integrasi sistem hybrid fuel cell-baterai kejaringan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
1
INTEGRASI SISTEM HYBRID FUEL CELL-BATERAI
KEJARINGAN DISTRIBUSI MENGGUNAKAN LOGIKA
FUZZY
Anas Ma’muri, Heri Suryoatmojo, Mochamad Ashari
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected], [email protected]
II.
Abstrak— Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan sebuah
peralatan yang mampu mengubah hidrogen dan oksigen menjadi
energi listrik melalui proses elektrokimia. Fuel cell bisa
digunakan untuk berbagai aplikasi
seperti perkantoran,
perumahan, ataupun pusat perbelanjaan. Karena karakteristik
keluaran fuel cell rendah maka membutuhkan suatu boost
konverter untuk menaikkan tegangannya dan inverter untuk
mengubah tegangan DC menjadi AC agar dapat dihubungkan ke
dalam jaringan sistem tenaga listrik. Pada Tugas Akhir ini, fuel
cell dimodelkan menggunakan stack fuel cell. Pemodelan ini
disesuaikan dengan kurva karakteristik V-I fuel cell. Boost
konverter mampu bekerja secara optimal dengan adanya
perubahan beban. Melalui inverter tiga phasa, tegangan keluaran
boost konverter tersebut diubah menjadi tegangan AC agar
dapat dihubungkan ke sebuah sistem jaringan tenaga listrik.
Sebelum terhubung ke sistem jaringan tersebut, keluaran dari
inverter tiga phasa
melewati sebuah filter
pasif agar
menghasilkan gelombang sinusoidal murni, nantinya hasil
keluaran dari filter bisa dihubungkan ke sistem jaringan tenaga
listrik. Untuk menjaga agar sebuah sistem stabil, maka fuzzy
logic diperlukan pada sistem ini. Kontrol fuzzy ini dipakai untuk
mengatur gate dari inverter tiga phasa.
Kata Kunci— Fuel cell, Boost konverter, Inverter tiga phasa,
fuzzy logic
I. PENDAHULUAN
opulasi penduduk diperkirakan akan meningkat di masa
mendatang. Oleh sebab itu bisa dipastikan daya
permintaan terhadap kebutuhan tenaga listrik juga akan
meningkat diberbagai sektor perumahan, industri dan
komersial. PEM fuel cell sebagai salah satu jenis sumber
energi terbaharukan di masa mendatang, yang memiliki peran
penting sebagai pengganti energi tak terbaharukan.
Pemanfaatan PEM fuel cell yang maksimal dan
dikombinasikan dengan sistem existing distribusi (grid) akan
menciptakan suatu system baru. Interaksi hubungan kedua
sumber akan saling menguntungkan dengan semakin
terbatasnya ketersediaan supply dari grid. Selain itu PEM fuel
cell memiliki banyak keuntungan seperti efisiensi tinggi,
sifatnya yang ramah lingkungan, tidak bising, dan tidak
menghasilkan emisi gas buang
Dengan menganalisa masukan dari PEM fuel cell dan
memanfaatkan kemampuan kapasitas PEM fuel cell
diharapkan mampu untuk membantu memenuhi kebutuhan
beban dimasa mendatang.
P
SISTEM
PEMBANGKIT MENGGUNAKAN
BAHAN BAKAR
SEL
A. Fuel Cell
Fue cell adalah perangkat elektrokimia yang mengubah
energi kimia menjadi energi listrik. Perangkat elektrokimia
lain yang kita semua kenal adalah baterai. Sebuah baterai
memiliki semua bahan kimia yang tersimpan di dalamnya, dan
bisa mengkonversi bahan kimia tersebut menjadi listrik.
Perbedaan antara fuel cell dan baterai adalah output dari fuel
cell akan dikirim langsung tanpa disimpan.
Pertukaran proton membran fuel cell (PEMFC)
merupakan salah satu teknologi yang paling menjanjikan. Ini
adalah jenis fuel cell yang digunakan sebagai daya pada mobil,
bus dan rumah. PEMFC menggunakan salah satu reaksi yang
paling sederhana dari setiap fuel cell.
