Studi Kestabilan Photovoltaic pada Pembangkit Tersebar Berbasis

 Studi Kestabilan Photovoltaic pada Pembangkit Tersebar
Berbasis Pembangkit Angin, Photovoltaic dan Pembangkit Diesel
Terhadap Gangguan di Sistem Tenaga
Afriyastuti Herawati 1*
1
Program Studi Teknik Elektro Universitas Bengkulu, *Email: [email protected]
ABSTRAK
Energy source from sunlight abundant in tropical
countries like Indonesia is very potential to be
developed for solar power plants or photovoltaic.
This paper proposed an analysis of the stability of the
photovoltaic as a part of a distributed generation
system based wind power, photovoltaic, and diesel
generators, using control systems to obtain the
magnitude of the array voltage and current in the
MPPT conditions. In this study the stability of
photovoltaic is analyzed by simulating three-phase
short circuit fault on the line. Then the response is
observed for several fault clearance times. The result
shows that the photovoltaic is stable after the fault
disconnected with fault clearance time of 100 ms
without active power reduction. At the fault
clearance time of 300 ms, 350 ms and 400ms,
however, active power is reduced.
Keywords: fault clearing time, stability, photovoltaic,
distributed generation.
1. PENDAHULUAN
Seiring dengan semakin berkurangnya jumlah
bahan bakar fosil dan permasalahan perubahan iklim, isu
energi terbarukan memang menjadi isu global saat ini.
Penggunaan energi angin dan energi cahaya matahari
sebagai sumber energi untuk pembangkit listrik semakin
pesat peningkatannya. Dalam perkembangannya,
penggunaan pembangkit listrik sumber energi terbarukan
saat ini lebih banyak digunakan dalam bentuk
Pembangkit Tersebar (PT) yaitu pembangkit skala kecil
yang menyediakan daya listrik untuk beban kecil dan
lokasinya dekat dengan beban tersebut.
Penggunaan sistem PT bersama-sama dengan
pembangkit konvensional memang belum banyak
diterapkan di Indonesia, tetapi ini telah dilakukan di
Amerika, Korea Selatan, Jepang dan beberapa Negara di
Eropa yaitu Jerman, Italia, Spanyol dan Perancis. Sampai
tahun 2010 telah terpasang photovoltaic sebesar lebih
dari 10 GW diseluruh dunia. Konsentrasi terbesar
terdapat di Jerman sebesar 5.3 GW, diikuti Spanyol
sebesar 3.4 GW, Jepang sebesar 2.1 GW. Sedangkan
14
untuk pembangkit angin sampai tahun 2009 telah
terpasang sebesar 160 GW di seluruh dunia [1].
Pada sistem pembangkit photovoltaic, menggunakan
energi cahaya matahari yang kemudian dikonversi
menjadi energi listrik. Jadi pada photovoltaic sangat
dipengaruhi oleh radiasi matahari. Namun kendalanya
pada pembangkit ini adalah intensitas cahaya matahari
yang tidak stabil selama 24 jam. Oleh karena itu
diperlukan suatu sistem pengontrolan untuk menjaga
kestabilan photovoltaic agar dapat tetap terhubung ke
jaringan.
Penelitian mengenai photovoltaic pada pembangkit
tersebar sudah dilakukan, diantaranya pada penelitian [2]
membahas mengenai ekstraksi energi maksimum pada
sistem pembangkit hybrid yaitu pembangkit angin dan
photovoltaic. Pada penelitian [3] membahas mengenai
transfer daya maksimum photovoltaic yang terhubung ke
jaringan. Pada penelitian [4] membahas mengenai
kestabilan pembangkit tersebar berbasis hydro generator
dan photovoltaic. Sedangkan pada penelitian ini
membahas mengenai kestabilan transien photovoltaic
pada sistem pembangkit tersebar berbasis pembangkit
angin, photovoltaic dan pembangkit diesel. Sehingga
nantinya hasil penelitian ini diharapkan dapat
memberikan masukan untuk pengembangan photovoltaic
yang terhubung ke jaringan.
2. TINJAUAN PUSTAKA
A.
