Listrik Mikrosaat Kondisi Islanding dengan Penambahan Perangkat

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
Listrik Mikrosaat Kondisi Islanding dengan Penambahan Perangkat
Uninterrupted Power Supply
Rudy Setyabudy, Eko Adhi Setiawan, Hartono BS*), dan Budiyanto
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia\
*
E-mail: [email protected]
Abstrak
Grid tie inverter (GTI) adalah perangkat konverter DC-AC yang berfungsi merubah keluaran daya DC menjadi daya
AC dan dapat bekerja terhubung dengan grid. Pada aplikasi pembangkit surya masukan GTI berasal dari panel surya
dan keluaran GTI dapat dihubungkan dengan beban (beban lokal) dan utiliti grid. Karakter utama GTI adalah hanya
dapat bekerja jika terhubung dengan grid, jika tidak ada tegangan grid maka GTI tidak dapat menghasilkan daya karena
tidak ada referensi tegangan yang dapat menjadi acuan kerja GTI. Sehingga pada saat kondisi islanding sistem jaringan
listrik mikro tidak dapat bekerja karena jika tidak ada acuan daya dari grid perangkat GTI tidak dapat bekerja. Dengan
penambahan perangkat uninterruptible power supply (UPS) pada sistem jaringan listrik mikro dapat memperbaiki
kinerja GTI sehingga pada saat kondisi islanding di mana perangkat GTI masih dapat bekerja, dengan perangkat UPS
sebagai acuan kerja GTI.
Abstract
Electricity ‘Mikrosaat’ during Islanding Conditions with additional UPS (Uninterrupted Power Supply). Grid tie
inverter is a DC-AC converter which serves to change the output of the DC power into AC power and be able to work
connected to the grid. On the application of solar power input from solar panels GTI and GTI outputs can be connected
to the load (load local) and the utility grid. The main character of GTI is can only work if it is connected to the grid, if
there is no grid voltage the GTI can not generate power because there is no reference voltage to be reference work of
GTI. So that when in islanding condition the microgrid systems can not work because if no power reference from grid
the GTI may not work. With the addition of the uninterruptible power supply (UPS) to the microgrid systems can
improve the performance of the GTI so that when islanding condition the GTI can still work, with the UPS as a
reference work of GTI.
Keywords: grid tie inverter (GTI), uninterruptible power supply (UPS), microgrid
Lasseter et al. [2]. Beberapa sistem pembangkit listrik
yang berasal dari beberapa sumber dapat diintegrasikan
menjadi sistem pembangkit listrik hibrid. Lebih lanjut
sistem tersebut dapat dikembangkan menjadi sebuah
sistem pembangkit yang terkontrol yang lebih stabil
dengan
teknologi
microgrid
(jaringan
listrik
mikro/JLM) sehingga dapat terhubung dengan jala-jala.
1. Pendahuluan
Energi terbarukan seperti pembangkit listrik tenaga
surya sangat bervariasi tergantung dari sumber matahari
yang diterima saat itu. Hal ini menimbulkan
permasalahan pada kualitas daya yang dihasilkan,
khususnya jika dihubungkan ke sistem jala-jala, di mana
pembangkit listrik tenaga surya akan dilihat sebagai
beban negatif oleh sistem jala-jala karena memiliki
karateristik yang tidak terkontrol berkaitan dengan
fluktuasi dari sumber energi, Ph. Degobert et al. [1].
Permasalahan ini dapat ditangani dengan menambahkan
sistem pembangkit lain yang lebih terkontrol, seperti,
penambahan sistem penyimpan energi (baterai) atau
membentuk
menjadi
sistem
hibrid
dengan
menambahkan generator diesel atau turbin mikro, R.
Sistem pembangkit JLM bekerja pada tingkat distribusi
tegangan medium dan rendah dan terdiri dari beberapa
sumber energi (sumber mikro/micro source) yang
terdistribusi. Sistem JLM juga memiliki kemampuan
untuk beroperasi terhubung dengan jaringan jala-jala
atau dapat beroperasi terpisah dengan jaringan
(islanding), Xu et al. [3]. Lopes et al. [4], menjelaskan
bahwa pada saat transisi ke kondisi pulau (islanding),
125
126
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
dari beberapa pembangkit yang saling terhubung akan
ada satu pembangkit yang akan menjadi pembangkit
utama dan menjadi acuan untuk pembangkit yang lain.
