JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Sistem Pembangkit Listrik Hibrida PV-Diesel Microgrid Untuk Daerah Terisolasi Tanpa Menggunakan Media Penyimpan Energi Firmansyah Putra Pratama, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Photovoltaic (PV) adalah komponen semikonduktor yang merubah energi cahaya menjadi energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan sel surya diperoleh dari kemampuan sel surya untuk memproduksi tegangan dan arus yang melalui beban pada waktu yang sama. Pada artikel ini membahas tentang skema kontrol yang digunakan untuk mengatur sistem tiga fasa hybrid photovoltaic (PV)-diesel microgrid pada daerah terisolasi tanpa menggunakan penyimpan energi (energy storage). Skema kontrol tersebut bertujuan untuk menjaga daya yang dihasilkan Photovoltaic yang dihubungkan dengan diesel tetap stabil. Tujuan tersebut dapat dicapai dengan mengkontrol inverter Pulse With Modulation (PWM) yang menghubungkan antara PV dengan sistem. Dengan skema kontrol tersebut diharapkan mampu menghasilkan daya yang baik dengan dimodelkan berdasarkan beragam kondisi. Kata Kunci— Hybrid, Photovoltaic (PV), Diesel, Inverter,
I. PENDAHULUAN menjadi masalah serius mengingat munculnya Energi krisis energi karena cadangan energi fosil yang tersedia semakin menipis. Disamping itu energi fosil merupakan penyumbang terbesar karbon dioksida (CO2 ) dan karbon monoksida (CO) yang merupakan gas yang penyebab efek gas rumah kaca. Masalah tersebut menjadikan manusia saling berlomba untuk mencari sumber energi alternatif. Perkembangan teknologi tentang sumber energi alternatif seiring dengan berkembangnya perhatian masyarakat akan isu-isu lingkungan, maka energi terbarukan (renewable) telah banyak digunakan. Beberapa teknologi telah diterapkan dengan berbagai sumber energi terbarukan. Diantaranya adalah turbin angin, tenaga air berskala kecil (mikrohidro), biomassa, photovoltaic (PV), dan fuel cell [2]. Teknologi yang lebih mudah digunakan adalah photovoltaic. Photovoltaic atau yang lebih dikenal dengan sel surya (solar cell) merupakan teknologi yang ramah lingkungan, tidak menghasilkan noise (kebisingan) dan effisiensi yang tinggi. Photovoltaic ini merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Penggunaan sel surya sebagai salah satu pembangkit tenaga listrik dewasa ini semakin sering kita jumpai, diantaranya sebagai pengisi baterai sepeda listrik, pemanas air, dan juga sebagai pembangkit tenaga listrik yang akan dihubungkan langsung ke jala-jala PLN. Dengan melihat kondisi yang ada di Indonesia, masih banyak masyarakat yang belum bisa menikmati listrik karena keterbatasan jangkauan jaringan listrik dari PLN
Dalam artikel ini dibahas mengenai sistem Hybrid PVDiesel tanpa baterai untuk mendapatkan daya yang maksimum pada sistem pembangkit listrik pada daerah terpencil. Pembahasan akan dilakukan dengan menunjukkan desain sistem untuk PV yang dihubungkan ke dalam sistem generator diesel sehingga dapat meminimalkan penggunaan bahan bakar solar. II. METODE Gambar 1 menunjukkan PV dan generator sebagai sumber energi. PV yang mendapat input berupa intensitas dari matahari dan suhu sehingga PV menghasilkan output berupa tegangan dan arus. Tegangan DC yang dihasilkan PV dinaikkan dengan bantuan boost converter yang semula kecil menjadi besar sesuai dengan yang diinginkan. Beban yang yang disupply merupakan beban 3 fasa sehingga membutuhkan inverter sebagai pengubah arus DC yang keluar dari boost menjadi arus AC. Arus yang keluar dari inverter tidak bisa langsung disambungkan ke beban karena inverter menghasilkan gelombang square(kotak) dan terdapat harmonisa yang dapat merusak peralatan, maka digunakanlah filter digunakan untuk mengubah suatu gelombang square( kotak) dari keluaran inverter tiga fasa yang memiliki harmonisa tinggi menjadi gelombang sinus murni. Untuk memaksimalkan daya yang keluar pada PV, menggunakan kontrol PI yang terdapat pada SPWM yang mendapat feed back dari beban berupa tegangan.
