Sistem Pembangkit Listrik Hibrida PV-Diesel Microgrid

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 / Gnom
(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