TUGAS AKHIR - TE091398
STUDI PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO SELOLIMAN, TRAWAS KABUPATEN MOJOKERTO ARDHA SANDY P NRP 2206 100 132 Dosen pembimbing Ir. Sjamsjul Anam, M.T. Ir. Arif Musthofa, M.T. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2010
Abstrak Pengaturan frekuensi merupakan hal yang vital bagi sebuah PLTM. Sistem kontrol frekuensi pada PLTM pada dasarnya ada dua macam yaitu, governor (sistem pengatur debit air) dan Electronic Load Controller (sistem pengatur beban elektronis). Kekurangan sistem kontrol dengan governor adalah ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi perubahan beban secara mendadak. Oleh karena itu digunakanlah Electronic Load Controller (ELC) yang dinilai lebih baik daripada governor. PLTM Seloliman merupakan salah satu PLTM yang telah menggunakan sistem ELC ini. Menarik untuk diketahui bagaimana ELC bekerja pada PLTM ini, karena selain telah menggunakan ELC, PLTM Seloliman juga telah terintegrasi dengan Perusahaan Listrik Negara (PLN). Kata kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM), Electronic Load Controller (ELC), frekuensi, beban.
Latar belakang Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi pelanggan dengan frekuensi yang konstan. Penyimpangan frekuensi dari nilai nominal harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Pada pembangkit, peralatan kontrol diperlukan untuk mengendalikan putaran (frekuensi) generator. Sistem kontrol pada PLTM pada dasarnya ada dua macam yaitu, governor (sistem pengatur debit air) dan Electronic Load Controller (sistem pengatur beban elektronis). Sebagaimana diketahui bahwa governor merupakan peralatan kontrol yang bersifat mekanis, dimana dalam proses pengaturan frekuensi lebih mentitikberatkan pada pengaturan jumlah energi pimer yang masuk ke turbin. Sedangkan ELC merupakan suatu kesatuan alat kontrol frekuensi yang dapat dikatakan lebih modern daripada governor, dalam proses kerjanya lebih menitikberatkan pada berapa daya yang harus dibuang ke beban komplemen untuk menjaga frekuensi dari generator yang digunakan.
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM)
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM)
• Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) adalah pembangkit listrik berskala kecil (antara 5 kW - 100 kW), yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber penghasil energi. • PLTM pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan menghasilkan listrik.
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM), (2)
Besarnya daya yang dapat dibangkitkan generator yang diputar oleh turbin pada sebuah PLTM dapat dihitung pelalui persamaan: P = k.η.H.Q Dimana; P = daya (kW) k = konstanta gravitasi (9,8) η = efisiensi keseluruhan (turbin dan generator) H = tinggi terjun air (meter) Q = debit air (/detik)
Bangunan Sipil PLTM Secara umum bangunan sipil sebuah instalasi PLTM terdiri atas; 1. Bendungan 2. Bangunan Pengambil Air (Intake) 3. Saluran Pembawa (Head Race) 4. Bak Pengendap (Silting Basin) 5. Bak Penenang (Forebay) 6. Pipa Pesat (Penstock) 7. Tangki Pendatar (Surge Tank) 8. Rumah Pembangkit (Power House)
Perangkat Mekanik & Peralatan Elektrikal 1. 2. 3. 4. 5.
Turbin Transmisi Mekanik Generator Transformator Peralatan Pengaman • Panel Pengukuran • Pengaman Generator • Pentanahan
Peralatan Kontrol Sistem kontrol pada PLTM pada dasarnya ada dua macam yaitu, governor (sistem pengatur debit air) dan Electronic Load Controller (sistem pengatur beban elektronis).
Governor • Governor atau sistem pengatur adalah suatu peralatan untuk mengatur putaran turbin (frekuensi listrik) relatif tetap konstan untuk berbagai kondisi beban. • Governor didesain agar putaran turbin-generator konstan dalam range yang dikehendaki dengan menambah atau mengurangi debit air yang masuk ke runner turbin untuk mempertahankan keseimbangan daya antara masukan daya (power input) dan permintaan daya (power demand). • Kekurangan sistem ini adalah ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi perubahan beban secara mendadak.
