STUDI PEMODELAN ELECTRONIC LOAD CONTROLLER SEBAGAI ALAT PENGATUR BEBAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HIDRO Anggi Muhammad Sabri Saragih 13204200 / Teknik Tenaga Elektrik Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung email :
[email protected]
Abstract - Electronic Load Controller adalah salah satu alat yang dapat menjaga agar arus, frekuensi, dan tegangan pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro agar tetap dalam keadaan nominal walaupun beban konsumen berubah-ubah. Electronic Load Controller biasa digunakan pada Pembangkit Listrik Tenga Mikro-Hidro karena harganya yang lebih terjangkau dari pada alat proteksi lainnya. Pada tugas akhir ini, dilakukan pemodelan Electronic Load Controller sederhana dan disimulasikan pada saat terjadi perubahan beban konsumen. Dapat ditunjukkan bahwa saat beban konsumen berubah atau terputus dari jaringan, PLTMH tetap bekerja dalam keadaan nominal. Kata kunci : Electronic Load Controller, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro, Keadaan nominal
diakibatkan adanya gangguan hubung tanah maupun yang diakibatkan beban yang melebihi kapasitas nominal generator (overload).
II. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HIDRO PLTMH mengubah energi air menjadi energi listrik. Awalnya potensi energi air diubah menjadi energi mekanik dalam turbin air. Kemudian turbin air tersebut memutar generator sehingga mampu dihasilkan energi listrik. Gambar 1 menunjukkan secara skematis bagaimana potensi energi air, yaitu sejumlah air yang terletak pada ketinggian tertentu diubah menjadi energi mekanik dalam turbin air dan kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.
I. PENDAHULUAN Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH), perubahan beban akan berakibat langsung pada generator. Jika torsi turbin tidak diubah saat terjadi perubahan beban, maka frekuensi dan tegangan listrik yang dihasilkan akan berubah yang dapat mengakibatkan kerusakan baik di generator maupun di sisi beban. Karena itu, diperlukan suatu sistem proteksi yang dapat mencegah kerusakan ini terjadi. Untuk melakukan proteksi pada PLTMH, ada beberapa cara yang dapat dilakukan seperti menggunakan governor, mengubah jumlah aliran air yang masuk ke turbin atau dengan menggunakan Electronic Load Controller. Electronic Load Controller memiliki kelebihan respon yang cepat dan nilai ekonomis yang lebih murah dibandingkan alat proteksi lainnya. Electronic Load Controller (ELC) adalah suatu alat kendali yang dipasang pada generator sehingga jika terjadi perubahan beban maka generator akan melihat seolah-olah beban tidak mengalami perubahan sehingga generator tetap dapat bekerja pada kondisi normal. Selain itu, ELC juga berfungsi untuk melindungi generator dari masalah arus lebih baik yang
Gambar 1. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Air
Generator yang umum digunakan adalah generator sinkron. Generator sinkron mendapat energi dari turbin air. Energi mekanik dari turbin air ini diubah menjadi energi listrik oleh generator sinkron. Tidak seluruh energi mekanik ini dapat diubah oleh generator sinkron menjadi energi listrik. Perbedaan antara daya input dan daya output ini disebut rugi-rugi. Persamaan akhir dari daya yang dihasilkan adalah 3
cos
3 Φ 2
cos
1
Pada persamaan 1, tampak bahwa arus yang dihasilkan oleh generator berpengaruh pada besar daya yang dihasilkan. Jika terjadi perubahaan arus yang dihasilkan generator dan daya turbin tidak diubah maka akan mengubah nilai frekuensi yang dihasilkan. Perubahan frekuensi akan berakibat pada perubahan tegangan yang dihasilkan generator. Untuk mencegah perubahan frekuensi dan tegangan generator ini, maka ada beberapa cara yang dapat dilakukan. Diantaranya adalah dengan mengubah daya turbin yaitu (mengubah Pconv) atau mengubah besar tegangan EA (KФω). Perubahan frekuensi yang dihasilkan terhadap perubahan arus generator yang dihasilkan dapat diturunkan dari persamaan 1. 2
6 Φ cos
konsumen dan beban komplemen. Dengan menggunakan ELC maka PLTMH akan tetap bekerja pada keadaan nominal walaupun beban konsumen berubah-ubah.
