inverter >95%, dan Total Harmonic Distortion <5% pada mode Stand Alone maupun Grid Connected. Selain itu, inverter juga dapat berfungsi sebagai pengisi baterai dengan mengimpor daya dari jala-jala. Kemudian BCRnya mampu mengirim energi listrik secara optimal ke baterai 280V/1000Ah dari enam kanal sumber energi terbarukan dengan menggunakan algoritma Maximum Power Point Tracking (MPPT). Sistem ”Smart” SGBI didesain untuk mampu mengendalikan maksimal delapan buah genset untuk bersinkronisasi dengan inverter, mampu mengkoreksi power factor beban hingga 0.99 lag dan mendeteksi kondisi beban dari delapan Prosiding InSINas 2012
0776: Riza dkk. jaringan berbeda melalui koneksi protokol MODBUS RS485 full-duplex. Sistem data logging Weather Station mampu menyediakan informasi lingkungan dan cuaca yang diakuisisi bersamaan dengan parameter SGBI untuk selanjutnya dikirim ke sistem monitoring real-time melalui koneksi internet TCP/IP. Rancang bangun SGBI ini diharapkan mampu memenuhi pencapaian target pembangunan nasional 2014 sesuai program SINAS: Pengembangan Teknologi Sistem dan Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Surya dengan indikator keberhasilan tersedianya inverter lokal dan tersedianya sistem pembangkit tenaga matahari berkapasitas 100kW atau lebih. Permasalahan yang ditemui sebagai ide untuk mendesain SGBI ini adalah:
EN-65 5. Battery bank. 6. Sistem proteksi: circuit breaker, anti-islanding, emergency, dan alarm. 7. Data acquisition[5] dan multi interface board. 8. Pengendali General Purpose Controller. 9. Industrial PC dengan LCD touchscreen untuk Human Machine Interface (HMI).
1. SGBI belum pernah dibuat untuk dikomersilkan sebelumnya. Jika ada, hanya berupa sistem skala mikro yang didesain untuk kebutuhan bahan studi. Untuk skala industri, desain lokal belum pernah ada. 2. Jika ada produk sejenis yang telah diinstal, kesulitan yang ditemui adalah after sales service yang harus mendatangkan teknisi dari vendor. Supplier kadang harus mengganti satu modul padahal terkadang hanya disebabkan oleh kerusakan komponen tertentu. 3. Produk sejenis belum ada yang mengintegrasikan sistem smart grid.
II.
METODOLOGI
Dalam rancang bangun SGBI ini kami melakukan hal-hal sebagai berikut: 1. Studi literatur
G AMBAR 1: Konsep hardware SGBI
2. Desain konseptual 3. Desain rinci 4. Prototyping dan assembling. 5. Verifikasi dan validasi
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Konsep desain perangkat keras SGBI adalah seperti yang digambarkan pada G AMBAR 1. Bagian-bagian dari hardware SGBI adalah sebagai berikut: 1. Inverter bidirectional 3-fasa.[1]
SGBI dirancang supaya dapat diimplementasi pada micro grid. Dimana konsep micro grid[7] yang dirancang seperti yang ditunjukkan pada G AMBAR 2. Dalam micro grid, selain SGBI terdapat pula: Genset, Power factor correction, Circuit breaker. Ketiganya dikendalikan penuh oleh SGBI melalui Remote Terminal Unit (RTU)[8] yang dihubungkan melalui jaringan komunikasi RS-485.[9] Protokol yang digunakan adalah MODBUS[10] yang cocok untuk peralatan industri. Desain rinci yang telah dilakukan antara lain: 1. Desain hardware,
2. Battery charge regulator,[2] berfitur algoritma Maximum Power Point Tracking.[3]
(b) Desain komponen listrik,
3. Sistem grid-connected.[4]
(c) Desain mekanikal, serta
4. Trafo isolasi.
(d) Layout dan wiring.
(a) Desain rangkaian elektronika,
Prosiding InSINas 2012
0776: Riza dkk.
EN-66
Sinyal kendali GPC diteruskan ke bagian PCB Relay, Inverter Driver dan Chopper Driver. Sedangkan sinyal komunikasi diteruskan ke HMI dan RTU. Lebih jelasnya, diagram hubungan antar PCB ditunjukkan oleh G AMBAR 3.
G AMBAR 3: Koneksi PCB G AMBAR 2: Konsep Micro Grid
2. Desain firmware, dan 3. Desain software. Desain rangkaian elektronika terbagi menjadi: 1. Desain PCB Transformer. Berfungsi sebagai transducer tegangan AC, frekuensi dan fasa dari jalajala. 2. Desain PCB Multi Interface Circuit 1 (MIC1) sebagai pengakuisisi data dari PCB Transformer dan transducer tegangan DC. 3. Desain PCB MIC2 sebagai transducer dan pengakuisisi data arus DC.