PEM Fuel cell terdiri dari dua buah elektroda (katoda dan
anoda) yang dipisahkan oleh membran elektrolit. Oksigen (O2)
dilewatkan melalui katoda sebagai oksidan dan hidrogen (H2)
dilewatkan melalui anoda sebagai bahan bakar. Sel bahan
bakar dapat menghasilkan energi listrik secara langsung
melalui proses elektrokimia dengan mereaksikan gas hidrogen
dan oksigen tersebut . Reaksi kimia yang terjadi dalam sel
bahan bakar adalah sebagai berikut:
Reaksi pada anoda :
Reaksi pada katoda
Reaksi total:
2H2 => 4H+ + 4eO2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
2H2 + O2 => 2H2O
PEM fuel cell menggunakan gas hidrogen dan oksigen
sebagai input dan membentuk output DC. Gambar 1
menunjukkan (V - I) karakteristik tegangan dan arus untuk
satu unit PEM fuel cell yang beroperasi di bawah tekanan
normal dan suhu lingkungan.
Gambar 1. Kurva V-I karakteristik fuel cell
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
2
Seperti yang terlihat pada Gambar 1, kurva karakteristik
fuel cell dapat dibagi menjadi tiga daerah bagian berdasarkan
jenis rugi-ruginya. Ketiga region tersebut adalah :
1. Activation losses: disebabkan oleh lambatnya proses
reaksi kimia pada permukaan elektroda.
2. Ohmic losses: disebabkan oleh resistansi internal dari
fuel cell.
3. Concentration losses: disebabkan oleh perubahan reaktan
selama bahan bakar digunakan.
B. Boost Konverter
Boost konverter adalah salah satu DC to DC
konverter yang berfungsi menaikkan tegangan DC.
Boost-konverter mempunyai tegangan output yang selalu
lebih besar daripada tegangan input. Polaritas tegangan
outputnya mempunyai nilai yang sama dengan input [1].
mf 
fs
f1
(3)
Dengan Vo adalah gelombang output dan besarnya puncak
dari frekuensi fundamentalnya adalah:
VO1  maVd dengan 0  m a  1.0 
(4)
III.
DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM
A. Pemodelan Sistem
Pemodelan sistem untuk Tugas Akhir ini adalah seperti
ditunjukkan pada Gambar 3. Pemodelan sistem ini hanya
menunjukkan blok diagram yang berupa subsistem yang
didalamnya terdapat rangkaian yang lebih kompleks lagi.
Tujuan pemodelan sistem adalah untuk mempermudah
pembaca dalam melihat sistem secara keseluruhan.
Gambar 2. Boost konverter
Dari gambar diatas dapat diketahui persamaan tegangan
keluaran boost konverter :
V
V out  in
1 D
(1)
Dengan Vout adalah tegangan output boost konverter, Vin
adalah tegangan input boost konverter, D adalah duty cycle.
C. Inverter Tiga Phasa
Inverter adalah unit pengkondisi daya yang mengubah
tegangan dc menjadi ac. Tegangan dc input dengan tidak ada
ripple dapat menghasilkan tegangan ac keluaran berupa
square wave, pulse width modulation atau sinusoidal
tergantung dari teknik switching yang digunakan.
Inverter memiliki beberapa jenis menurut switching
technique, salah satunya adalah sinusoidal pulse width
modulation (SPWM) yang digunakan dalam tugas akhir ini.
Pertimbangan penggunaan SPWM adalah karena keluaran
inverter akan diintergrasi dengan tegangan jala-jala distribusi
(grid) berupa sinusoidal.
Pada skema pensaklaran inverter satu phasa dengan
penyulut SPWM, sinyal SPWM didapat dari perbandingan
antara sinyal pembawa (carrier) gelombang segitiga Vtrg.
Dengan frekuensi Vtrg sebesar fs dan dibandingkan dengan
sinyal referensi Vref pemodulasi yang memiliki frekuensi f1
(frekuensi dasar dari sinyal keluaran inverter yang disebut
dengan frekuensi modulasi. Perbandingan amplitude modulasi
m didefinisikan sebagai berikut:
m
Vref
Vtrg
(2)
Rasio perbandingan frekuensi modulasi mf dapat
didefinisikan sebagai berikut:
Gambar 3. Blok Diagram Sistem Sederhana
B. PEM Fuel cell
Model sederhana PEM fuel cell diperlihatkan oleh
Gambar 4. Model PEM fuel cell ini terdiri dari kedua
resistansi yang diserikan dan paralel dengan kapasitor
dengan sebuah sumber tegangan , sebuah hambatan yang
dipasang seri.