Gambar 2 Prinsip kerja ELC 1 fasa
Untuk mengatur besar arus yang mengalir ke beban komplemen, kita bisa menggunakan kaidah pembagi arus. Dengan menganggap beban konsumen paralel dengan beban komplemen, maka dengan mengatur besar beban komplemen kita dapat mengatur besar arus yang mengalir ke beban konsumen.
Jika sisi armature generator sinkron tidak mengalami perubahan dan daya turbin tidak diubah, maka
6
6 ′ ′
3
Tampak pada persamaan 3 bahwa perubahan arus listrik yang dihasilkan generator berbanding terbalik dengan perubahan frekuensi listrik. Perubahan frekuensi akan mengakibatkan perubahan nilai EA, yang nantinya akan mengakibatkan perubahan besar tegangan yang dihasilkan. Jadi, perubahan arus akan mengakibatkan perubahan frekuensi listrik dan juga perubahan tegangan listrik yang dihasilkan generator.
III. PERANCANGAN ELECTRONIC LOAD CONTROLLER A. Prinsip Kerja Electronic Load Controller (ELC) adalah suatu alat yang dipasang pada PLTMH yang berfungsi untuk menjaga agar frekuensi dan tegangan yang dihasilkan PLTMH tetap konstan walaupun beban berubah-ubah. ELC memiliki fungsi yang sama dengan governor dan umumnya dipasang pada pembangkit listrik berskala kecil. Hal ini karena harga ELC yang lebih terjangkau dari pada governor. ELC dipasang di antara PLTMH dan beban konsumen. Dengan menggunakan beban komplemen, ELC akan membagi arus yang dihasilkan dari PLTMH ke kedua beban yaitu beban
Gambar 3 Beban konsumen paralel beban komplemen
4 Untuk menghasilkan ELC 3 fasa dapat diperoleh dengan menggabungkan tiga buah ELC 1 fasa. Dengan memasang ELC pada setiap fasanya, maka kumpulan dari ELC tersebut adalah ELC 3 fasa. ELC 3 fasa akan membuat beban yang dilihat PLTMH tetap seimbang walaupun beban konsumen tiap fasa berubah-ubah.
Gambar 4 Skema ELC 3 fasa
B. Perancangan ELC 1 Fasa Seperti yang telah diutarakan sebelumnya, inti dari ELC adalah pada pengaturan besar impedansi beban komplemen. Salah satu metode pengaturan besar impedansi beban komplemen adalah dengan menggunakan metode perbandingan antara arus konsumen dengan suatu besaran referensi. Besar arus yang masuk ke beban konsumen akan disampling kemudian dibandingkan dengan suatu besaran referensi. Hasil dari perbandingan ini berupa sinyal 0 atau 1 yang akan menentukan apakah saklar ELC akan berada dalam kondisi terbuka atau tertutup. Saklar ini adalah penghubung antara titik percabangan arus dengan beban komplemen. Alasan penggunaan saklar seperti ini adalah karena beban komplemen terdiri dari resistor yang besarnya konstan. Sehingga untuk mengatur besar beban komplemen dapat dilakukan dengan mengatur berapa banyak resistor pada beban komplemen yang harus dialiri arus komplemen.
