studi pemodelan electronic load controller sebagai alat pengatur

STUDI PEMODELAN ELECTRONIC LOAD CONTROLLER SEBAGAI
ALAT PENGATUR BEBAN
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HIDRO
Anggi Muhammad Sabri Saragih
13204200 / Teknik Tenaga Elektrik
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
Institut Teknologi Bandung
email : [email protected]
Abstract - Electronic Load Controller adalah salah satu alat
yang dapat menjaga agar arus, frekuensi, dan tegangan pada
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro agar tetap dalam
keadaan nominal walaupun beban konsumen berubah-ubah.
Electronic Load Controller biasa digunakan pada Pembangkit
Listrik Tenga Mikro-Hidro karena harganya yang lebih
terjangkau dari pada alat proteksi lainnya. Pada tugas akhir
ini, dilakukan pemodelan Electronic Load Controller
sederhana dan disimulasikan pada saat terjadi perubahan
beban konsumen. Dapat ditunjukkan bahwa saat beban
konsumen berubah atau terputus dari jaringan, PLTMH tetap
bekerja dalam keadaan nominal.
Kata kunci : Electronic Load Controller, Pembangkit Listrik
Tenaga Mikro-Hidro, Keadaan nominal
diakibatkan adanya gangguan hubung tanah maupun yang
diakibatkan beban yang melebihi kapasitas nominal generator
(overload).
II. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HIDRO
PLTMH mengubah energi air menjadi energi listrik.
Awalnya potensi energi air diubah menjadi energi mekanik
dalam turbin air. Kemudian turbin air tersebut memutar
generator sehingga mampu dihasilkan energi listrik.
Gambar 1 menunjukkan secara skematis bagaimana potensi
energi air, yaitu sejumlah air yang terletak pada ketinggian
tertentu diubah menjadi energi mekanik dalam turbin air dan
kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.
I. PENDAHULUAN
Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH),
perubahan beban akan berakibat langsung pada generator. Jika
torsi turbin tidak diubah saat terjadi perubahan beban, maka
frekuensi dan tegangan listrik yang dihasilkan akan berubah
yang dapat mengakibatkan kerusakan baik di generator
maupun di sisi beban. Karena itu, diperlukan suatu sistem
proteksi yang dapat mencegah kerusakan ini terjadi.
Untuk melakukan proteksi pada PLTMH, ada beberapa cara
yang dapat dilakukan seperti menggunakan governor,
mengubah jumlah aliran air yang masuk ke turbin atau dengan
menggunakan Electronic Load Controller. Electronic Load
Controller memiliki kelebihan respon yang cepat dan nilai
ekonomis yang lebih murah dibandingkan alat proteksi lainnya.
Electronic Load Controller (ELC) adalah suatu alat kendali
yang dipasang pada generator sehingga jika terjadi perubahan
beban maka generator akan melihat seolah-olah beban tidak
mengalami perubahan sehingga generator tetap dapat bekerja
pada kondisi normal. Selain itu, ELC juga berfungsi untuk
melindungi generator dari masalah arus lebih baik yang
Gambar 1. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Air
Generator yang umum digunakan adalah generator sinkron.
Generator sinkron mendapat energi dari turbin air. Energi
mekanik dari turbin air ini diubah menjadi energi listrik oleh
generator sinkron. Tidak seluruh energi mekanik ini dapat
diubah oleh generator sinkron menjadi energi listrik. Perbedaan
antara daya input dan daya output ini disebut rugi-rugi.
Persamaan akhir dari daya yang dihasilkan adalah
3
cos
3 Φ 2
cos
1
Pada persamaan 1, tampak bahwa arus yang dihasilkan oleh
generator berpengaruh pada besar daya yang dihasilkan. Jika
terjadi perubahaan arus yang dihasilkan generator dan daya
turbin tidak diubah maka akan mengubah nilai frekuensi yang
dihasilkan. Perubahan frekuensi akan berakibat pada perubahan
tegangan yang dihasilkan generator.
Untuk mencegah perubahan frekuensi dan tegangan
generator ini, maka ada beberapa cara yang dapat dilakukan.
