OPTIMALISASI DAVA KELUARAN PEMBANGKIT LISTRIK MIKRO IIYDRO (PLTMII) MELALUI CURRENT COMPENSATOR POWER OPTIMALIZATION FOR MICRO-EYDRO PO'IER PLANT BY USING CURRENT COMPENSATOR) Slam6t RiYadi,Leonardus Heru P. Daya, TeknikElektro - FTI, Unika Soegiaplahata Elektronika Lqboratotium ABSTRACT Vicro-HydroPowerPlants(PLTMH) havebeenbuilt in someoountriesin lodonesiaas electricityfor anyrelionswhichhaveno elechicityfiom PLN. altemativewaysto generate by PLTMH arecommonlyusedfor loadssuchasel€ctdcmotors, Elecaicenelgygenefated appear,these will resultir] somepowel components lamps,heaters,etc.This consumpsion poor be and finally will power so the efficiency power, and harmonics reactive are active device called a theamountofpower thatusedby thepeoplewill be smaller'In this research is installedin parallelconnectionto the systemto recoveryreactive currentcompensator that will inject curent components and harmonicpower component.This compensator This conditionwill increasethe forcethe generatoronly supplyactivepowercompenent. by is poweraonverterthat is implemented efficiency.The core of a cunentcompensator to adaptthe real condition. high speedstaticswitches.They are controlledautomatically validate. worksaiedoneto Analysisandlaboratoryexperimental Kel"words : actieeporrJe\ rcsclire power, harmonics,compensator
PEI\IDAHULUAN Energi listrik merupakan faktor dominanyang mendorong pertumbuhan ekonorni bangsa Indonesia sehingga Pemerintah terus beiusaha agar energi listrik dapat menjangkauselwuh lapisan masyarakat di masyarakat. Bagi pedesaan,karena kondisi geografis dan PLN maka hingga sa:t ini ketelbatasan b€lum dapat teraliri listrik sehingga tingkat pertumbuhanekonominyatidak secepatdaerahdi mana sudahtersedta energi listrik. Berbagai langkah telah dilal:ukan oleh masyarakat secara swadaya maupun dengan bantuan Pemerintah Daerah guna mendapatkan pembaogkitiist k energilistrik,Beberapa skala kecil telah dapat diupayakan, di antatarya adalah PLTMH (Pembangkit ListrikTenagaMikro Hydro).
sebenamYa PLTMH Suatu merupakan skala kecii dad PLTA (Pembangkit Listlik Tenaga Ait yaitu pembangkit listdk suatu Yang rnemanfaatkanalimn air guna memutar tubin air. Walaupun sangal bergantung pada kondisi musim {etapi jenis pembangkit ini sangat murah dalam operasion4lnya.PLTMH dapat dibangun dari skala untuk memenuli kebutuhan listrik beberapa penduduk hingga desadan listdk untukbeberapa kebutuhan sistem PLN dengan umumnyaterpisah PLTMH yang dibangun di suatu areabelum tentu akan mampumemenuhi kebutuhanlistdk bagi seluuh masyafakat di areatersebd, hal ini sangatditentukan oleh tersedianya alirar sungai yang tersedia. OIeh karena itu, energi listrik yang telah dibangkitkan harus mampu diubah menjadi daya yang dapat
dimanfaatkan oleh konsurnen (masyarakat). Hal ini menunjukkan betapapentingnyauntuk mengubahdaya semu 0A) menjadi daya nyata (Watt) semaksimal mungkin. Jika nilai Watt semakin tinggi maka akan semakin banyakmasyarakatyang dapatmenikmati energi listrik suatu PLTMH. Dengan demikianlangkahmenerapkan teknologi yang maopu mengoptimalkan daya keluaran suatu PLTMH sangat diperlukan, Suatu compensator pada prinsipnya merupakan suatu piranti konverteryangmenggunakan saklarstatis berkecepatan tinggi (dapat dipakar MOSFET atau IGBT) dan mulai berkembangsejak dekade80-an. Seiak mulai banyak digunakan beban motor lishik, lampu SEL maupunbebanmodem lainnya maka dampak negatifnya mulai dirasakan karena jika diabaikan akan mernperpendekumur peralatan [Lai dan Key,l997l, [Grusz, 1990]. Untuk menguraogi pengaruh dari beban yang menyerapdaya reaktif dan harmonisa makatelahdilakukanbeberapa antisipasi, antara lain dengan menggunakan komponenpasif (induktor dan kapasitor) untuk meinperbaiki walaupun ukuran menjadi besar [Al-Zamil dan Torrey, 20011, Konverter dapat diterapkan sebagai compensator jenis tegangan (voltage)untuk me[gurangi bebanseperti di atas,dalamimplementasinya dipasang secaraseri [Wang, dklc. 2001]. Penulis juga telah mengembangka! kolverter sebagaicompensatorjenis arus (current) untuk melakukan reduksi terhadap distolsi akibat b€bantak linier. Konverter jenis ini dipasangdi sisi beban [Riyadi, dkk.20041,fRiyadidanHaroen,2005]. Pada penelitian ini dilakukan langkah mengoptimalkandaya keluamn suatu PLTMH melalui suatu dat yarg dinamakan current compensator. Compensatoryang menggunakansuatu