penyearahan akan dibandingkan dengan sinyal referensi pada komparator DC. Jika sinyal hasil sampling lebih tinggi dari pada referensi maka komparator mengeluarkan nilai 1 yang artinya saklar dalam kondisi tertutup. Dan sebaliknya, jika sinyal referensi lebih tinggi dari pada hasil sampling maka komparator akan mengeluarkan nilai 0 yang artinya saklar dalam keadaan terbuka. Rangkaian kendali terdiri dari penyearah, komparator, dan tegangan referensi. •
Saklar Statis Saklar statis adalah saklar penghubung antara beban komplemen dengan beban konsumen. Saklar ini yang menentukan apakah beban komplemen yang terhubung dengan saklar akan dialiri arus komplemen atau tidak. Input saklar statis adalah sinyal yang berasal dari komparator. Jika input bernilai 1 maka saklar akan “on” dan jika input bernilai 0 maka saklar akan “off”. •
Gambar 5 Skema lengkap ELC 1 fasa
•
Sensor Arus
Sensor arus yang digunakan memanfaatkan hukum Faraday dan hukum Ampere. Sensor arus akan men-sampling arus yang mengalir ke beban konsumen dan mengalirkannya ke rangkaian ELC lainnya. Nantinya arus hasil sampling ini akan menetukan besar arus yang mengalir ke rangkaian beban komplemen.
•
Rangkaian Kendali Rangkaian kendali berfungsi untuk mengatur saklar agar terbuka atau tertutup. Nilai 1 adalah untuk memerintahkan saklar tertutup dan 0 untuk terbuka. Adapun input dari rangkaian kendali ini adalah arus sampling dari arus konsumen. Arus konsumen yang telah disampling kemudian disearahkan oleh penyearah jembatan dioda. Sinyal hasil
Beban Komplemen Beban komplemen adalah beban yang nantinya berguna untuk menyeimbangkan besar arus yang dihasilkan oleh PLTMH. Besar beban komplemen yang dialiri arus komplemen bergantung pada besar arus sampling. Beban komplemen terdiri dari sejumlah resistor yang terhubung paralel. Karena resistor yang digunakan sebagai beban komplemen bernilai statis sedangkan dibutuhkan nilai yang bervariasi sesuai dengan perubahan arus sampling, maka untuk mengatasi masalah tersebut disiasati dengan menggunakan beban komplemen dalam jumlah yang cukup banyak. Saat arus sampling bernilai kecil, maka jumlah resistor yang terhubung ke rangkaian lebih banyak dari pada saat arus sampling kecil. Adapun besar dan jumlah resistor yang digunakan bergantung pada seberapa besar sensitifitas yang diinginkan. Semakin banyak resistor yang digunakan maka semakin sensitif rangkaian ELC yang dihasilkan. Jika PLTMH menghasilkan daya sebesar P watt dan diinginkan ELC dengan tingkat sensitifitas Q watt, maka jumlah resistor dan besar tiap resistor yang digunakan adalah 5
IV. PEMODELAN DAN SIMULASI ELC
6
•
Circuit Breaker
Circuit breaker adalah komponen yang berperan dalam proteksi untuk arus lebih. Jika arus lebih mengalir dalam jaringan, maka circuit breaker akan memutuskan hubungan antara PLTMH dengan beban konsumen. Oleh karena itu, sensor arus akan mendeteksi bahwa tidak ada arus yang mengalir ke konsumen. Sehingga ELC akan memerintahkan agar seluruh arus generator dialirkan ke beban komplemen.
Pemodelan akan dilakukan pada PLTMH 3 fasa 30kW. Sehingga daya ELC pada tiap fasa adalah 10 kW. Tingkat sensitifitas yang digunakan adalah 250 W pada tegangan kerja 220 V. Tingkat toleransi yang diberikan adalah 48 Hz – 52 Hz pada frekuensi tegangan dan 200 V – 240 V pada tegangan kerja. Dengan demikian, PLTMH akan bekerja pada variabel berikut ini. 220 10000 45.45 220 220 4.84 Ω 10000
C. Langkah Dalam Perancangan ELC Dari penjelasan yang telah diutarakan di atas, secara lengkap langkah-langkah yang dilakukan dalam merancang ELC adalah sebagai berikut.