Gambar. 1. Diagram Blok Sistem.
A. Karakteristik PV Sel surya atau PV merupakan suatu komponen semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Karakteristik besarnya daya yang dapat dikeluarkan oleh PV bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan PV dan suhu pada permukaan PV[4], Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari dan suhu pada sel surya.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
2
X V IO (T 1) q / nkT1 e
qVOC ( T 1 ) / nkT1
(9)
Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya BPSSX60 dengan spesifikasi ditunjukkan pada Tabel I dengan keluaran daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari 11 PVdengan diode jenis crystalline yang dirangkai secara seri dan paralel. Tabel I Parameter Panel Surya BPSX-60
Gambar 2. Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari terhadap Sel Surya Grafik IV (kiri) dan Grafik P-V (kanan)
Gambar 3. Pengaruh Suhu terhadap Sel Surya Grafik I-V (kiri) dan Grafik PV (kanan)
Pemodelan PV yang kita gunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 3 [4].
Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan PV secara seri dan paralel. Persamaan arus keluaran PV model [4]: M V M VOC RSM I M M I M I SC 1 exp N SM Vt C
(10)
Dimana : M C I SC N PM I SC M OC
V
M S
N SM V N SM RSC N PM
Gambar 4. Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)
R
Persamaan yang didapat dari rangkaian PV pada Gambar 4 adalah :
Vt C nkT / q
I I SC
IRS q VnkT V I R S I O e 1 R P
(1)
Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel diasumsikan sangat besar, sehingga persamaan untuk model arus output sel surya adalah [3]:
I I L I O e q V IRS / nkT 1 I L I L T1 1 K 0 T T1
(2) (3)
I L T 1 G I SC T 1,nom / Gnom
(4)
K 0 I SC T 2 I SC T 1 / T2 T1 I 0 I O (T 1) T / T1
3/ n
IO (T 1) I SC (T 1) /(e
e
qV g / nk 1 / T 1 / T1
qVOC ( T 1 ) / nkT1
RS dV / dIVOC 1 / X V
)
(6) (7) (8)
(12) (13) (14)
B. Boost Converter Boost converter digunakan untuk menaikkan tegangan DC [6]. Adapun gambar rangkaian dari boost konverter diperlihatkan pada Gambar 6. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output :
VO
Vin 1 D
(15)
Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM (Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan :
(5)
(11)
C OC
Lmin
1 D 2 DR 2f
(16)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
C
VO D VR R f
(17)
Gambar 5. Pemodelan Konverter Boost
3 Untuk menjaga kestabilan supply tegangan supaya tegangan yang diberikan kebeban terus menerus stabil, dibutuhkan suatu kontroler, damana kontroler ditempatkan pada gate dari inverter tiga fasa. Kontroler yang digunakan yaitu PI. Pada gate inverter yang dikontrol adalah frekuensi dan tegangan dari inverter. Pemodelan PI controller dalam dapat ditunjukkan dalam gambar 7. E. Filter Filter pada tugas akhir ini menggunakan filter pasif untuk mengubah suatu gelombang square( kotak) dari keluaran inverter tiga fasa yang memiliki harmonisa tinggi menjadi gelombang sinus murni, Pada perancangan filter harmonisa memakai filter pasif yang terdiri dari komponen L(induktor) dan komponen C(Kapasitor).