G AMBAR 4: SLD Wiring SGBI
4. Desain PCB MIC3 sebagai transducer dan pengakuisisi data suhu komponen, modul dan cubicle. 5. Desain PCB MIC4 sebagai pengakuisisi data dari transducer arus AC dan power factor. 6. Desain PCB Relay sebagai driver contactor, local circuit breaker, dan cooler fan. 7. Desain PCB Motherboard sebagai tempat GPC dipasang untuk mengolah data dari seluruh PCB MIC.
Sebagai informasi, bagian yang berwarna merah didesain sendiri dan diproses di dalam negeri, sedangkan yang lain menggunakan barang impor, termasuk GPC. GPC hasil penelitian KP-2010-0951[11] tidak dapat digunakan karena resource-nya terbatas, sehingga harus diganti dengan kapasitas yang sesuai untuk desain SGBI. Selain PCB yang digunakan SGBI, kami juga mendesain PCB untuk RTU genset, power factor correction,[12] Prosiding InSINas 2012
0776: Riza dkk.
EN-67 4. Logic Analyzer 100 MHz. 5. Power Quality Analyzer. 6. LCR meter. 7. Infrared thermometer scanner.
G AMBAR 5: Wiring Sistem Proteksi SGBI
dan circuit breaker. Desain komponen listrik yang dihasilkan antara lain:
GPC yang digunakan untuk pengendali SGBI adalah Opal Kelly XEM6010[13] sebagai pengganti GPC hasil penelitian KP-2010-0951 seperti yang ditunjukkan pada G AMBAR 6. Sedangkan konfigurasi hardware GPC Opal Kelly XEM6010 ditunjukkan oleh G AMBAR 7.
1. Desain trafo isolasi 10kW 3-fasa 4 kawat. 2. Common mode choke 3-fasa. 3. Filter L-C. Untuk mengetahui berapa nilai komponen listrik yang dibutuhkan, kami melakukan pendekatan melalui simulasi PSPICE, MATLAB dan SIMULINK. Untuk desain mekanikal, kami menggunakan AUTOCAD dalam menghitung dimensi cubicle yang dibutuhkan. Untuk layout, wiring dan sistem proteksi SGBI, dijelaskan pada G AMBAR 4 dan G AMBAR 5. Komponen proteksi yang digunakan antara lain: 1. Fuse
G AMBAR 6: GPC Opal Kelly XEM6010
2. No fuse breaker. 3. Contactor 3-fasa. 4. Movistor. Komponen sensor yang digunakan SGBI antara lain: 1. Trafo stepdown frekuensi/fasa.
untuk
tegangan
AC
dan
2. Rangkaian pembagi tegangan dengan impedansi tinggi untuk tegangan DC. 3. Shunt untuk arus DC. 4. Transducer untuk arus AC dan power factor. 5. IC LM335Z untuk sesnsor suhu. Untuk mengakuisisi sinyal analog, kami menggunakan ADC MAX1202 8-channel, 12-bit SAR 133 kSpS, SPI interface yang kompatibel dengan GPC. Selama mendesain kami menggunakan alat-alat ukur sebagai berikut: 1. AVO meter.
G AMBAR 7: Konfigurasi Hardware XEM6010
Desain firmware terdiri dari empat bagian, yakni: 1. Konfigurasi RTL GPC. 2. Firmware mikrokontroler RTU remote genset.
2. Function Generator.
3. Firmware mikrokontroler RTU Power Factor Correction.
3. Oscilloscope 500 MSPS.
4. Firmware mikrokontroler RTU Circuit Breaker. Prosiding InSINas 2012
0776: Riza dkk.
EN-68
Firmware mikrokontroller RTU remote genset didesain seperti yang dijelaskan G AMBAR 9 dan mikrokontroller RTU power factor correction didesain seperti yang dijelaskan G AMBAR 10.
G AMBAR 8: Konfigurasi RTL GPC SGBI G AMBAR 10: Firmware RTU Remote Genset
Sedangkan firmware mikrokontroller RTU circuit breaker didesain seperti yang dijelaskan G AMBAR 11.
G AMBAR 9: Firmware RTU Remote Genset
Konfigurasi RTL GPC (G AMBAR 8) yang diprogramkan yakni berupa skematik dan program VHDL FPGA terdiri dari: [14]
1. Microblaze core processor.
2. Grid frequency reader and ADPLL.[15] 3. Memory controller. 4. Data acquisistion. 5. Bidirectional inverter and 3-phase PWM generator. 6. Safety and fault tolerant system.[16]
G AMBAR 11: Firmware RTU Circuit Breaker
Desain software HMI SGBI berupa tampilan seperti SCADA[17] yang dapat diakses langsung dilokasi atau secara remote melalui koneksi internet. HMI SGBI diinstal di fanless industrial PC dengan sistem operasi Windows. Adapun konsep menu HMI dijelaskan pada G AMBAR 12. Hasil-hasil desain rinci yang telah dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Hardware PCB (a) PCB motherboard.