Electronic Load Controller (ELC) Pada prinsipnya pengontrolan dengan Electronic Load Controller (ELC) bertujuan agar besar daya yang dibangkitkan oleh generator selalu sama dengan daya yang diserap oleh konsumen ditambah dengan daya yang dibuang ke beban ballast, dengan demikian akan diperoleh frekuensi yang stabil.
Electronic Load Controller (ELC), (2)
Beban Konsumen + Beban Komplemen = Kapasitas Nominal Generator
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) SELOLIMAN
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) SELOLIMAN
• Pada tahun 1994 dibangun sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) di Kali Maron, yang selanjutnya diberi nama PLTM Kali Maron dengan kapasitas 12 KWH. • Pada tahun 2000 kapasitas PLTM Kali Maron ditingkatkan menjadi 25 KWH. • Interkoneksi listrik kepada Perusahaan Listrik Negara (PLN) melalui Kepmen ESDM No. 1122 K/30/MEM/2002, tanggal 12 Juni 2002. • Pada tahun 2005 kapasitas PLTM Kali Maron ditingkatkan menjadi 30 KWH.
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) SELOLIMAN, (2) • Tahun 2007 PKM bekerjasama dengan Yayasan Lingkungan Hidup Seloliman (YLHS) membangun PLTM kedua yang diberi nama PLTM Wot Lemah. • PLTM Wot Lemah ini sendiri memiliki kapasitas daya sebesar 20 KWH yang juga diinterkoneksikan dengan jaringan PLN.
Daya Terbangkit dan Daya Tersalur Tabel Daya Tersalur PLTM pada Siang Hari
PLTM
Kalimaron Wot Lemah
Konsumen PLN (KW) Masyarakat (KW) 20 5 18.5 1.5
Total (KW)
25 20
Tabel Daya Tersalur PLTM pada Malam Hari
PLTM
Kalimaron Wot Lemah
Konsumen PLN (KW) Masyarakat (KW) 15 10 15 5
Total (KW)
25 20
PLTM Kalimaron Spesifikasi Bangunan Sipil Bangunan
Keterangan
Tinggi kotor
15 m
Tinggi bersih
14 m
Design flow
305 lt/detik
Daya listrik
30 kW
Tipe intake
Off-take dari saluran irigasi Sungai Kalimaron
Bak pengendap
Spillway
Satu bak pengendap lebar 3 m, panjang 20 m dilengkapi dengan dinding pelimpah Saluran terbuka dari pasangan batu sepanjang 150 m dan saluran tertanam (pipa paralon) sepanjang 70 m Terpadu dengan bak pengendap dan saringan “tyrolean”
Pipa pesat
Pipa dari pelat diameter: 380 mm, panjang 45 m
Powerhouse
Bangunan tembok dengan pondasi beton atap asbes, ukuran lantai: 4 x 3 100 m dari jalan raya Kalimaron
Headrace
Acces road
PLTM Kalimaron Spesifikasi Peralatan Elektrikal Komponen
Spesifikasi
Jumlah pembangkit
1
Tipe turbin
Crossflow, T14
Tinggi bersih
14 m
Design flow
305 lt/detik
Diameter runner
300 mm
Kecepatan putar turbin
573/750 rpm
Eisiensi maksimum turbin
80%
Tipe generator
Sinkron
Drive
Belt datar
Kapasitas generator
40 kVA
Kecepatan putar generator
1500 rpm
Efisiensi maksimum generator
90%
Generator Sinkron name plate • Rating daya 40 kVA • Power factor 0.8 • Tegangan 400/231 V • Arus Beban Penuh 57.7 A • Kecepatan putar 1500 rpm • Frekuensi 50 Hz • Eksitasi 27 V, 2.15 A Tahun pembuatan 1994, di bawah lisensi dari A. Van Kaick, NeuIsenburg GmbH&60, D-6078 Neu Isenburg West Germany.