C. Inverter 3 Fasa Inverter digunakan untuk mentransformasi tegangan dari DC mennjadi AC. Inverter yang digunakan adalah full wave inverter tiga fasa dengan sistem closed loop dengan mengambil referensi berupa tegangan dibandingkan dengan tegangan keluaran. Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 8. Pemodelan Filter
Dari gambar diatas bisa dilihat suatu rangkaian filter pasif yang mana L dan C yang terhubung secara seri dan paralel masing-masing bertindak sebagai filter sebelum tegangan masuk ke beban. Nilai L dan C harus disesuaikan dengan benar agar nilai yang dapat, tidak harus memberikan pengaruh yang cukup jauh pada tegangan outputnya. Pada Tugas Akhir ini nilai-nilai L dan C didapat dari perhitungan dengan menganggap bahwa harmonisa yang tertinggi adalah harmonisa ke-3. Perhitungan nilai L dan C sebagai berikut: Gambar 6. Pemodelan Inverter 3 Fasa
D. Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) Inverter berfungsi untuk mengubah tegangan DC menjadi sebuah tegangan AC, yang mana keluaran dari inverter untuk mensupply beban AC. Inverter sendiri dalam pengubahan tegangan dibutuhkan suatu sistem kontrol Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengatur switching gate pada setiap IGBT. Pada tugas akhir ini menggunakan suatu metode PWM yaitu Sinusoida Pulse Width Modulation
Gambar 7. Pemodelan SPWM
(18)
(19) Dengan menentukan salah satu dari komponen bisa dicari nilai L ataupun C nya. F. Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Tujuan utama dari generator adalah untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Sebagian besar sumber energi listrik untuk komersial adalah generator sinkron. Pada umumnya digunakan untuk mengkonversi output daya mekanik turbin uap, turbin gas, mesin reciprocating, turbin air dan turbin angin menjadi tenaga listrik untuk grid. Pada tugas akhir ini menggunakan PMSG sebagai generator yang fungsinya sebagai sumber selain PV. Seperti halnya prinsip generator sinkron terdapat hubungan antara frekuensi dan kecepatan ditunjukkan dala persamaan berikut :
N s Nr
60 f P
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
4
(20)
Dimana kecepatan medan rotor sama Nr(Rpm) dengan kecepatan medan stator Ns(Rpm), sedangkan p adalah jumlah pasang kutub, dan f adalah frekuensi (Hz).
Gambar 9. pemodelan Seluruh Sistem
G. Konfigurasi Sistem Sistem hibrida PV-Diesel yang digunakan diperlihatkan pada Gambar 9. Sistem PV-grid yang diperlihatkan oleh Gambar 9 terdiri dari 5 bagian penting, diantaranya adalah: PV, konverter boost, inverter, filter dan generator. III. PENGUJIAN DAN ANALISA DATA A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi a. Suhu yang digunakan = 250 C b. - Daya Wattpeak PV = 6000 W (Saat intensitas cahaya matahari = 1000 W/m2 - Tegangan PV = 232 volt c. Konverter Boost
Gambar 10. Grafik Tegangan vs Daya
5
1. Induktor = 1,34 10 H 5
2. Kapasitor = 2,09 10 Farad 3. Frekuensi switching = 10 kHz d. Filter - Induktor = 15 mH - Kapasitor = 0.6 mF e. Generator Kecepatan putar rotor :1500 rpm Kutub : 2 pasang f. Grid - Tegangan grid = 380 V B. Pengujian Model PV Dihubungkan dengan Beban Bervariasi Pengujian ini digunakan untuk mengetahui karakteristik dari model PV. Dengan menggunakan kecepatan putar beban bervariasi antara 0.1-1000 maka didapatkan grafik hasil pada gambar 10,11.
Gambar 11. Grafik Tegangan vs Daya
Pada gambar 10 memperlihatkan berbagai variasi beban dicoba pada PV. Ipv tergantung pada tingkat iradiasi matahari. Semakin tinggi iradiasi, semakin tinggi arus yang dihasilkan PV. Disisi lain, tegangan tetap terjaga hampir konstan, jika terjadi perubahan tidak akan menyimpang jauh meskipun irradiasi meningkat. Gambar 11 memperlihatkan daya yang dihasilkan tegangan ketika
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5
beban berubah-ubah. Tingkat iradiasi juga mempengaruhi daya yang dikeluarkan oleh PV. 2. C. Pengujian Sistem dengan Sumber PV Pengujian ini dilakukan pada sistem meliputi PV, Boost Converter, Inverter, Filter dan dihubungkan dengan beban dan intensitas matahari yang bervariasi.