Diantaranya adalah dengan mengubah daya turbin yaitu
(mengubah Pconv) atau mengubah besar tegangan EA (KФω).
Perubahan frekuensi yang dihasilkan terhadap perubahan
arus generator yang dihasilkan dapat diturunkan dari
persamaan 1.
2
6 Φ cos
konsumen dan beban komplemen. Dengan menggunakan ELC
maka PLTMH akan tetap bekerja pada keadaan nominal
walaupun beban konsumen berubah-ubah.
Gambar 2 Prinsip kerja ELC 1 fasa
Untuk mengatur besar arus yang mengalir ke beban
komplemen, kita bisa menggunakan kaidah pembagi arus.
Dengan menganggap beban konsumen paralel dengan beban
komplemen, maka dengan mengatur besar beban komplemen
kita dapat mengatur besar arus yang mengalir ke beban
konsumen.
Jika sisi armature generator sinkron tidak mengalami
perubahan dan daya turbin tidak diubah, maka
6
6
′
′
3
Tampak pada persamaan 3 bahwa perubahan arus listrik
yang dihasilkan generator berbanding terbalik dengan
perubahan frekuensi listrik. Perubahan frekuensi akan
mengakibatkan perubahan nilai EA, yang nantinya akan
mengakibatkan perubahan besar tegangan yang dihasilkan.
Jadi, perubahan arus akan mengakibatkan perubahan frekuensi
listrik dan juga perubahan tegangan listrik yang dihasilkan
generator.
III. PERANCANGAN ELECTRONIC LOAD
CONTROLLER
A. Prinsip Kerja
Electronic Load Controller (ELC) adalah suatu alat yang
dipasang pada PLTMH yang berfungsi untuk menjaga agar
frekuensi dan tegangan yang dihasilkan PLTMH tetap konstan
walaupun beban berubah-ubah. ELC memiliki fungsi yang
sama dengan governor dan umumnya dipasang pada
pembangkit listrik berskala kecil. Hal ini karena harga ELC
yang lebih terjangkau dari pada governor.
ELC dipasang di antara PLTMH dan beban konsumen.
Dengan menggunakan beban komplemen, ELC akan membagi
arus yang dihasilkan dari PLTMH ke kedua beban yaitu beban
Gambar 3 Beban konsumen paralel beban komplemen
4
Untuk menghasilkan ELC 3 fasa dapat diperoleh dengan
menggabungkan tiga buah ELC 1 fasa. Dengan memasang
ELC pada setiap fasanya, maka kumpulan dari ELC tersebut
adalah ELC 3 fasa. ELC 3 fasa akan membuat beban yang
dilihat PLTMH tetap seimbang walaupun beban konsumen tiap
fasa berubah-ubah.
Gambar 4 Skema ELC 3 fasa
B. Perancangan ELC 1 Fasa
Seperti yang telah diutarakan sebelumnya, inti dari ELC
adalah pada pengaturan besar impedansi beban komplemen.
Salah satu metode pengaturan besar impedansi beban
komplemen adalah dengan menggunakan metode perbandingan
antara arus konsumen dengan suatu besaran referensi.
Besar arus yang masuk ke beban konsumen akan disampling
kemudian dibandingkan dengan suatu besaran referensi. Hasil
dari perbandingan ini berupa sinyal 0 atau 1 yang akan
menentukan apakah saklar ELC akan berada dalam kondisi
terbuka atau tertutup. Saklar ini adalah penghubung antara titik
percabangan arus dengan beban komplemen. Alasan
penggunaan saklar seperti ini adalah karena beban komplemen
terdiri dari resistor yang besarnya konstan. Sehingga untuk
mengatur besar beban komplemen dapat dilakukan dengan
mengatur berapa banyak resistor pada beban komplemen yang
harus dialiri arus komplemen.
penyearahan akan dibandingkan dengan sinyal referensi
pada komparator DC. Jika sinyal hasil sampling lebih
tinggi dari pada referensi maka komparator
mengeluarkan nilai 1 yang artinya saklar dalam kondisi
tertutup. Dan sebaliknya, jika sinyal referensi lebih tinggi
dari pada hasil sampling maka komparator akan
mengeluarkan nilai 0 yang artinya saklar dalam keadaan
terbuka. Rangkaian kendali terdiri dari penyearah,
komparator, dan tegangan referensi.