Pada saat kondisi islanding, stabilitas operasi JLM
sangat ditentukan oleh aplikasi sistem manajemen
energi (SME) dalam mengatur operasi dari setiap
sumber mikro (microsource). Manajemen operasi JLM
yang dikontrol oleh aplikasi SME antara lain mencakup
penentuan operasi pembangkit dan pembagian daya
(power sharing) antar pembangkit. Pada JLM, kapasitas
pembangkit dari setiap sumber mikro relatif sama,
ketidak tepatan dalam penentuan operasi pembangkit
dalam hal pembagian daya akan berakibat pada ketidak
stabilan. Hal ini dikarenakan pada saat pembangkit
utama sebagai penstabil jaringan tidak memiliki cukup
sumber energi untuk melayani beban maka akan mudah
terjadi perubahan tegangan ataupun frekuensi, yang
akan diikuti oleh pembangkit lain. Barklund et al. [5]
mengembangkan metode untuk menentukan pembangkit
utama berdasarkan tingkat stabilitas dari pembangkit
tersebut berdasarkan analisis koefisian droopnya. Pada
saat pembangkit utama mengalami penurunan tingkat
stabilitas maka pembangkit lain dengan tingkat stabilitas
lebih tinggi akan menjadi pembangkit utama.
Grid tie inverter (GTI) adalah perangkat konverter
tegangan DC ke tegangan AC yang banyak digunakan
dalam aplikasi pembangkit listrik tenaga surya (PLTS).
Pada sistem PLTS GTI akan mensuplai daya yang
dihasilkan ke beban, jika terjadi kelebihan beban maka
daya yang dihasilkan akan disalurkan ke jaringan. Jika
daya yang dimiliki kurang untuk mensuplai ke beban
maka jaringan akan ikut mensuplai daya ke beban.
Untuk itu GTI akan bekerja jika terhubung dengan
jaringan listrik, jika jaringan listrik yang mati maka GTI
akan berhenti bekerja.
Perangkat Uninterruptible Power Supply (UPS)
berfungsi untuk mensuplai daya AC ke beban secara
terus menerus dan tanpa terputus, meskipun terputus
suplai listrik dari jaringan. Karakteristik UPS ideal
adalah mampu memberikan tegangan keluaran yang
tetap meskipun terjadi perubahan tegangan masukan
ataupun nilai beban serta memiliki nilai THD yang
rendah.
Melihat karakteristik UPS tersebut maka ada peluang
untuk meningkatkan kinerja GTI untuk tetap dapat
bekerja meskipun tidak ada suplai dari jaringan.
2. Metode Penelitian
Uninterruptible Power Supply (UPS). Stoyan dan Ali
[6], mengklasifikasikan UPS menjadi 3 yaitu: UPS
statis, UPS rotari, dan hibrid UPS statis dan rotari.
(a) on line ups
(b) off line UPS
(c) line interactive UPS
Gambar 1. Konfigurasi beberapa Tipe UPS Statis
UPS statis dibangun menggunakan teknologi power
elektronik berbasis rangkaian DC-AC konverter. UPS
statis dapat dibagi lagi menjadi on line UPS, off line
UPS dan line-interactive UPS. Pada on line UPS,
digunakan untuk perangkat yang sangat sensitif
terhadap fluktuasi perubahan daya. Off line UPS
memiliki fungsi dasar UPS, yaitu menghasilkan daya
listrik saat sumber utama/PLN mati. Line interactive
UPS merupakan pengembangan dari off line UPS
dengan ditambahkan kemampuan mengadaptasi
terhadap perubahan tegangan. Sementara UPS rotari
menggunakan mesin listrik baik mesin DC maupun
mesin AC. Sementara sistem hibrid statis dan rotari
merupakan gabungan antara statis dan rotari. Diagram
rangkaian UPS terlihat seperti pada Gambar 2.
Model dinamik dari rangkaian equivalen UPS Gambar
3. Menurut Deng, et al. [7] adalah sebagai berikut,
(1)
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
Dimana,
adalah vektor keadaan dan ratarata tegangan keluaran jembatan inverter U(t) dan arus
beban Io(t) dianggap sebagai sistem masukan, sehingga
,
(2)
Karena kontroler harus dapat diimplementasikan dengan
digital kontroler maka Pers. (3) dapat didiskritkan
menjadi,
(3)
Dimana,
. dan To adalah
sampling dan I merupakan matrik identitas.