koDverter statis manpu menginjeksikatr dayareaktif danharmonisasehinggadaya lyata kelua.ran dari PLTMH akan diupayakanmendekatinilai VA-nya. BAHAN DAN METODA SuatugeneratorAC denganrating 220V/50H2 pada kondisi ideal akan mclghasilkan tegangan AC yang memiliki arti fisik berupa gelombang sinusoidal dengan nilai puncak sebesar ^^^F.,, 22u,12 volt denganperiodasebesar20 mili dt (dalam 1 detik terjadi 50 buah gelombangsinusoidal).Jika generator dihubungkan dengan peralatan listrik maka akan mengalir arus (bolak-balik) dari generatorke b€baoatausebaliknya. Arus yang bersifat resistif akan merniliki gelombangdenganbertuk sama teupi denganamplirudaberbeda.kondisi ini melgandung arti bahwa daya yang dihasilkan selalu mengalii dad sumber tegangan ke sisi beban. Secara vektor diagram daya maka nilai daya nyata (P) akan sama dengan nilai daya senu (S), Koldisi memiliki arti bahwaseluruharus yang mengalir da &e generator akan menghasilkan daya yang dapat dimanfaatkan.Beban-bebanlistrik yang memiliki karakteristik sepertiini adalah: lampu bolam dan pemanas(heater)lLu dan Key,l997l. Sedangkan arusinduktif memiliki sifat tergeserdari teganganfasa tetapi masih memiliki bentuk gelombang samadengantegangan.Arus indukrif ini memilikipergeseran sudutfasasebesar 90 derajad terhadap tegangamya sehingga akanmenghasilkarnilai daya sesaatyang berubahdari positif dan negarif rerapi nilai rata-ratanya sama dengan nol, kondisi ini mengandungarti bahwa daya yang dihasilkan akan mengalir dari geoentor ke sisi beban dan sebaliknya, Diagram vektor pada pembebanan induktif menunjukkal seluruh arus akalr diubah menjadi daya reaktif yang tidak
dapat dimanfaatkanmenjadi kerja maka dengandernikian daya yang bermanfaat (P) akar samadengannol, Berbedadengan arus resistif dan arus induktif, arus harrnonisa memiliki b€rtuk yang berbedadengangelombang tegangannya, Menurut Fou.riet, setiap gelombaogperiodik dapat dinyatakan dengan jumlah gelombang-gelombang sinusoidal. Arus hannonisa ini akan menghasilkannilai daya sesaat yang berubahdari positif dan negatif tetapr rilai mta-ratanya sama dengan nol, kondisiini mengandung arti bahwadaya yang dihasilkan akan mengalir dari sumber tegatgan ke sisi beban dan sebaliknya[Riyadi, dkk. 2004]. Dalam implementasi beban yang mengandung komponen harmonisa sering dinamakan bebanlak linier. Bebanrak linier jenis kapasitifseringdijumpaidalamperalatan listrik yang menggunakan penyearah dioda dengantapis kapasirorpada sisi keluarannyasedangkanbeban tak linier jenis induktif sering dijumpai dalarn peralatan listrik yang menggunakan penyearahrhyrisror/diodadengan tapis
induktor pada sisi keluarannya fGrusz, 19901. Pada pembebanan resistif akan terjadi kondisi di mana daya semu (S) samadengandayanyata(P).Padakondisi ini maka arus yang mengalir dari genemtor sepenuhnya diubah menjadi daya nyata atau dengankata lain bahwa daya yang dihasilkan akan dapat dimanfaatkan menjadi kerja yarg berguna. Sedangkan pada jems pembebananselain resistif maka akan muncul kornponen daya lainnya, yaitu dayareaktif (Q) dan dayaharmonisa(H) di mana komponendaya ini akan bolakbalik dari sumber ke beban dan sebaliknya. Komponen dala ini sebenamya merupakan daya yang terpelangkap dalam sistem dan tidak dapat dimanfaatka! menjadi kerja. Mengalirnya komponen daya tak bermanfaat ini akan menyebabkan keluaran dari suatu generato! jauh di bawah nilai rating-nya. Sehingga akan pemakaiaodaya keluarangenemtordapat optimal maka harus dicapai kondisi di manadayanyata samadengandayasemu
(P= s).