A. Komponen Pemodelan ELC 3 Fasa 30 kW • Beban Konsumen ELC yang dimodelkan adalah ELC 30 kW 3 fasa dengan tingkat sensitifitas 250 W. Artinya tiap perubahan beban konsumen sebesar 250 W maka ELC akan menyalakan / mematikan 1 resistor pada beban komplemen. •
Beban Komplemen Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya, bahwa ELC yang dimodelkan akan menggunakan tingkat sensitifitas 250 W. Artinya ELC akan mengkompensasi tiap 250 W perubahan beban konsumen. Untuk mencari berapa banyak resistor yang digunakan dan jumlah resistansi tiap resistor dapat menggunakan persamaan 5 dan persamaan 6. 10000 40 250 220 193.6 Ω 250 Jadi banyak resistor yang harus digunakan pada beban komplemen adalah sebanyak 40 buah dengan besar resistansi yang tersusun parallel dengan nilai tiap resistor adalah 193.6 Ω. •
Gambar 6 Diagram flow perancangan ELC
Sensor Arus Sensor yang digunakan sebagai kendali pada ELC ini adalah sensor arus. Sensor arus yang terdapat pada simulator menghasilkan arus sebesar perbandingan yang diinginkan. Pada tugas akhir ini, sensor arus yang digunakan menggunakan perbandingan 1:1. Artinya besar arus yang mengalir pada beban konsumen akan disampling dan dialirkan ke rangkaian kendali tepat sebesar arus yang mengalir ke beban konsumen
(1:1). Pada simulator yang digunakan (PSIM version 6.0), sensor arus hanya memiliki satu cabang pada titik outputnya. •
Penyearah Penyearah yang digunakan dalam percobaan ini adalah menggunakan penyearah setengah gelombang. Hal ini dilakukan karena simulator yang digunakan hanya dapat menggunakan penyearah setengah gelombang. Hal ini karena pada simulator yang digunakan yaitu PSIM version 6.0, sensor arus hanya memiliki satu output. Sehingga jika dihubungkan dengan penyearah, maka salah satu input penyearah adalah output dari simulator sedangkan input penyearah yang lain ditanahkan. Tegangan output yang dihasilkan nilainya akan mendekati nilai tegangan puncak dari tegangan input penyearah. Hal ini karena nilai pada filter penyearah nilai , sehingga . •
Referensi Seperti yang telah diutarakan sebelumnya, tegangan referensi yang digunakan adalah tegangan DC. Karena terdapat 40 resistor pada beban komplemen, maka terdapat juga 40 tegangan referensi pada ELC yang dirancang. Pada ELC yang dirancang, besar arus generator adalah 45.45 A. sehingga besar tegangan sampling yang dihasilkan adalah sebagai berikut. 45.45 √2 64.28 Karena besar tegangan referensi harus lebih besar sedikit dari pada besar tegangan sampling DC maka dipilih nilai tegangan 64.50 V sebagai besar tegangan referensi. Lalu besar tegangan referensi tersebut dibagi dalam 39 tegangan referensi dengan menserikan 39 resistor. Khusus untuk satu tegangan referensi saat arus komplemen sangat kecil, maka digunakan tegangan referensi tersendiri. Sehingga bila tegangan sampling dinilai terlalu kecil, maka ELC akan menganggap bahwa telah terjadi gangguan sehingga seluruh arus dari generator akan dialirkan ke ELC. Untuk alasan proteksi arus lebih, maka jika arus referensi dinilai terlalu besar maka circuit breaker akan memutuskan hubungan antara generator dengan beban konsumen. Kemudian ELC akan memerintahkan agar seluruh arus dari generator dialirkan ke ELC. Sehingga ada satu tegangan referensi lagi yang tersendiri untuk menjaga hal ini. Oleh karena itu, tegangan referensi yang digunakan adalah sebanyak 41 unit dengan spesifikasi 39 unit untuk keadaan normal, 1 unit untuk mengatasi masalah arus yang terlalu kecil pada beban
konsumen dan 1 unit untuk mengatasi masalah arus lebih pada beban konsumen. Tegangan referensi yang digunakan untuk proteksi arus lebih adalah 10 mV dan untuk proteksi arus konsumen terlalu kecil sebesar 1 V. •
Circuit Breaker Variabel circuit breaker yang perlu ditentukan adalah pada besar arus yang memerintahkan agar circuit breaker putus. Sebelumnya telah diutarakan bahwa besar arus nominal dari generator adalah 45.45 A. Toleransi arus maksimal yang dapat dihasilkan oleh PLTMH dipilih sebesar 46 A. Sehingga jika arus yang dihasilkan PLTMH lebih besar dari pada 46 A maka circuit breaker akan langsung memutuskan hubungan antara PLTMH dengan konsumen. Sehingga seluruh arus dari generator akan dialirkan ke beban komplemen oleh ELC. Untuk memperkirakan apakah pada saat PLTMH menghasilkan arus 46 A, frekuensi masih dalah toleransi atau tidak, maka dapat digunakan persamaan 3.