•
Saklar Statis
Saklar statis adalah saklar penghubung antara beban
komplemen dengan beban konsumen. Saklar ini yang
menentukan apakah beban komplemen yang terhubung
dengan saklar akan dialiri arus komplemen atau tidak.
Input saklar statis adalah sinyal yang berasal dari
komparator. Jika input bernilai 1 maka saklar akan “on”
dan jika input bernilai 0 maka saklar akan “off”.
•
Gambar 5 Skema lengkap ELC 1 fasa
•
Sensor Arus
Sensor arus yang digunakan memanfaatkan hukum Faraday
dan hukum Ampere. Sensor arus akan men-sampling arus yang
mengalir ke beban konsumen dan mengalirkannya ke
rangkaian ELC lainnya. Nantinya arus hasil sampling ini akan
menetukan besar arus yang mengalir ke rangkaian beban
komplemen.
•
Rangkaian Kendali
Rangkaian kendali berfungsi untuk mengatur saklar
agar terbuka atau tertutup. Nilai 1 adalah untuk
memerintahkan saklar tertutup dan 0 untuk terbuka.
Adapun input dari rangkaian kendali ini adalah arus
sampling dari arus konsumen.
Arus konsumen yang telah disampling kemudian
disearahkan oleh penyearah jembatan dioda. Sinyal hasil
Beban Komplemen
Beban komplemen adalah beban yang nantinya
berguna untuk menyeimbangkan besar arus yang
dihasilkan oleh PLTMH. Besar beban komplemen yang
dialiri arus komplemen bergantung pada besar arus
sampling. Beban komplemen terdiri dari sejumlah
resistor yang terhubung paralel.
Karena resistor yang digunakan sebagai beban
komplemen bernilai statis sedangkan dibutuhkan nilai
yang bervariasi sesuai dengan perubahan arus sampling,
maka untuk mengatasi masalah tersebut disiasati dengan
menggunakan beban komplemen dalam jumlah yang
cukup banyak. Saat arus sampling bernilai kecil, maka
jumlah resistor yang terhubung ke rangkaian lebih
banyak dari pada saat arus sampling kecil.
Adapun besar dan jumlah resistor yang digunakan
bergantung pada seberapa besar sensitifitas yang
diinginkan. Semakin banyak resistor yang digunakan
maka semakin sensitif rangkaian ELC yang dihasilkan.
Jika PLTMH menghasilkan daya sebesar P watt dan
diinginkan ELC dengan tingkat sensitifitas Q watt, maka
jumlah resistor dan besar tiap resistor yang digunakan
adalah
5
IV. PEMODELAN DAN SIMULASI ELC
6
•
Circuit Breaker
Circuit breaker adalah komponen yang berperan dalam
proteksi untuk arus lebih. Jika arus lebih mengalir dalam
jaringan, maka circuit breaker akan memutuskan hubungan
antara PLTMH dengan beban konsumen. Oleh karena itu,
sensor arus akan mendeteksi bahwa tidak ada arus yang
mengalir ke konsumen. Sehingga ELC akan memerintahkan
agar seluruh arus generator dialirkan ke beban komplemen.
Pemodelan akan dilakukan pada PLTMH 3 fasa 30kW.
Sehingga daya ELC pada tiap fasa adalah 10 kW. Tingkat
sensitifitas yang digunakan adalah 250 W pada tegangan kerja
220 V. Tingkat toleransi yang diberikan adalah 48 Hz – 52 Hz
pada frekuensi tegangan dan 200 V – 240 V pada tegangan
kerja.
Dengan demikian, PLTMH akan bekerja pada variabel
berikut ini.
220
10000
45.45
220
220
4.84 Ω
10000
C. Langkah Dalam Perancangan ELC
Dari penjelasan yang telah diutarakan di atas, secara lengkap
langkah-langkah yang dilakukan dalam merancang ELC adalah
sebagai berikut.
A. Komponen Pemodelan ELC 3 Fasa 30 kW
• Beban Konsumen
ELC yang dimodelkan adalah ELC 30 kW 3 fasa dengan
tingkat sensitifitas 250 W. Artinya tiap perubahan beban
konsumen sebesar 250 W maka ELC akan menyalakan /
mematikan 1 resistor pada beban komplemen.