4
Gb-l. Perbaikanpadasistemdengarpembebananresistif-iuduldif (a) sebelumperbaikrn (b) sesudahp€rbalkan
Perbaikan sistem dengan p€mbebananresistif.induktif dilakukan melaluiinjeksi daya reaktif sebes (-Q) sehingganilai S akan sama denganP, Sedangkanperbaikan sistem dengan
pembebananresistif-harmonisamelaiul injeksi daya harmonisa sebesar (-H) sehilgga nilai S akan sama dengan P. Perbaikan sistem dengan pembebanan resistif-reaktif-harmonisa dilah:kan
melalui injeksi komponendaya reaktif G Q) dan daya harmonisa(-H) [Riyadi dan
Haroen,2005l.
vr+
Gb-2. Perbaikanpadasiste$ dengatrpemb€banatr relistif-harmonisa(a) sebelum perbsikan (b) sesudabperbsikar
v.+
Gb-3. Perbaikanpadasistemdenganpembebanatr resistif-indnktif-harmoniss(a) sebelum perbaikatr (b) sesudahperbaikan
EASIL Pada Gb-4 disajikan skema current compensator yang dipasang paralel antamgencratordan beban.$ratu current compensqtot terdiri dari saklar statis dengan induktor dan kapasito!, Tegangangelleratorakan dideteksiuntuk dipergunakan sebagai dasar referensi. Arus referensi dibentuk dengan mengalikan tegangan generator dan kelualarlkontrole!PI. Konstantapengali ioi akan mengindikasikan nilai tegangan kapasitor yang ko[stan, di mana pada kondisi ini terjadi keseimbangan daya dalam sistem. Selanjutnyanilai arus
referensiakan dibandingkandengannilai anrs sumberserta selisihnya(n|lai error) akar dijadikan sebagai sinyal masukan bagi current controller. Diduukur pada pulsa PWM yang keluar d?ui current controller maka saklar statis akan dikendalikan. Dalam penelitian inl current compensator difungsikan untuk memberikan dan menyerap daya reaktif dan harmonisa dari beban listrik yang menghasilkan daya jenis itu. Kapasitor (C) pada current compensatorbetg)rra untuk menyimpanenergisesaat.