Pembangkit Tersebar (PT)
Definisi [5]
Pembangkit Tersebar (PT) merupakan semua
teknologi pembangkit tenaga listrik skala kecil yaitu
dibawah 10 MW yang menyediakan daya listrik pada
lokasi yang dekat dengan konsumen dari pada stasiun
pembangkit pusat [6]. Ada beberapa aspek yang
berkaitan dengan definisi PT yaitu [5] :
a. Batasan rating daya
Dalam hal batasan daya, tidak ada ketetapan
khusus. Tidak ada definisi yang resmi berdasarkan
batasan rating daya. Tetapi dapat dikatakan bahwa PT
memiliki rating daya yang lebih kecil dari pada
pembangkit pusat.
ISSN: 2089-2020
b. Koneksi
Kebanyakan dari PT terhubung ke jaringan sistem
distribusi, tetapi pada beberapa negara (hampir semua
Eropa) mempertimbangkan kemungkinan PT terhubung
ke jaringan transmisi. Kecuali di Perancis dan Republik
Ceko, kebanyakan PT terhubung ke jaringan distribusi.
Di Perancis PT terhubung ke sistem 400 kV. Di
Republik Ceko, PT kebanyakan terhubung ke jaringan
transmisi. Tetapi kemudian, batasan tegangan PT sampai
110 kV. Batasan tertinggi ini berdasarkan pada level
tegangan jaringan distribusi di Eropa. Tetapi batasan
level tegangan tidak menjadi indikator untuk
mendefinisikan PT, namun batasan tegangan PT adalah
pada level jaringan distribusi sekunder.
c. Lokasi
Lokasi geografis bukan juga merupakan parameter
yang relavan untuk membedakan PT dengan pembangkit
pusat. Tetapi lokasi PT adalah berada dekat atau sangat
dekat dengan beban atau konsumen.
d. Kemampuan mengirimkan daya
Secara umum pembangkit PT bisa bersifat
dispatchable ataupun non-dispatchable, tergantung pada
sumber energi primer yang menyuplai PT. Ketika PT
bersifat dispatchable, operator PT dapat menentukan
daya keluaran unit PT dengan mengatur sumber energi
primer yang disuplai ke unit PT. Ketika PT bersifat nondispatchable, operator tidak dapat mengirimkan unit PT
karena perilaku sumber energi primernya yang tidak bisa
dikontrol. Biasanya PT non-dispatchable digerakkan
oleh sumber energi terbarukan, dimana daya keluaran
akan bergantung pada ketersediaan sumber energinya
[7]. Hal ini bukan hal yang mendefinisikan PT.
Pembangkit-pembangkit PT
Dalam teknologi PT, berbagai jenis pembangkit
yang umum digunakan diantaranya adalah internal
combustion engine (ICE), turbin gas, combined cycle gas
turbines, microturbines, fuel cells, solar photovoltaic,
pembangkit angin, small hydropower, solar thermal,
geothermal, biomass, tidal power dan wave power [7].
Dalam penelitian ini akan digunakan PT dengan
pembangkit angin, photovoltaic dan diesel generator.
B.
Pembangkit Photovoltaic
Photovoltaic Sel, Modul dan Array [8]
Secara fisik sel photovoltaic mirip dengan dioda pn junction klasik (Gambar 1). Ketika cahaya diserap oleh
junction, energi foton yang terserap dipindahkan ke
sistem elektron material menghasilkan terbentuknya
pembawa muatan yang terpisah pada junction. Pembawa
muatan bisa berupa pasangan ion-elektron dalam suatu
cairan elektrolit atau pasangan electron-hole dalam suatu
material semikonduktor. Pembawa muatan pada daerah
junction menciptakan suatu gradien potensial yang
Gambar 1. Pengaruh photovoltaic yang mengubah energi foton
menjadi tegangan pada p-n junction[8].
Gambar 2. Beberapa sel photovoltaic membentuk modul dan
beberapa modul membentuk array [8].
dipercepat dibawah medan magnet yang beredar sebagai
arus melalui suatu rangkaian.