Gambar 4. Rangkaian ekivalen dari PEM fuel cell
C. Rancangan Boost Konverter
Tegangan keluaran dari PEM fuel cell yang kecil dan
tegangan beban yang lebih tinggi, maka dibutuhkan boost
konverter untuk menaikkan tegangan DC. Adapun persamaan
yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output pada
persamaan 1.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
3
Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM
(Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter
komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan :
1  D 2  DR
Lmin 
2f
(5)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan
persamaan :
V D
C O
VR  R  f
(6)
Gambar 7. Pemodelan rangkaian filter pasif
Gambar 5 Pemodelan Rangkaian Boost konverter
D. Rangkaian Inverter Tiga Phasa
Inverter yang digunakan adalah inverter tiga phasa,
yang terdiri dari 6 buah IGBT. Kegunaan inverter ini
mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC bolak-balik. .
Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada
Gambar 6.
E. Filter Pasif
Filter harmonisa pada tugas akhir ini digunakan untuk
mengubah suatu gelombang kotak( square wave) dari keluaran
inverter tiga phasa 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). Realisasi filter pasif pada
Simulink
ditunjukkan dalam Gambar 7. Sedangkan
perhitungan nilai L dan C didapatkan dengan menggunakan
rumus persamaan sebagai berikut:
(7)
(8)
Gambar 6 . Pemodelan Rangkaian Inverter Tiga Phasa
Kontrol Fuzzy Logic Pada Gate Inverter Tiga Phasa
Untuk menjaga kestabilan supply tegangan sumber ke
beban dibutuhkan suatu kontroler, dimana kontroler
ditempatkan pada gate dari inverter tiga phasa. Kontroler yang
digunakan yaitu Fuzzy Logic Controller (FLC). Pada Gate
inverter yang dikontrol adalah indeks modulasi dari inverter.
Cara
kerja
dari
rangkaian
kontroler
adalah
membandingkan nilai tegangan RMS beban dengan nilai
referensi yang diinginkan yaitu 220V. Kemudian dari
perbandingan, didapatkan suatu error dan delta error tegangan,
dalam hal ini dijadikan input dari fuzzy logic kontroller .
Keluaran dari fuzzy dikalikan dengan gelombang sinusoidal,
dan dibandingkan dengan gelombang triangular sehingga
didapatkan indeks modulasi. Pemodelan fuzzy logic kontroller
dalam Simulink dapat ditunjukkan dalam Gambar 8.
Penerapan logika fuzzy ini dan terdiri dari dua bagian yaitu
fuzzifikasi dan fuzzy rule .
Gambar 8. Pemodelan Fuzzy logic controller
Fuzzyfikasi
Seperti ditunjukkan pada Gambar 9, pada bagian
masukan ada dua yaitu error dan delta error. Error dan delta
error mempunyai 7 fungsi keanggotaan berupa segitiga dan
trapezoida yaitu NL, NM, NS, ZR, PS, PM dan PL dengan
nilai antara -1 sampai dengan 1. Sedangkan nilai keluaran
output juga memiliki keanggotaan dan range nilai yang sama.
(a)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
(b)
(C)
4
2. Kapasitor = 25 mFarad
3. Frekuensi switching = 10 kHz
c. Baterai
1. Tegangan = 220 volt
2. Ah Baterai = 770.05 Ah
d. Inverter
- Tegangan input = 690 V
- Tegangan output=380 V
e. LC Filter
- Induktor = 15mH
- Kapasitor = 169.04 uFarad
f.
Grid
- Tegangan grid = 380 V
B. Pengujian Model Fuel Cell Dihubungkan dengan
Beban Bervariasi
Pengujian ini digunakan
untuk
mengetahui
karakteristik dari model fuel cell. Adapun karakteristik
dari Fuel dapat dilihat dari kurva hubungan antara arustegangan (I-V) dan kurva hubungan daya-tegangan.
Pengujian model fuel cell untuk mengetahui karakteristik
I-V dan P-V ini dapat dilakukan dengan menghubungkan
fuel cell dengan beban yang bervariasi antara 0.1 – 100Ω.
Gambar 9. Fungsi Keanggotaan (a) error, (b) delta error, (c) output .
Fuzzy Rules
Dalam Tugas Akhir, syntax “if-then” selalu digunakan
untuk mengekspresikan fuzzy rules. Untuk kontrol gate
inverter ini menggunakan total 49 rule base seperti yang
ditunjukkan tabel dibawah ini.