•
Beban Komplemen
Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya, bahwa ELC
yang dimodelkan akan menggunakan tingkat sensitifitas 250
W. Artinya ELC akan mengkompensasi tiap 250 W perubahan
beban konsumen. Untuk mencari berapa banyak resistor yang
digunakan dan jumlah resistansi tiap resistor dapat
menggunakan persamaan 5 dan persamaan 6.
10000
40
250
220
193.6 Ω
250
Jadi banyak resistor yang harus digunakan pada beban
komplemen adalah sebanyak 40 buah dengan besar resistansi
yang tersusun parallel dengan nilai tiap resistor adalah 193.6 Ω.
•
Gambar 6 Diagram flow perancangan ELC
Sensor Arus
Sensor yang digunakan sebagai kendali pada ELC ini adalah
sensor arus. Sensor arus yang terdapat pada simulator
menghasilkan arus sebesar perbandingan yang diinginkan.
Pada tugas akhir ini, sensor arus yang digunakan menggunakan
perbandingan 1:1. Artinya besar arus yang mengalir pada
beban konsumen akan disampling dan dialirkan ke rangkaian
kendali tepat sebesar arus yang mengalir ke beban konsumen
(1:1). Pada simulator yang digunakan (PSIM version 6.0),
sensor arus hanya memiliki satu cabang pada titik outputnya.
•
Penyearah
Penyearah yang digunakan dalam percobaan ini adalah
menggunakan penyearah setengah gelombang. Hal ini
dilakukan karena simulator yang digunakan hanya dapat
menggunakan penyearah setengah gelombang. Hal ini karena
pada simulator yang digunakan yaitu PSIM version 6.0, sensor
arus hanya memiliki satu output. Sehingga jika dihubungkan
dengan penyearah, maka salah satu input penyearah adalah
output dari simulator sedangkan input penyearah yang lain
ditanahkan. Tegangan output yang dihasilkan nilainya akan
mendekati nilai tegangan puncak dari tegangan input
penyearah. Hal ini karena nilai pada filter penyearah nilai
, sehingga
.
•
Referensi
Seperti yang telah diutarakan sebelumnya, tegangan
referensi yang digunakan adalah tegangan DC. Karena terdapat
40 resistor pada beban komplemen, maka terdapat juga 40
tegangan referensi pada ELC yang dirancang.
Pada ELC yang dirancang, besar arus generator adalah 45.45
A. sehingga besar tegangan sampling yang dihasilkan adalah
sebagai berikut.
45.45
√2
64.28
Karena besar tegangan referensi harus lebih besar sedikit
dari pada besar tegangan sampling DC maka dipilih nilai
tegangan 64.50 V sebagai besar tegangan referensi. Lalu besar
tegangan referensi tersebut dibagi dalam 39 tegangan referensi
dengan menserikan 39 resistor.
Khusus untuk satu tegangan referensi saat arus komplemen
sangat kecil, maka digunakan tegangan referensi tersendiri.
Sehingga bila tegangan sampling dinilai terlalu kecil, maka
ELC akan menganggap bahwa telah terjadi gangguan sehingga
seluruh arus dari generator akan dialirkan ke ELC.
Untuk alasan proteksi arus lebih, maka jika arus referensi
dinilai terlalu besar maka circuit breaker akan memutuskan
hubungan antara generator dengan beban konsumen. Kemudian
ELC akan memerintahkan agar seluruh arus dari generator
dialirkan ke ELC. Sehingga ada satu tegangan referensi lagi
yang tersendiri untuk menjaga hal ini. Oleh karena itu,
tegangan referensi yang digunakan adalah sebanyak 41 unit
dengan spesifikasi 39 unit untuk keadaan normal, 1 unit untuk
mengatasi masalah arus yang terlalu kecil pada beban
konsumen dan 1 unit untuk mengatasi masalah arus lebih pada
beban konsumen.
Tegangan referensi yang digunakan untuk proteksi arus lebih
adalah 10 mV dan untuk proteksi arus konsumen terlalu kecil
sebesar 1 V.