Secara umum, beberapa inci kuadrat ukuran sel
photovoltaic menghasilkan daya sekitar satu watt. Untuk
mendapatkan daya yang besar, maka sejumlah sel
dihubungkan secara seri dan parallel pada suatu panel
atau modul dalam ukuran luas tertentu. Gabungan
beberapa modul yang terhubung secara seri, paralel atau
kombinasi keduanya disebut array (Gambar 2)
Karakteristik I – V
Karakteristik dari photovoltaic dapat dilihat dari
kurva I – V (Gambar 3). Pada kurva tersebut terdiri atas
arus hubung singkat Isc, tegangan rangkaian terbuka Voc,
dan titik operasi daya maksimum atau yang biasa dikenal
dengan Maximum Power Point atau disingkat menjadi
MPP.
Adapun penjelasannya adalah sebagai berikut:
a. Arus hubung singkat Isc merupakan arus maksimum
yang mengalir ketika photovoltaic tersebut dihubung
singkat sehingga pada saat itu tegangannya bernilai
nol.
b. Tegangan rangkaian terbuka Voc adalah tegangan
maksimum pada photovoltaic ketika photovoltaic
dalam keadaan rangkaian terbuka.
c. Maximum power point adalah suatu titik pada kurva I
– V photovoltaic yang merupakan titik daya
maksimum. Tegangan pada titik ini dikenal dengan
tegangan maximum power point (Vmpp) dan arus
pada titik ini dikenal sebagai arus maximum power
point (Impp) [9].
15
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 1, Mei 2013
Gambar 4. Jaringan sistem tenaga listrik untuk simulasi [10]
Gambar 3. Kurva karakteristik tegangan – arus (kurva I–V) [9]
Arus hubung singkat Isc dan tegangan rangkaian
terbuka Voc pada photovoltaic sangat dipengaruhi oleh
suhu. Dengan kenaikan suhu maka arus Isc akan
meningkat sedangkan tegangan Voc menurun. Pengaruh
suhu terhadap daya dihitung dengan menguji
pengaruhnya terhadap arus dan tegangan secara terpisah.
Jika Io adalah arus hubung singkat, Vo adalah tegangan
rangkaian terbuka pada suhu referensi T, α adalah
koefisien suhu arus dan β adalah koefisien suhu tegangan
maka arus dan tegangan yang baru pada perubahan suhu
sebesar ∆T diberikan oleh [8]:
I sc = I 0 (1 + α ⋅ Δ T )
(1)
Voc = V0 (1 − β ⋅ Δ T )
(2)
(a)
Maka besarnya daya yang baru adalah :
P = V ⋅ I = I 0 (1 + α ⋅ Δ T ) ⋅ V0 (1 − β ⋅ Δ T )
(3)
(b) Kemudian dapat disederhanakan menjadi :
P = P0 ⎡⎣1 + (α − β ) ⋅ Δ T ⎤⎦
(4)
Untuk membandingkan modul photovoltaic satu
dengan lainnya, maka kondisi yang seragam ditetapkan
untuk menentukan data elektriknya sehingga dapat
dilakukan perhitungan untuk menetukan kurva karakteristik
I – V nya. Ini dikenal dengan Kondisi Tes Standar (KTS).
Berdasarkan standar IEC 60904/DIN EN 60904 maka
untuk KTS ketentuannya adalah sebagai berikut [9]:
1. Irradiasi vertikal E adalah pada nilai 1000 W/m2
2. Temperatur sel adalah 25⁰C dengan toleransi ± 2⁰C
3. Spektrum cahaya dengan massa udara AM = 1.5.
3. METODE PENELITIAN
Sistem yang digunakan pada penelitian ini
mengacu pada sistem yang digunakan pada [10].
Simulasi dilakukan menggunakan program DigSilent
Powerfactory. Rangkaian yang digunakan pada
penelitian ini digambarkan pada Gambar 4 yang terdiri
16
(c) Gambar 5. Sistem
dengan
pembangkit
Pembangkit
Terdistribusi (PT) untuk masing-masing bus:
(a) Bus 1 (b) Bus 2 (c) Bus 3, 4, 5 dan 6 [1][10].