Tabel 1. Rule dari fuzzy
Gambar 11. Kurva karakateristik V-I rangkaian ekivalen PEM
fuel cell
F. KONFIGURASI SISTEM
Sistem fuel cell yang digunakan pada tugas akhir ini
diperlihatkan pada Gambar 10. terdiri dari beberapa bagian
penting, diantaranya adalah: Fuel cell, Baterai, konverter
boost, inverter tiga phasa, dan grid.
IV.
a.
b.
PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA
A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi
Fuel cell
- Daya Fuel cell = 6000 W
- Tegangan Fuel Cell = 45 volt
Konverter Boost
1. Induktor = 35 uH
Gambar 12. Kurva Perbandingan antara tegangan – daya
keluaran PEM fuel cell.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
5
Gambar 10. Pemodelan Seluruh Sistem
C. PENGUJIAN ALIRAN DAYA SISTEM
Aliran daya pada sistem sangat penting dalam
menentukan sistem pembangkit sehingga bisa diketahui
pembangkit fuel cell menyuntikkan daya kepada grid dan
beban. Grafik aliran daya pada gambar 13 menunjukkan
bahwasanya sistem pembangkitan fuel cell menyuplai grid
dan beban. Ini terbukti daya keluaran filter (biru) nilai
dayanya merupakan penjumlahan antara nilai daya pada
grid(hijau) dan nilai daya pada beban (merah).
Gambar 14. Hasil Pengujian Seluruh Sistem
Dari tabel diatas, bisa disimpulkan bahwa sistem memiliki
kehandalan tinggi hal ini bisa dilihat dari suplai ke beban,
dengan adanya perubahan beban, pembangkit fuel cell masih
mampu untuk menyuplai beban.
KESIMPULAN
Gambar 13. Grafik Aliran Daya
1.
D. Pengujian
Fuzzy logic controller Pada Sistem
Keseluruhan
Pada tugas akhir ini fuzzy logic controller sebagai
pengatur indeks modulasi dari gate inverter tiga phasa.
Fuzzy logic difungsikan untuk mengatur tegangan beban
yang berubah-ubah, sehingga nantinya dengan adanya
penambahan beban, maka beban tersebut masih bisa
tersuplai oleh sistem pembangkit. Pengujian fuzzy logic
controller kali ini dengan mengubah-ubah daya beban
sehingga bisa diketahui besar daya yang tersalurkan ke
beban , daya inverter, dan grid bisa dilihat pada Gambar
14.
2.
3.
4.
Hasil pengujian PEM fuel cell 6KW menunjukkan
bahwasanya kurva karakteristik perbandingan antara
tegangan(V) dan arus(A), hampir sama dengan
karakteristik V-I PEM fuel cell sebenarnya.
Input PEM fuel cell berpengaruh terhadap daya,tegangan
dan arus keluaran PEM fuel cell yang berpengaruh
terhadap suplai daya ke beban.
Tegangan keluaran boost konverter sebesar 690V mampu
memberikan masukan tegangan inverter tiga phasa
dengan keluaran tegangan 220V/380V.
Penggunaan fuzzy logic controller pada gate inverter
mampu menstabilkan tegangan beban sebesar 220V
dengan pada beban, sehingga beban kehilangan sedikit
daya supply.
UCAPAN TERIMA KASIH
Rasa 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 teman-teman yang telah membantu saya
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
baik secara langsung ataupun tidak langsung. Semoga
kebaikan kalian semua mendapat hal yang baik disisi Allah
SWT.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Rashid, Muhammad H., “Power Electronics :
Circuits, Devices, and Applications”. Englewood
Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 1993
[2] Nehrir, M. H., Wang, C., Shaw,S. R. 2006. Fuel
Cells: Promising Devices for Distributed Generation.
IEEE Power and Energy Magazine, pp:47-53
[3] M. Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S.Alam, P. C Byrne,
A. A. Sakla, T. Thomas. 2004. A Dynamic Model for
a Stand-Alone PEM Fuel Cell Power Plant for
Residential Applications. Science Direct Journal
[4] M.Rizal,” SISTEM KONTROL PV-BATERAI
BERBASIS
FUZZY
LOGIC
UNTUK
PEMBANGKIT TERDISTRIBUSI”, Tugas Akhir,
ITS, Juli 2011
[5] Ahmad yasin S,”DESAIN DAN SIMULASI
KONVERTER
FULL
BRIDGE
UNTUK
MENGATUR TEGANGAN DC LINK PADA
SISTEM
PEMBANGKIT
TERSEBAR
MENGGUNAKAN SEL BAHAN BAKAR”, Tugas
Akhir ITS, Juli 2011
6