•
Circuit Breaker
Variabel circuit breaker yang perlu ditentukan adalah pada
besar arus yang memerintahkan agar circuit breaker putus.
Sebelumnya telah diutarakan bahwa besar arus nominal dari
generator adalah 45.45 A. Toleransi arus maksimal yang dapat
dihasilkan oleh PLTMH dipilih sebesar 46 A. Sehingga jika
arus yang dihasilkan PLTMH lebih besar dari pada 46 A maka
circuit breaker akan langsung memutuskan hubungan antara
PLTMH dengan konsumen. Sehingga seluruh arus dari
generator akan dialirkan ke beban komplemen oleh ELC.
Untuk memperkirakan apakah pada saat PLTMH
menghasilkan arus 46 A, frekuensi masih dalah toleransi atau
tidak, maka dapat digunakan persamaan 3.
45.45
50
46
49.40
•
Rangkaian Akhir
Dari seluruh komponen di atas, maka diperoleh rangkaian
ELC dengan skema sebagai berikut.
Gambar 8 Rangkaian akhir dari ELC
B. Simulasi Beban Konsumen Meningkat
Simulasi dilakukan dengan kenaikan beban konsumen tiap
250 W dan kelipatannya pada saat beban konsumen 100 W.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa terdapat perbedaan antara
hasil perhitungan dengan hasil simulasi yang dilakukan.
Menurut hasil perhitungan, seharusnya arus yang dihasilkan
generator tidak berbeda sebelum terjadi perubahan beban
konsumen dengan setelah terjadi perubahan beban konsumen.
Namun, pada simulasi tampak bahwa terjadi perubahan besar
arus yang dihasilkan generator saat telah terjadi perubahan
beban konsumen.
Perbedaan ini disebabkan oleh besar arus komplemen tidak
sesuai dengan yang seharusnya. Hal ini mengakibatkan arus
generator yang merupakan jumlah dari beban konsumen dan
beban komplemen menjadi tidak sesuai dengan yang
diinginkan. Hal ini juga mengakibatkan besar frekuensi yang
dihasilkan juga tidak sesuai dengan yang diinginkan.
Gambar 7 Grafik perubahan frekuensi terhadap kenaikan daya konsumen
Dari gambar 7 terlihat bahwa kenaikan beban konsumen
mengakibatkan kenaikan frekuensi. Perubahan frekuensi mulai
dari 50.76 Hz pada titik 100 W dan 48.56 Hz pada titik 9850
W. Perubahan frekuensi ini masih dalam toleransi (48 Hz – 52
Hz). Oleh karena itu, simulasi dikatakan cukup berhasil saat
beban konsumen mengalami peningkatan.
(a)
(b)
Gambar 8 Perubahan arus saat terjadi kenaikan beban konsumen: (a) Arus
konsumen (merah) dan arus komplemen (biru) ; (b) Arus generator
Pada gambar 8 (b), tampak bahwa kenaikan beban
konsumen dapat ditanggapi dengan cepat oleh ELC sehingga
arus generator cepat kembali ke keadaan nominal. Hal ini
karena proses yang dilakukan ELC khususnya pada penyearah
dilakukan dengan cepat. Proses pengisian muatan pada
kapasitor filter berlangsung dengan cepat sehingga
menyebabkan respon ELC cepat.
C. Simulasi Beban Konsumen Menurun
Simulasi dilakukan dengan penurunan beban konsumen tiap
250 W dan kelipatannya pada saat beban konsumen 9900 W.
Seperti pada percobaan kenaikan beban konsumen, hasil
percobaan pada penurunan beban konsumen berbeda antara
hasil perhitungan dengan hasil simulasi. Seharusnya arus yang
dihasilkan generator tidak berbeda sebelum terjadi perubahan
beban konsumen dengan setelah terjadi perubahan beban
konsumen. Namun, pada simulasi tampak bahwa terjadi
perubahan besar arus yang dihasilkan generator saat telah
terjadi perubahan beban konsumen.