45.45 50 46 49.40 •
Rangkaian Akhir Dari seluruh komponen di atas, maka diperoleh rangkaian ELC dengan skema sebagai berikut.
Gambar 8 Rangkaian akhir dari ELC
B. Simulasi Beban Konsumen Meningkat Simulasi dilakukan dengan kenaikan beban konsumen tiap 250 W dan kelipatannya pada saat beban konsumen 100 W. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terdapat perbedaan antara hasil perhitungan dengan hasil simulasi yang dilakukan. Menurut hasil perhitungan, seharusnya arus yang dihasilkan generator tidak berbeda sebelum terjadi perubahan beban konsumen dengan setelah terjadi perubahan beban konsumen. Namun, pada simulasi tampak bahwa terjadi perubahan besar arus yang dihasilkan generator saat telah terjadi perubahan beban konsumen. Perbedaan ini disebabkan oleh besar arus komplemen tidak sesuai dengan yang seharusnya. Hal ini mengakibatkan arus generator yang merupakan jumlah dari beban konsumen dan beban komplemen menjadi tidak sesuai dengan yang diinginkan. Hal ini juga mengakibatkan besar frekuensi yang dihasilkan juga tidak sesuai dengan yang diinginkan.
Gambar 7 Grafik perubahan frekuensi terhadap kenaikan daya konsumen
Dari gambar 7 terlihat bahwa kenaikan beban konsumen mengakibatkan kenaikan frekuensi. Perubahan frekuensi mulai dari 50.76 Hz pada titik 100 W dan 48.56 Hz pada titik 9850 W. Perubahan frekuensi ini masih dalam toleransi (48 Hz – 52 Hz). Oleh karena itu, simulasi dikatakan cukup berhasil saat beban konsumen mengalami peningkatan.
(a)
(b) Gambar 8 Perubahan arus saat terjadi kenaikan beban konsumen: (a) Arus konsumen (merah) dan arus komplemen (biru) ; (b) Arus generator
Pada gambar 8 (b), tampak bahwa kenaikan beban konsumen dapat ditanggapi dengan cepat oleh ELC sehingga arus generator cepat kembali ke keadaan nominal. Hal ini karena proses yang dilakukan ELC khususnya pada penyearah dilakukan dengan cepat. Proses pengisian muatan pada kapasitor filter berlangsung dengan cepat sehingga menyebabkan respon ELC cepat. C. Simulasi Beban Konsumen Menurun Simulasi dilakukan dengan penurunan beban konsumen tiap 250 W dan kelipatannya pada saat beban konsumen 9900 W. Seperti pada percobaan kenaikan beban konsumen, hasil percobaan pada penurunan beban konsumen berbeda antara hasil perhitungan dengan hasil simulasi. Seharusnya arus yang dihasilkan generator tidak berbeda sebelum terjadi perubahan beban konsumen dengan setelah terjadi perubahan beban konsumen. Namun, pada simulasi tampak bahwa terjadi perubahan besar arus yang dihasilkan generator saat telah terjadi perubahan beban konsumen. Perbedaan ini disebabkan oleh besar arus komplemen tidak sesuai dengan yang seharusnya. Hal ini mengakibatkan arus generator yang merupakan jumlah dari beban konsumen dan beban komplemen menjadi tidak sesuai dengan yang diinginkan. Hal ini juga mengakibatkan besar frekuensi yang dihasilkan juga tidak sesuai dengan yang diinginkan