7. Charge Regulator, MPPT, and chopper PWM generator.
(b) PCB AC voltage transducer.
8. Digital output (indicators, alarms, relays and contactors).
(d) PCB DC current data acquisition.
9. Digital input (emergency button, relay feedback, and switches).
(c) PCB voltage data acquisition. (e) PCB temperature data acquisition. (f) PCB AC current and power factor data acquisition.
10. USB2.0 Interface to HMI.
(g) PCB RTU remote genset.
11. MODBUS Interface to RTU.
(h) PCB RS-485 repeater. Prosiding InSINas 2012
0776: Riza dkk.
EN-69
G AMBAR 13: RTL GPC
G AMBAR 12: Software Menu HMI SGBI
2. Firmware RTL GPC (G AMBAR 13). 3. Software. 4. Elektrikal (trafo) (G AMBAR 14) 5. Mekanikal (G AMBAR 15∼G AMBAR 16). Semua modul-modul penyusun SGBI, PCB-PCB yang telah dijelaskan diatas serta komponen-komponen lainnya dirakit dalam 3 kubikel. Kubikel pertama untuk penempatan rectifier, Chopper dan kontaktor-kontaktor input. Kubikel dua untuk penempatan inverter, modulmodul kontroller dan data acquisition dan kontaktor output. Sedangkan kubikel 3 untuk penempatan trafo step up dan LC Filter. Setelah di-assembly, maka hasilnya adalah seperti yang ditunjukkan G AMBAR 15 dan G AMBAR 16.
G AMBAR 14: Desain mekanikal dan penempatan trafo
IV.
KESIMPULAN
Telah dilakukan kegiatan pengembangan Rancang Bangun Smart Grid-Connected Bi-Directional Inverter Berkapasitas 10 kW 3-fasa 220/380 V, 50 Hz. Perangkat pengendali menggunakan General Purpose Controller Opal Kelly XEM6010 berbasis Xilinx Spartan6 LX45. Prosiding InSINas 2012
0776: Riza dkk.
EN-70
pada sistem jaringan micro grid. Masih terdapat kekurangan pada komponen induktif yaitu filter dan trafo. Komponen yang digunakan saat ini masih cepat panas dan losses tegangan yang relatif tinggi.
DAFTAR PUSTAKA
G AMBAR 15: SGBI Tampak Depan
[1] E. Koutroulis, J. Chatzakis, K. Kalaitzakis, N.C. Voulgaris, Bidirectional, Sinusoidal, HighFrequency Inverter DesignE University Of Crete, Greece, 2001. [2] N. Mohan, W. P. Robbin, and T. Undeland, Power Electronics: Converters, Applications, and DesignE 2nd ed. New York: Wiley, 1995. [3] David Sanz Morales, Maximum Power Point Tracking For Photovoltaic ApplicationsE Aalto University, 2010. [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Grid connection [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Data acquisition [6] http://en.wikipedia.org/wiki/Weather station [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Distributed generation#Microgrid [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Remote Terminal Unit [9] http://en.wikipedia.org/wiki/RS-485 [10] http://en.wikipedia.org/wiki/Modbus [11] Sarjono, General Purpose ControllerE Program Insentif KP-2010-0951, BPPT, 2010. [12] http://en.wikipedia.org/wiki/ Power factor#Active PFC [13] Opal Kelly Inc., SEM-6010 User’s ManualE 2010. [14] Xilinx, MicroBlaze Processor Reference Guide Embedded Development Kit 13.4E 2012. [15] Texas Instrument, 4HC297 Digital Phase-Locked Loop FiltersE March 1988. [16] Barry W. Johnson, The Design and Analysis of Fault Tolerant Digital SystemsE Addison Wesley, ISBN-13: 978-0201075700 [17] http://en.wikipedia.org/wiki/ SCADA
G AMBAR 16: Bagian dalam SGBI
Fitur dasar dari sistem kontroller SGBI telah dilakukan pengujian, demikian juga untuk rangkaian utama Inverter dengan IGBT sebagai komponen utamanya. Modul-modul penyusun SGBI telah dilakukan pengetesan. Komunikasi data antar PCB board dan modulmodul lain juga telah dites dengan hasil baik.
SARAN Pada pengembangan selanjutnya diharapkan sistem SGBI dapat diuji/diverifikasi dan diimplementasikan Prosiding InSINas 2012