periode
Deng, et al .[7] dan Ghazanfar, et al. [8], menjelaskan
beberapa model kontrol dari inverter UPS satu fasa
antara lain; model based instantaneous feedback
controllers, feedforward learning controllers (FLC),
dan non-linear controllers. UPS dengan model based
instantaneous feedback controllers banyak digunakan di
industri. Sistem ini menggunakan teknik balikan
(feedback) dari beberapa parameter yang berubah
seperti tegangan, arus beban dan lain-lain, untuk
meningkatkan stabilitas UPS. Pada UPS dengan sistem
kontrol FLC memiliki kemampuan untuk mencapai
kondisi tunak dengan cara mengukur kondisi tegangan
keluaran dan mengkombinasikan dengan kontroler yang
memiliki respon cepat. Penggunaan non-linear
controllers pada aplikasi UPS hal ini disebabkan
kontroler tipe ini lebih handal/roubast terhadap variasi
parameter dan gangguan. Beberapa kontroler yang
digunakan sebagai kontrol UPS antara lain, Slidingmode controllers (SMC), Adaptive controller, dan
Neural Network (NN) controller.
127
Grid Tie Inverter (GTI). Inverter pada sistem
pembangkit listrik dapat dikelompokkan menjadi
inverter untuk sistem mandiri dan inverter untuk sistem
yang terhubung dengan grid. Pada sistem mandiri (off
grid), inverter tidak terhubung dengan jaringan. Daya
listrik yang dihasilkan hanya dikonsumsi untuk beban
lokal saja. Artinya daya listrik yang dihasilkan oleh PV
tidak semuanya dikonversi ke listrik akan tetapi hanya
sebagian sesuai dengan kebutuhan beban. GTI adalah
inverter yang bekerja dengan terhubung ke jaringan (on
grid). Daya yang dihasilkan oleh PV seluruhnya diubah
ke listrik, sebagian dikonsumsi oleh beban lokal sisanya
disalurkan ke jaringan. Akan tetapi pada GTI jika tidak
ada sumber dari jaringan maka tidak dapat bekerja. Blok
diagram dari sebuah GTI seperti terlihat pada Gambar 5,
Chien, et al. [9].
Saghaleini, et al.[10], menjelaskan beberapa topologi
konverter DC-AC dari GTI inverter antara lain Zeta-cuk
based inverter, Full-bridge buck-boost inverter, Sideby-side boost converters dan Z-source boost inverter.
Pada topologi Zeta-cuk based inverter digunakan 4 buah
saklar elektronik membentuk konfigurasi konverter
buck boost. Sementara pada topologi Full-bridge buckboost inverter 2 buah saklar bekerja pada frekuensi
tinggi dan 2 saklar sisanya bekerja pada frekuensi
rendah. Pada topologi Side-by-side boost converters
digunakan dua buah konverter boost dan keseluruhan
saklar elektronik yang digunakan bekerja pada frekuensi
tinggi. Aplikasi konverter Z-source digunakan pada GTI
dengan topologi dan Z-source boost inverter.
Gambar 4. Sliding-Mode Controllers (SMC)
Gambar 2. Diagram Rangkaian UPS
Gambar 3. Rangkaian Equivalen UPS
Gambar 5. (a) Konfigurasi GTI, (b) Blok Diagram dari
Model GTI
128
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
grid maka masing-masing GTI akan berhenti bekerja
karena tidak ada paramater operasi yang menjadi acuan,
seperti tegangan, frekuensi dan fasa.
Pada saat kondisi islanding atau off grid, tidak ada daya
listrik dari jaringan, maka harus ada satu pembangkit
ang bertindak sebagai acuan operasi bagi pembangkit
lain. Rangkaian equivalen dari pembangkit terdistribusi
pada saat kondisi islanding, menurut Josep, et al. [12]
seperti terlihat pada Gambar 8.
Pada rangkaian di atas sebuah inverter sebagai sumber
tegangan berfungsi sebagai master sementara inverter
lain sebagai sumber arus. Pada mode operasi ini setiap
sumber arus yang berupa GTI harus dapat diatur besaran
daya yang akan dikirimkan ke jaringan. Sementara
karakteristik GTI adalah akan mengirimkan daya
sebesar daya yang ada di sumber. Untuk itu perlu
dilakukan mekanisme kontrol operasi dari pembangkit
terdistribusi pada kondisi islanding. Ada beberapa
konfigurasi kontrol yang dapat digunakan antara lain,
kontrol terpusat, master slave, average load sharing
(ALS), circular chain control (3C), Josep, et al. [12].
Gambar 6. (a) Zeta-Cuk based Inverter, (b) Full-bridge
buck-boost Inverter, (c) Side-by-side Boost
Converters, dan (d) Z-source Boost Inverter
Pembangkit Listrik Terdistribusi. Pada jaringan
listrik mikro tiap-tiap sumber energi, baik dari sel surya,
angin maupun sumber energi lain semuanya dikonversi
ke energi listrik menggunakan rangkaian konverter daya
yang sesuai membentuk jaringan pembangkit listrik
terdistribusi. Keluaran dari masing-masing rangkaian
saling terhubung secara paralel guna mensuplai beban
secara bersama. Keluaran dari masing−masing
pembangkit terdistribusi berupa rangkaian konverter
daya inverter. Konfigurasi inverter jaringan listrik
terdistribusi, Chien, et al. [11].