Generator sinkron PLTM Kalimaron
Generator sinkron PLTM Wot Lemah
Electronic Load Controller (ELC) GP STARCCT1-25kW Komponen utamanya • Frequency Trip Board (FTB) • Kontaktor • Silicone Controlled Rectifier (SCR) • Trafo Arus Sensing (CTS) & Sensing Resistor (R) • Ballast Load
Modul Mainscon Merupakan pengontrol sekaligus protektor pembangkit untuk sistem interkoneksi dengan grid. Pembangkit yang sebelumnya menggunakan ELC dengan tambahan alat ini dapat bekerja secara isolated dan interkoneksi.
ANALISA KERJA ELECTRONIC LOAD CONTROLLER (ELC) DAN PERHITUNGAN PARAMETER BALLAST LOAD
Daya Terbangkit Berdasarkan data-data spesifikasi bangunan sipil dan
peralatan elektrikal pada PLTM Kalimaron, diketahui; • Konstanta gravitasi (k) = 9.8 m/ • Efisiensi maksimum turbin = 80% • Esisiensi maksimum generator = 90% • Head (H) = 14 m • Debit air (Q) = 305 lt/detik = 0.305 m3/detik Maka potensi daya terbangkit dari PLTM Kalimaron adalah sebesar P = 9.8 x 0.8 x 0.9 x 14 x 0.305 = 30.12912 kW
Keterkaitan Fluktuasi Beban Terhadap Perubahan Frekuensi • Kondisi ideal, daya terbangkit dari generator sama dengan konsumsi daya pada beban. Tm = Te • Namun pada prakteknya, kondisi beban seringkali akan mengalami fluktuasi, sehingga terdapat selisih daya antara sisi generator dengan sisi beban Tm = Te + Ta Dimana Ta = M x dan
;f =
Keterkaitan Fluktuasi Beban Terhadap Perubahan Frekuensi • Tm – Te = Ta < 0, maka < 0, sehingga frekuensi akan turun. • Tm – Te = Ta > 0, maka > 0, sehingga frekuensi akan naik.
ELC sebagai Penyeimbang Beban Secara umum sebuah ELC terdiri atas 3 buah komponen utama yaitu; • Current Transformer (transformator arus) • Thyristor • Rangkaian Logic (IC)
ELC sebagai Penyeimbang Beban
Rangkaian ELC yang Menghubungkan Generator dengan Beban
ELC pada PLTM Kalimaron • ELC pada PLTM Kalimaron bekerja tidak sebagaimana ELC pada umumnya seperti halnya pada PLTM yang lain. ELC hanya difungsikan sebagai pengontrol pembuangan daya ke ballast load pada saat pembangkit belum siap untuk dihubungkan ke jaringan. • Dimana pada saat sinkronisasi nilai tegangan dan frekuensi untuk sesaat belum mencapai nilai nominal yang diijinkan untuk diparalelkan dengan jaringan. Oleh karena itu, daya yang dihasilkan oleh generator pada kondisi ini akan dialirkan
Mekanisme Proses Pengoperasian dan Interkoneksi PLTM Kalimaron Pembukaan katup turbin
Generator berputar, daya terbangkit
V&f sesuai rating?