Perbedaan ini disebabkan oleh besar arus komplemen tidak
sesuai dengan yang seharusnya. Hal ini mengakibatkan arus
generator yang merupakan jumlah dari beban konsumen dan
beban komplemen menjadi tidak sesuai dengan yang
diinginkan. Hal ini juga mengakibatkan besar frekuensi yang
dihasilkan juga tidak sesuai dengan yang diinginkan
dilakukan cukup lambat. Proses pembuangan muatan pada
kapasitor filter berlangsung dengan lambat sehingga
menyebabkan respon ELC lebih lambat.
D. Simulasi Beban Konsumen Terputus
Pada saat beban mengalami gangguan arus lebih, maka
circuit breaker akan memutuskan hubungan antara konsumen
dengan PLTMH sehingga tidak ada arus yang mengalir ke
konsumen. Tidak adanya arus yang mengalir ke konsumen
akan dideteksi oleh ELC dan kemudian akan memerintahkan
agar seluruh arus dari generator dialirkan menuju ELC.
Gambar 9 Grafik perubahan frekuensi terhadap penurunan daya konsumen
Dari gambar 9 terlihat bahwa penurunan beban konsumen
mengakibatkan penurunan frekuensi. Perubahan frekuensi
mulai dari 48.70 Hz pada titik 9900 W dan 50.51 Hz pada titik
150 W. Perubahan frekuensi ini masih dalam toleransi (48 Hz –
52 Hz). Oleh karena itu, simulasi dikatakan cukup berhasil saat
beban konsumen mengalami penurunan.
Gambar 11 Perubahan arus saat terjadi gangguan arus lebih pada konsumen di
detik 2
V. PENUTUP
(a)
(b)
Gambar 10 Perubahan arus saat terjadi penurunan beban konsumen: (a) Arus
konsumen (merah) dan arus komplemen (biru) ; (b) Arus generator
Pada gambar 10, tampak bahwa penurunan beban konsumen
ditanggapi lebih lambat oleh ELC dibandingkan dengan
kenaikan beban konsumen. Hal ini mengakibatkan arus
generator lebih lama kembali ke keadaan nominal
dibandingkan saat terjadi kenaikan beban konsumen. Hal ini
karena proses yang dilakukan ELC khususnya pada penyearah
Salah satu alternatif dalam melindungi PLTMH agar tetap
bekerja pada tegangan dan frekuensi kerjanya walaupun beban
konsumen berubah-ubah adalah dengan menggunakan
Electronic Load Controller (ELC). ELC dapat dihasilkan
dengan memanfaatkan hukum Kirchhoff’s Current Law.
Pemodelan ELC 30 kW 3 fasa dengan tingkat sensitifitas
250 W pada percobaan menunjukkan bahwa frekuensi yang
dihasilkan masih dalam toleransi (48 Hz – 52 Hz). ELC yang
dimodelkan hanya akan menanggapi respon yang diakibatkan
adanya perubahan daya aktif pada sisi beban konsumen.
Sehingga perubahan tegangan akibat adanya perubahan daya
reaktif di sisi beban konsumen tidak dapat diperbaiki oleh
ELC.
Pemodelan ELC 30 kW 3 fasa dengan tingkat sensitifitas
250 W pada percobaan menunjukkan bahwa ELC lebih cepat
dalam menanggapi perubahan beban konsumen saat beban
mengalami peningkatan dari pada saat beban mengalami
penurunan. Saat terjadi gangguan arus lebih, ELC akan
memerintahkan agar seluruh arus yang dihasilkan generator
dialirkan ke beban komplemen.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Celso Penche dan Dr Ingeniero de Minas. Layman’s
Guidebook On How To Develop A Small Hydro Site.
European Small Hydropower Association, Belgia.
Juni 1998.
[2] Stephen
J
Chapman.
Electric
Machinery
Fundamentals. McGraw Hill, Singapura. 1991
[3] A.Harvey, A.Brown, P.Hettiararchi, A.Inversin.
Micro Hydro Design Manual: A Guide to Small
Scale Water Power Schemes. Intermediate
Technology Publications, London. 1993
[4] Sudaryatno Sudirham. Analisis Rangkaian Listrik.
Penerbit ITB, Bandung. 2002
[5] Adel S Sedra dan Kenneth C Smith. Microelectronic
Circuits. Oxford University Press, New York. 2004