atas suatu sistem enam bus PT dan terhubung ke jaringan
listrik eksternal. Dari enam bus 110 kV tersebut tersusun
atas bus 1 terdiri atas pembangkit angin sebesar 5 x 2
MW dan pada bus 1 tersebut terdapat beban sebesar
ISSN: 2089-2020
Gambar 7. Simulasi gangguan hubung singkat 3 fasa di
saluran 4
Gambar 6. Model blok pengontrolan daya PV
TABEL 1
NILAI PARAMETER PV PADA SISTEM PENGONTROLAN PV MODEL
Parameter
Tegangan rangkaian terbuka modul pada KTS (V)
Tegangan MPP modul pada KTS (V)
Arus MPP modul pada KTS (A)
Arus hubung singkat modul pada KTS (A)
Faktor koreksi suhu untuk tegangan (1/K)
Faktor koreksi suhu untuk arus (1/K)
Jumlah modul terhubung seri
Jumlah modul terhubung parallel
Nilai
36.72
30.18
7.97
8.99
-0.0034
0.00045
25
75
10 MW yang diperlihatkan oleh Gambar 5(a).
Kemudian pada bus 2 juga terdapat pembangkit angin
sebesar 4 x 2 MW dan juga terdapat beban sebesar 8
MW seperti terlihat pada Gambar 5(b). Pada bus 3, bus
4 dan bus 5 merupakan PT yang masing-masing bus
seperti terlihat pada Gambar 5(c) dengan pembangkit
diesel sebesar 1.4 MVA pada masing-masing
pembangkitnya. Sedangkan untuk bus 6 merupakan
sistem PT yang sistemnya sama dengan Gambar 5(c)
namun untuk pembangkitnya bukan pembangkit diesel
melainkan photovoltaic dengan kapasitas masingmasingnya sebesar 1.35 MW[10].
Model Kontroler PV [11]
Adapun untuk model kontrol daya PV pada
penelitian ini direpresentasikan pada DSL atau DigSilent
Simulation Languange (Gambar 6). Model pengontrolan
ini terdiri atas pengontrolan suhu, pengontrolan radiasi
matahari, reduksi daya aktif dan controller PV model.
Dengan memasukkan besarnya nilai suhu, irradiasi,
jumlah PV modul yang terhubung seri, jumlah PV modul
yang terhubung paralel, tegangan rangkaian terbuka, arus
hubung singkat, tegangan pada MPP, arus pada MPP dan
faktor koreksi arus (Tabel 1), maka sistem pengontrolan
akan menghitung besarnya nilai tegangan dan arus array
pada MPP.
Reduksi Daya Aktif
Untuk analisis kestabilan, maka pada pengontrolan
ini terdapat blok Active Power Reduction yang berfungsi
untuk mereduksi daya aktif ketika daya aktif yang
dihasilkan oleh PV dapat mengakibatkan frekuensi lebih
(over frequency). Dalam hal ini jika frekuensi bernilai
sebesar 50.2 Hz sampai 51.5 Hz maka daya aktif akan
direduksi. Dan jika frekuensi diatas 51.5 Hz atau
dibawah 47.5 Hz maka PV akan diputus dari sistem [11].
Dengan masukan adalah frekuensi hasil dari
pengukuran frekuensi maka keluarannya adalah besarnya
daya yang telah direduksi jika terjadi frekuensi lebih.
Dengan kata lain pada kondisi normal besarnya daya
yang dikeluarkan oleh blok ini yaitu pred adalah 1 pu,
artinya tidak ada daya yang direduksi.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Simulasi gangguan hubung singkat 3 fasa di saluran
4 (waktu pemutusan gangguan 100 milidetik)
Simulasi dilakukan dengan menerapkan gangguan
hubung singkat tiga fasa di saluran 4 dengan waktu
pemutusan gangguan 100 milidetik dengan membuka
circuit breaker (CB) di saluran 4 (Gambar 7).
Dari Gambar 7 terlihat bahwa ketika terjadi
gangguan hubung singkat tiga fasa di saluran 4, hampir
semua bus terpengaruh. Hal ini bisa dilihat pada Gambar
7 bahwa hampir semua tegangan bus turun sampai
dibawah 50%. Dan bus yang tegangannya paling jatuh
hampir mendekati nol adalah bus 4 yaitu bus tempat
terhubungnya saluran 4. Namun ketika gangguan diputus
dalam waktu pemutusan gangguan 100 milidetik, maka
tegangan pada semua bus tersebut dapat naik lagi ke
posisi semula yaitu 1 p.u. Atau dapat dikatakan bahwa
secara keseluruhan masing-masing pembangkit dapat
mengembalikan tegangannya kembali ke level yang
dapat diterima segera setelah gangguan diputus.