Kontaktor terhubung
Mainscon
Penambahan atau pengurangan arus medan oleh AVR
Daya dibuang ke Ballast Load
PANEL ELC
Interkoneksi dengan Grid dan Pelanggan
Kapasitas Ballast Load • Pembuangan daya ke ballast load tidak lebih besar daripada daya yang masih tersalur kepada konsumen (untuk pembangkit yang tidak terinterkoneksi dengan jaringan). • Penentuan besarnya kapasitas daya terbuang ke ballast load dapat ditentukan melalui besarnya arus yang dilewatkan oleh thyristor dan besarnya beban resistif yang dipakai sebagai ballast load, sehingga:
Perhitungan Ballast Load pada PLTM Kalimaron Pada PLTM Kalimaron ditentukan bahwa kapasitas ballast load yang dipakai adalah sebesar 30% dari total daya terbangkit untuk proses interkoneksi dengan jaringan. Besarnya daya yang akan dibuang ke ballast load
Nilai tegangan = 220/380 V
Perhitungan Parameter Ballast Load pada PLTM Kalimaron, (2) • Besar arus pada ballast load 30%;
• Besarnya komponen resistif yang dipasang sebagai ballast load
Perhitungan Ballast Load pada PLTM Kalimaron, (3) Dari perhitungan di atas diperoleh bahwa besarnya arus yang dialirkan ELC menuju ballast load pada saat kapasitas ballast mencapai 30% adalah sebesar 13.67 ampere. Atau dengan kata lain, ELC hanya akan mengalirkan arus pada range 0 ampere (minimum ballast 0%) hingga 13.67 ampere (maksimum ballast 30%). Sedangkan besarnya komponen resistif yang harus dipasang sebagai ballast load adalah sebesar 16.09 Ω per fasa.
Kesimpulan 1. Mekanisme kerja dari ELC pada PLTM Kalimaron berbeda dengan mekanisme kerja ELC PLTM pada umumnya. Pada PLTM Kalimaron, ELC hanya bekerja pada saat pembangkit mulai dijalankan. ELC difungsikan untuk pembuangan beban ke ballast load selama pembangkit belum siap untuk interkoneksi dengan jaringan. Setelah pembangkit terinterkoneksi, maka secara otomatis ELC akan berhenti bekerja dan tidak ada daya yang dibuang ke ballast load. 2. Penentuan kapasitas ballast load perlu diperhatikan dalam upaya memaksimalkan efektifitas pengaturan keseimbangan daya
Kesimpulan 3. Berdasarkan hasil perhitungan untuk kapasitas ballast load sebesar 30% dari potensi daya terbangkit pada PLTM Kalimaron, diperoleh besarnya komponen resistif yang harus dipasang adalah sebesar 16.09 Ω per fasa, dengan range arus yang dialirkan ELC sebesar berada pada nilai antara 0-13.67 Ampere. 4. Dengan metode perhitungan yang sama maka dapat ditentukan berapa besaran arus, besaran komponen resistif ballast load serta setting untuk besarnya kapasitas ballast load yang lain.
Saran 1. Melihat kenyataan bahwa ballast load hanya difungsikan untuk membuang daya pada saat proses sinkronisasi PTM, maka ada baiknya jika dilakukan pengembangan lebih lanjut terhadap ballast load. Hal ini akan bermanfaat sehingga kelebihan daya yang dibuang dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang lain. 2. Ballast load yang dipergunakan pada PLTM Kalimaron ini merupakan beban resistif (R), sehingga disarankan untuk penelitian-penelitian selanjutnya diharapkan dapat menganalisa jika beban ballast yang dipergunakan adalah beban induktif (L), kapasitif (C) maupun kombinasi dari
DAFTAR PUSTAKA • Hasan, Achmad, “Pengontrol Beban Elektronik pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro”, P3 Teknologi Konversi dan Konservasi Energi, Deputi Teknologi Informasi, Energi, Material dan Lingkungan, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. • Kadir, Abdul,”Mesin Sinkron”, Penerbit Djambatan, 1999. • Marsudi, Djiteng, “Pembangkitan Energi Listrik”, Penerbit Erlangga, 2005. • Marsudi, Djiteng, “Operasi Sistem Tenaga Listrik”, Penerbit Graha Ilmu, 2006. • PT. Heksa Pradana Teknik, “Buku Manual Operasi dan Perawatan PLTMH Maron PPLH Seloliman”, Bandung, 2000. • PT. Heksa Pradana Teknik, “Suplemen Buku Manual Interkoneksi dengan Mainscon MC-301Pembangkit Listrik Tenga Mikrohidro Maron.”, Bandung, 2003. • Pusat Pendidikan Lingkungan Hidup, “Pembangkitan Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)”, Pusat Pendidikan Lingkungan Hidup (PPLH) Seloliman, Trawas Mojokerto, 2007. • Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik”, Penerbit ITB, 1991