Gb-4. Skemacurrent comDensator
Gb-5. Prototip compensatorskalalaboratoriumdan generatorAC sinkron yang diputar motorDC untukpenggantiPLTMH
GL6, Hasil pengujianIaboratorium (a) arussumbersetelshdipasangcompensator (b) erussumbersebelumdipasangcompensator (c) tegangansumber (d) arussumbersebelum dipasang compenstor
PEMBAHASAN Untuk melakukan validasi terhadaphasilanalisadan simulasimaka dilakukanpenncangan prototipalatskala (Gb-5). laboratorium Untuk mendekati suatu PLTMH maka dipakai suatu generator AC sinkron yang diputar dengan motor DC sedangkanuntuk
yangdigunakan membatasi agartegangan tidakterlalutinggi makadigunakarsuatu trafo penurun tegangan. Pada Gb-6 disajikan hasil pengujian laboratorium untuk arus sumberpada kondisi sebelum dan sesudahpemasangancompensqtor, Sebelumpemasangan compensator maka arus sumber tidak berbentuk sinusoidal
vane meneindikasikan -hatmonisa terkandungnya sehingga Lidak iomionen gfisien. Setelahpemastrg?a compensalor maka arus sumber menjadi sinusoidal vans memiliki efisiensi lebih baik. Coip'ersato, Yang diPasang selalu mensinieksikal arus untuk terus rn"rnlk"u u-, sumber selalu sinusoidal. Faktor daya yang dapat dijadikan dasar menilai efisiensi pemanfaatanenergi dapatdilihat pada gamba!tersebut,yaitu tampak gelombangarus dan tegangan vans merupakan dua gelombang yang sefasa Kondisi ini sinu--soidal menunjukkanbahwa faklor daya sistem mendekatisatu(sesuaiGb-3b) Pemanfaatanenergi listrik untuk linier beban-beban Yang tidak munculnyakomponendaya rnenyebabkan lain di luar komPonen daya rlyata. daYa tersebut akan Komponen efisiensipemanfaaran mengurangi _energi lisrrik.Kondisiini ditandaidenganbentuk anrs yang tidak sinusoidal. Untuk meraikkanefisiensi pemanfaatal energi listlik yang dihasilkan oleh generator maka dapat dilakukan langkah pemasangancufrent compehsatof yu\g dihubungkansecaraParalel.
SIMPULAN dengan Suatu comqewator mampu statrs imolementasi konvefer menginjeksikankomponendaya reak f dan harnonisa. Suatu PLTMH Yang daPat umurnnya berskala kecil dioptimalkan daya keluarannya yang menurw akibat Pemakaian beban tak linie!. Optimalisasi ini dilakukan dengan memasang s\afu compehsatof .seaafa paralel dengan sistem semngga compensatormenginieksikandayareaktif dan harmonisasebesardaya reakrifdan harmonisayang ditinbulkan ol€h beban tak linier. Pada kondisi ini pembangkit (sumber)hanya akan mencatudayanyata sehingga nilai daya nyata mampu nilai VA-nYa. mendekati UCAPAN TERIMA KASIH UcaDantelima kasih disampaikankepada JAWA PROVINSI BAiITBANG TENGAH atasdukunganbiaya penelitian yang ini dan LPPM Unika Soegijapranata telah memberi bantuan demi kelancaran pelaksanaannya.
DAFTAR PUSTAKA Al-Zamil,A.M. danToney,D A. (2001) : A PassiveSeries,Aative Shunt Filter for High Power Applications,IEEE Trans on Power Electonics,'|0l,16' n o , 1 ,l 0 l - 1 0 9 Grusz, T. M. (1990) : A Survey of N€utral Cunents in ThrcePhase Compute! Power Systems, ltEE Trans on Industry APPIications, v oL26' . \o.4, 7 19-'125
Lai, J. S. dan Key, T. S. (1997): Effectiveness of Harmonio Mitigation EquiPrnent for Buildings,IEEE Commercial Industry on Ttais. Applications,vol'33, no.4, 1104-1110. RiYadi, S., Haloen,Y., Sudirham,S., Sughartono(2004),A Virtual Power Based Instantaneous Control Method of a Shunt Active PowerFilter for ThreePhase Four-Wile Syslems, Proceedingsof lntetkational
Cohfercnce on Elecbic qnd Machines Systemt f,ICri4S), SouthKorea Riyadi, S,, Haroen, Y (2005), A New Contlol Shategy for ThreePhase Shuot Active Pow€! Fiher that based on Source Instantarcous Power, Prcceedingsof Inte/nstional Power Enginee ng Confer ence (l PEC), Sirtgapore fuyadi, S dan Haroen, Y. (2005), Analysis of Instattaneous RepresentativeActive Power
Equality based Contlol Methodfor ThreePhaseShunt Active PowerFilte!, ?7,eSixtt Internationsl Conferenceon Power Electronicsand D ve Estems (PEDS), Kuala Lumpur,Malaysia Wang,2., Wang,Q., Yao,W., danLiu, J. (2001): A SedesActive PowerFilter AdoptingHybrid Control Approach, IEEE Trans.on PowerElectrcnics, vol.l6,no.3,301-310.