3.
4.
5.
intensitas cahaya matahari (W/m2) maka semakin tinggi nilai daya maksimum yang dihasilkan oleh PV. Pada pengujian PV yang telah dilakukan maka didapatkan hasil yang berbeda antara pengujian dan spesifikasi dari pabrik sebesar 99.65 %. Dengan menggunakan PV sebagai pembangkit yang dihubungkan dengan generator, maka biaya operasional dari generator dapat ditekan sehingga lebih menghemat biaya. Baterai sebagai back up dari PV tidak digunakan mengingat biaya untuk pengadaan dan perawatan baterai sendiri mahal. Beban dan radiasi matahari yang berubah-ubah dapat mempengaruhi supply daya dari PV ke beban. UCAPAN TERIMA KASIH
Gambar 12. Daya PV yang Tersalurkan
Dari pengujian sistem PV-beban dapat diketahui bahwa nilai beban akan semakin menurun karena arus yang dihasilkan oleh PV akan semakin turun karena iradiasi yang menurun juga, grafik dapat dilihat pada gambar 9. Akan tetapi pada tegangan yang dihasilkan oleh PV tidak turun atau stabil dikarenakan terdapat boost converter yang menjaga agar tegangan yanga dihasilkan tetap konstan. D. Pengujian Keseluruhan Sistem Sistem PV dihubungkan dengan generator diesel. Sistem ini .menggunakan dua sumber yaitu PV dan generator yang bekerja secara bersama-sama.
Puja dan puji syukur yang mendalam terhadap Allah SWT yang telah melimpahkan karunianya kepada saya sehingga bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tidak lupa juga Rasullullah SAW yang telah menunjukkan jalan yang terang benderang yang penuh dengan ilmu pengetahuan yang tidak akan pernah habisnya. Kedua Orang tua yang dengan sabar memberikan doa kepada saya dan temanteman yang telah membantu saya baik secara langsung ataupun tidak langsung. Semoga kebaikan kalian semua mendapat hal yang baik disisi Allah SWT.
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4]
Beban [5] [6]
Mostavan, Aman, “Catatan Kuliah : Konversi Energi”, ITB, Bandung, 2005. Messenger, Roger A. Ventre, Jerry, “Photovoltaic Systems Engineering”, second edition, CRC Press, 2003. Rashid M.H, “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2007. A. Elmitwally, Mohamed Rashed, ” Flexible Operation Strategy for an Isolated PV-Diesel Microgrid Without Energy Storage”, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 26, NO. 1, MARCH 2011. M.Rizal,” SISTEM KONTROL PV-BATERAI BERBASIS FUZZY LOGIC UNTUK PEMBANGKIT TERDISTRIBUSI”, Tugas Akhir, ITS, Juli 2011. K.Bani, “RANCANG BANGUN SISTEM PHOTOVOLTAIC INVERTER TERINTEGRASI JARINGAN DISTRIBUSI 3 PHASA MENGGUNAKAN MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) BERBASIS NEURO-FUZZY MULTI-MODEL”, Tugas Akhir, ITS, Juli 2011.
Daya PV Daya Generator
Gambar 13. Pengujian Keseluruhan Sistem
Gambar 13 terdapat 2 grafik, menunjukkan pada grafik yang pertama bahwa pada saat beban yang konstan bertambah pada waktu 0.3 detik, maka akan mempengaruhi dari sistem yang mana generator mensupply daya yang dibutuhkan oleh beban, ditunjukkan pada grafik bawah. Sementara itu daya yang dihasilkan oleh PV tidak akan berkurang.
1.
III. KESIMPULAN Perbedaan tingkat intensitas cahaya mempengaruhi daya yang dihasilhan oleh PV. Semakin besar tingkat