dilakukan cukup lambat. Proses pembuangan muatan pada kapasitor filter berlangsung dengan lambat sehingga menyebabkan respon ELC lebih lambat. D. Simulasi Beban Konsumen Terputus Pada saat beban mengalami gangguan arus lebih, maka circuit breaker akan memutuskan hubungan antara konsumen dengan PLTMH sehingga tidak ada arus yang mengalir ke konsumen. Tidak adanya arus yang mengalir ke konsumen akan dideteksi oleh ELC dan kemudian akan memerintahkan agar seluruh arus dari generator dialirkan menuju ELC. Gambar 9 Grafik perubahan frekuensi terhadap penurunan daya konsumen
Dari gambar 9 terlihat bahwa penurunan beban konsumen mengakibatkan penurunan frekuensi. Perubahan frekuensi mulai dari 48.70 Hz pada titik 9900 W dan 50.51 Hz pada titik 150 W. Perubahan frekuensi ini masih dalam toleransi (48 Hz – 52 Hz). Oleh karena itu, simulasi dikatakan cukup berhasil saat beban konsumen mengalami penurunan.
Gambar 11 Perubahan arus saat terjadi gangguan arus lebih pada konsumen di detik 2
V. PENUTUP
(a)
(b) Gambar 10 Perubahan arus saat terjadi penurunan beban konsumen: (a) Arus konsumen (merah) dan arus komplemen (biru) ; (b) Arus generator
Pada gambar 10, tampak bahwa penurunan beban konsumen ditanggapi lebih lambat oleh ELC dibandingkan dengan kenaikan beban konsumen. Hal ini mengakibatkan arus generator lebih lama kembali ke keadaan nominal dibandingkan saat terjadi kenaikan beban konsumen. Hal ini karena proses yang dilakukan ELC khususnya pada penyearah
Salah satu alternatif dalam melindungi PLTMH agar tetap bekerja pada tegangan dan frekuensi kerjanya walaupun beban konsumen berubah-ubah adalah dengan menggunakan Electronic Load Controller (ELC). ELC dapat dihasilkan dengan memanfaatkan hukum Kirchhoff’s Current Law. Pemodelan ELC 30 kW 3 fasa dengan tingkat sensitifitas 250 W pada percobaan menunjukkan bahwa frekuensi yang dihasilkan masih dalam toleransi (48 Hz – 52 Hz). ELC yang dimodelkan hanya akan menanggapi respon yang diakibatkan adanya perubahan daya aktif pada sisi beban konsumen. Sehingga perubahan tegangan akibat adanya perubahan daya reaktif di sisi beban konsumen tidak dapat diperbaiki oleh ELC. Pemodelan ELC 30 kW 3 fasa dengan tingkat sensitifitas 250 W pada percobaan menunjukkan bahwa ELC lebih cepat dalam menanggapi perubahan beban konsumen saat beban mengalami peningkatan dari pada saat beban mengalami penurunan. Saat terjadi gangguan arus lebih, ELC akan memerintahkan agar seluruh arus yang dihasilkan generator dialirkan ke beban komplemen.
DAFTAR PUSTAKA [1] Celso Penche dan Dr Ingeniero de Minas. Layman’s Guidebook On How To Develop A Small Hydro Site. European Small Hydropower Association, Belgia. Juni 1998. [2] Stephen J Chapman. Electric Machinery Fundamentals. McGraw Hill, Singapura. 1991 [3] A.Harvey, A.Brown, P.Hettiararchi, A.Inversin. Micro Hydro Design Manual: A Guide to Small Scale Water Power Schemes. Intermediate Technology Publications, London. 1993 [4] Sudaryatno Sudirham. Analisis Rangkaian Listrik. Penerbit ITB, Bandung. 2002 [5] Adel S Sedra dan Kenneth C Smith. Microelectronic Circuits. Oxford University Press, New York. 2004