Inverter pada rangkaian di atas dapat berupa inverter
GTI. Masing-masing GTI akan mensuplai daya sesuai
dengan yang dimiliki ke beban jika terjadi kelebihan
akan disalurkan ke jarungan/grid. Permasalahan
rangkaian di atas adalah pada saat tidak ada daya dari
Gambar 7. Konfigurasi Jaringan Listrik Terdistribusi
Gambar 8. Rangkaian Equivalen Pembangkit Terdistribusi
Gambar 9. Rangkaian Equivalen Paralel Inverter
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
Analisis rangkaian paralel inverter sesuai rangkaian
equivalen Gambar 9.adalah sebagai berikut:
dengan
Besarnya arus aktif dan arus reaktif dari rangkaian
adalah sebagai berikut:
Dari persamaan di atas maka terlihat bahwa pengaturan
daya aktif dan reaktif dapat dilakukan dengan
melakukan pengaturan sudut fasa atau besarnya
tegangan.
Arus balik. Hal yang harus diwaspadai pada saat
menhubungkan inverter secara paralel pada jaringan
listrik mikro adalah adanya arus balik dari satu inverter
masuk ke inverter yang lain. Hal ini dapat disebabkan
karena satu inverter memberikan daya yang lebih besar
sementara inverter yang lain memiliki beban yang
rendah. Arus balik dapat mengakibatkan kerusakan pada
sambungan DC (DC link), Josep, et al. [12].
129
3. Hasil dan Pembahasan
Pengujian paralel UPS dan GTI. Pada pengujian ini
ditujukan untuk memparalelkan operasi UPS dengan
GTI di mana UPS akan berfungsi sebagai referensi
operasi GTI, baik tegangan, frekuensi dan fasanya.
Pengukuran dimulai dengan melakukan karakterisasi
UPS, baik pada saat terhubung dengan jaringan/grid
maupun tidak. Tujuan dari pengukuran ini adalah untuk
melihat kemungkinan UPS sebagai referensi operasi
GTI, saat diparalel dengan UPS, sehingga GTI masih
dapat beroperasi meskipun daya dari jaringan tidak ada,
kondisi isolated. UPS yang digunakan memiliki daya
1000 W dan merupakan off line UPS. Sementara GTI
yang digunakan memiliki daya 500 W.
Rangkaian pengujian yang digunakan seperti terlihat
pada Gambar 12. Pada pengujian paralel UPS-GTI
dengan UPS terhubung ke PLN diperoleh hasilseperti
terlihat pada Gambar 13, terlihat saat GTI terhubung ke
rangkaian UPS maka daya yang disuplai oleh UPS,
sebesar 75 W berkurang menjadi 55 W, hal ini
dikarenakan GTI ikut mensuplai ke beban. Pada saat
UPS terhubung ke jaringan bentuk keluaran tegangan
UPS masih sinus sesuai dengan tegangan keluaran
jaringan/PLN. Dari tampilan arus terlihat pengaruh
pensaklaran pada setiap perubahan polaritas tegangan
keluaran, terlihat terjadi lonjakan-lonjakan arus.
Hasil pengujian paralel UPS–GTI dengan tidak
terhubung jaringan diperoleh hasil, daya yang disuplai
UPS berkurang dengan masuknya suplai daya dari GTI.
Gambar 11. Kegiatan Pengujian Paralel UPS-GTI
AC
A
BAT
A
V
UPS
V
INVERTER
GTI
A
Gambar 10. Arus Balik pada Paralel Inverter
V
A
V
Gambar 12. Gambar
Rangkaian
Pengujian
UPS
Terhubung/Tanpa PLN Paralel dengan GTI
130
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
sementara saat tidak terhubung harmonisa berasal dari
UPS dan GTI. Tegangan keluaran saat terhubung
dengan jaringan masih berbentuk sinusoidal mengikuti
tegangan jaringan. Sementara pada saat terlepas dari
jaringan UPS menghasilkan bentuk tegangan modifikasi
gelombang sinus (kotak).