17
Jurnal Amplifierr Vol. 3 No. 1, Mei
M 2013
Gambar 8. Reespon tegangann bus terhadap gangguan tiga fasa
di saluran 4 denngan waktu peemutusan gangguan
1000 milidetik
g
di salluran
Gambar 9. Reespon daya aktif PV terhadap gangguan
4 dengan
d
waktu pemutusan
p
ganggguan 100 miliddetik
Demikiian pula untukk PV, ketika gangguan
g
dipputus
dalam waktuu 100 milidetikk, tegangan dan
d daya aktiff nya
relatif stabil seperti terlihaat pada Gambaar 9.
B. Simulasii gangguan hubung sin
ngkat 3 fasaa di
saluran 4 (waktu pemutusan gangguan 400
k)
milidetik
Ketika waktu pem
mutusan ganggguan dinaikkkan
m
didapatkkan hasil sepperti
menjadi 4000 milidetik maka
Gambar 10. Terlihat bahhwa dengan waktu
w
pemutuusan
gangguan yaang diperpanjjang maka tegangan pada bus
setelah ganggguan diselesaikan akan naiik kembali settelah
turun. Namuun setelah naiik kembali, teegangan ini tidak
t
lurus lagi tetaapi mengalam
mi riak.
Ketika terjadi gangguuan, PV menggalami penuruunan
daya aktif haampir mencappai nol, namunn ketika ganggguan
diselesaikan maka PV dappat meningkattkan lagi dayaanya
p
walaupun grrafiknya menjadi beriak sepperti terlihat pada
Gambar 11.
C. Analisis Kestabilan PV
P
Secara umum
m PV tidak memiliki
m
bagiian yang berpputar
seperti halnyya generator sinkron
s
atau generator
g
induuksi.
Maka PV cenderung relatif
r
stabil setelah terrjadi
18
Gam
mbar 10. Respoon tegangan bbus pada wak
ktu pemutusann
gangguan 400 milideetik
Gam
mbar 11. Respoon daya aktif PV terhadap gangguan dii
salurann 4 dengan waaktu pemutusan
n gangguan 4000
milideetik
gan
ngguan. Selam
ma gangguan berlangsung
g dan setelahh
gan
ngguan, PV haarus tetap terhhubung ke jarringan.
Indikator keestabilan PV ddapat dilihat dari
d frekuensii
pad
da bus PV terrsebut. Jika ppada saat terjaadi gangguann
frek
kuensi pada PV
P berada diibawah 50.2 Hz
H maka PV
V
tetaap menyuplai daya aktif tanpa ada red
duksi. Namunn
jikaa frekuensi PV
P berada diaatas 50.2 maaka PV haruss
merreduksi daya aktifnya
a
[11].
Untuk analiisis reduksi ddaya aktif ini dapat diamatii
den
ngan menerappkan gangguaan hubung siingkat 3 fasaa
pad
da saluran 6 dengan wakktu pemutusaan gangguann
sebesar 100 miliidetik, 300 m
milidetik, 350 milidetik dann
0 milidetik seehingga didaapatkan hasil seperti padaa
400
Gam
mbar 12 samppai dengan Gaambar 15.
Dari Gambar 12 sampai Gambar 15 diatas
d
terlihatt
bah
hwa dengan dengan sistem pengontrolan
n seperti yangg
dijeelaskan pada Bab 3, makka PV relatiff stabil. Padaa
wak
ktu pemutusaan gangguan 100 ms tidak
k ada reduksii
day
ya aktif, karenna ketika ganggguan diputus pada waktuu
pem
mutusan ganggguan yang ceepat tidak terjjadi kenaikann
frek
kuensi sistem
m. Namun pada waktu
u pemutusann
gan
ngguan 300 ms,
m 350 ms ddan 400 ms ketika terjadii
ISSN:
I
2089-20200
Gambar 12. Respon
R
reduksi daya aktif PV terhadap perubbahan
frrekuensi akibatt gangguan hubung
h
singkat tiga
faasa pada salurran 6 dengan waktu pemuttusan
gaangguan 100 milidetik
m
Gam
mbar 15. Respoon reduksi dayaa aktif PV terhaadap perubahann
frekueensi akibat gaangguan hubun
ng singkat tigaa
fasa pada
p
saluran 6 dengan wak
ktu pemutusann
gangguan 400 milideetik
5. KESIMPPULAN
m pembangkitt
Pembangkitt photovoltaicc pada sistem
terssebar cukup stabil
s
ketika dikenai gang
gguan hubungg
sing
gkat 3 fasa. Dengan
D
adanyaa sistem pengo
ontrolan yangg
baik
k, PV dappat dengan cepat meengembalikann
kesttabilannya seetelah terjadi gangguan, yaitu
y
dengann
merreduksi daya aktif ketika frrekuensi sistem
m diatas 50.22
Hz.
