Peningkatan Kenerja Grid Tie Inverter pada Jaringan Listrik Mikro Saat Kondisi Islanding dengan Penambahan Perangkat Uninterrupted Power Supply

Transkripsi

1 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: Peningkatan Kenerja Grid Tie Inverter pada Jaringan Listrik Mikro Saat 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 * hartono@esi-labs.com 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 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. 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. 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

2 126 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 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)

3 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 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, Dimana, (3). dan T o adalah periode sampling dan I merupakan matrik identitas. 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. 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

4 128 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 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 Gambar 7. Konfigurasi Jaringan Listrik Terdistribusi 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 8. Rangkaian Equivalen Pembangkit Terdistribusi Gambar 9. Rangkaian Equivalen Paralel Inverter

5 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 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]. 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 Gambar 10. Arus Balik pada Paralel Inverter Gambar 12. Gambar Rangkaian Pengujian UPS Terhubung/Tanpa PLN Paralel dengan GTI

6 130 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 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). (a) (c) (b) (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 4. Simpulan 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. (a) (b) 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. Daftar Acuan (c) (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 [1] Ph. Degobert, S. Kreuawan, X. Guillaud, ICREPQ 06, International Conference on Renewable Energy and Power Quality, Palma de Mallorca, Spain, [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 (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) [6] S.B. Bekiarov, A. Emadi, Applied Power Electronics Conference and Exposition,

7 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 2, SEPTEMBER 2012: 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, DOI / ICCEE [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 Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, Orlando, Florida, 2012, p [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