4. Simpulan
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 13. Paralel UPS-GTI dengan Grid (a) Daya UPS
tanpa GTI (b) Daya UPS Terhubung dengan
GTI (c) Harmonisa Paralel UPS-GTI (d)
Keluaran Tegangan Paralel UPS-GTI
Dari hasil pengujian ini setidaknya dapat diambil
simpulan bahwa sebuah UPS dapat dioperasikan secara
paralel dengan GTI sehingga memungkinkan GTI tetap
dapat beroperasi, meskipun tidak ada sumber dari PLN,
dengan parameter sinkronisasi seperti, frekuensi,
tegangan dan fasa mengacu pada UPS. Hal yang harus
diperhatikan dalam mengoperasikan GTI dengan UPS
adalah pengaturan sumber energi masukan GTI, yang
berasal dari sel surya, tidak melebihi kebutuhan daya
yang diperlukan beban sehingga tidak terjadi arus balik
masuk ke UPS yang dapat berakibat kerusakan pada
UPS. Diperlukan sistem kontrol yang dapat mengatur
pembagian daya yang akan disalurkan oleh masingmasing GTI, jika lebih dari 1 GTI, ataupun UPS jika
akan mensimulasikan kondisi isolated sistem jaringan
listrik mikro. Keterbatasan alat ukur dan sumber listrik
DC yang dapat mensimulasikan kondisi PV yang dapat
diatur menjadi kendala dalam mengeksplor lebih dalam
lagi pengujian paralel UPS dengan GTI.
Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dibiayai menggunakan dana Hibah Riset
Madya UI Tahun 2012, DRPM/R/212/RM-UI/2012
dengan topik penelitian tentang Energi.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 14. Paralel UPS-GTI Tanpa Grid (a) Daya UPS
Tanpa GTI (b) Daya UPS Terhubung dengan
GTI (c) Harmonisa Paralel UPS-GTI (d)
Keluaran Tegangan Paralel UPS-GTI
Besaran nilai THD saat rangkaian terhubung dengan
jaringan sebesar 59,7% masih lebih kecil dibandingkan
saat tidak terhubung dengan jaringan yaitu sebesar
75,1% hal ini dikarenakan saat terhubung dengan
jaringan sumbangan harmonisa hanya berasal dari GTI
Daftar Acuan
[1] Ph. Degobert, S. Kreuawan, X. Guillaud,
ICREPQ’06,
International
Conference
on
Renewable Energy and Power Quality, Palma de
Mallorca, Spain, 2006.
[2] R. Lasseter, A. Akhil, C. Marnay, J. Stephens, J.
Dagle, R. Guttromson, A.S. Meliopoulous, R.
Yinger, J. Eto, The CERTS MicroGrid Review,
USA, 2002, p.27.
[3] W. Xu, K. Mauch, S. Martel, An Assessment of
Distributed Generation Islanding Detection
Methods and Issues for Canada, CETC-Varennes
2004-074 (TR) 411-INVERT, 2004, p.53.
[4] J.A.P. Lopes, C.L. Moreira, A.G. Madureira, IEEE
Transactions on Power Systems, 21/2 (2006) 916.
[5] E. Barklund, N. Pogaku, M. Prodanovic, C.
Hernandez-Aramburo,
T.C.
Green,
IEEE
Transactions On Power Electronics, 23/5 (2008)
2346.
[6] S.B. Bekiarov, A. Emadi, Applied Power
Electronics
Conference
and
Exposition,
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 125-131
Seventeenth Annual IEEE Transactions On Power
Electronics 1 (2002) 597.
[7] H. Deng, R. Oruganti, D. Srinivasan, Modeling and
Control of Single-Phase UPS Inverters: A Survey”,
International Conference on Power Electronics and
Drives Systems, IEEE PEDS 2 (2005) 848.
[8] G. Shahgholian, J. Faiz, P. Shafaghi, Second
International Conference on Computer and
Electrical Engineering, IEEE, 2009. DOI 10.1109/
ICCEE.2009.99
[9] C.L. Chen, J.-S. Lai, D. Martin, K.-H. Wu, P.
Ribeiro, E. Andrade, C. Liu, Y.-S. Lee, Z.-Y.
Yang, Applied Power Electronics Conference and
131
Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual
IEEE, Orlando, Florida, 2012, p.1494.
[10] M. Saghaleini, A.K. Kaviani, B. Hadley, B.
Mirafzal, 10th International Conference on
Environment and Electrical Engineering (EEEIC),
Roma, 2011, p.1.
[11] C.-L. Chen, Y. Wang, J.-S. Lai, Y.-S. Lee, D.
Martin, IEEE Transactions on Power Electronics,
25/1 (2010) 6.
[12] J.M. Guerrero, L. Hang, J. Uceda, IEEE
Transactions on Industrial Electronics, 55/8 (2008)
2845.