Gambar 13. Respon
R
reduksi daya aktif PV terhadap perubbahan
frrekuensi akibatt gangguan hubung
h
singkat tiga
faasa pada salurran 6 dengan waktu pemuttusan
gaangguan 300 milidetik
m
Gambar 14. Respon
R
reduksi daya aktif PV terhadap perubbahan
frrekuensi akibatt gangguan hubung
h
singkat tiga
faasa pada salurran 6 dengan waktu pemuttusan
gaangguan 350 milidetik
m
gangguan PV
V memang meengalami penuurunan daya aktif
a
karena terjjadi kenaikkan frekuenssi sistem dan
tegangannya pun mengaalami penuruunan, namun PV
dapat meninngkatkan lagii daya aktif dan tegangannnya
segera setelaah gangguan diselesaikan.
d
Jaadi sistem konntrol
PV cukup staabil.
REFEREN
NSI
[1] Mohd Zamrri Che Wanikk and Istvan Erlich, Azahh
Mohamed and
a
Azuki Abbdul Salam, “Influence off
Distributed Generation and Renew
wable Energyy
Resources Power
P
Plant oon Power Systtem Transientt
Stability”, IEEE
I
PECon, Kuala Lump
pur Malaysia,,
2010.
[2] P. Aravindan, S. Thargavel, M.Y. Sanavulllah, “Maximum
m
Wind Solar Hybrid
H
Energyy
Energy Extrraction in W
Conversion System”, Euroopean Journal of Scientificc
Research Voll. 63 No.1 pp 900-98, 2011.
[3] M.Hanif, M.B
Basu, K. Gaugghan, “Novel AC
A Side P & O
Maximum Poower Transfer Control for Grid
G
Connectedd
Photovoltaic Systems”, Innternational Conference
C
onn
E
and Power Quality
y ICREPQ’10,,
Renewable Energies
Granada, Spaain, 2010.
[4] M. Aktarujjaaman, K.M. M
Muttaqi, M. Neegnevitsky, G..
Ledwich, “Coontrol Stabilisaation of Multip
ple DG”, IEEE,,
2007.
[5] F.Gonzalez-L
Longatt, C F
Fortoul, “Rev
view of thee
Distributed
Generation
Concepts:
Attempt
off
Unification”.
[6] Ann Marie Borbely, Jann F Kreider, “Distributedd
or the New
w
Generation the Power Paradigm fo
Millennium”,, CRC Press, United Statess of America,,
2001.
199
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 1, Mei 2013
[7]
[8]
[9]
20
Ferry August Viawan, “Voltage Control and Voltage
Stability of Power Distribution Systems in The Presence
of Distributed Generation”, Thesis for the Degree of
Doctor Philosophy, Chalmers University of Technology,
Sweden, 2008.
Mukund R Patel, “Wind and Solar Power System”, CRC
Press, United States of America, 1999.
Earthscan, “Planning & Installing Photovoltaic System –
A Guide for Installers, Architects and Engineers”, Second
Edition, Earthscan, UK, 2008.
[10] Afriyastuti Herawati, “Respon Kecepatan Rotor
Generator Induksi DFIG dan Sudut Rotor Generator
Sinkron terhadap Gangguan Transien di Sistem
Pembangkit Tersebar”, Jurnal Amplifier Fakultas Teknik
Universitas Bengkulu vol. 2 no. 2, 2012.
[11] Ioannis-Thomas K.Theologitis, “Comparison of Existing
PV Models and Possible Integration Under EU Grid
Spesifications”, Master of Science Thesis, KTH School of
Electrical Engineering, Stockholm, 2011.