ANALISIS PENGONTROLAN FREKUENSI GENERATOR PLTMH (PUSAT LISTRIK TENAGA LISTRIK MIKROHIDRO) DENGAN GOVERNOR SEDERHANA

Transkripsi

1 ISSN: ANALISIS PENGONTROLAN FREKUENSI GENERATOR PLTMH (PUSAT LISTRIK TENAGA LISTRIK MIKROHIDRO) DENGAN GOVERNOR SEDERHANA Oleh : A.Hafid, Riza Widia Staf Pengajar Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang ABSTRACT Generator frequency control PLTMH with a simple governor is constructed from frequency sensor devices, personal computers (Delphi-based computer programs) and an electric motor driving the turbine valves. It can be controlled the generator frequency in accordance with a set of points specified. Aberration frequency ( f) minimum generator can be detected by the controller is ±.2 Hz. The measurement results show, the controller worked perfectly for the value of f is larger or smaller than.2 Hz. The control method is used to stabilize the frequency generator is an on-off control method. Turbine generator valve opening settings (valve opening is enlarged or reduced) was done by an electric motor. In this case, the direction of movement of the motor is enlarged or reduced valve opening is controlled by computers trough sending an active signal via pin 3 or pin 4 on parallel port. The speed of turbine engine valve regulated by a computer to send active signals via parallel port pin 2 in PWM signals form, with t on = 6 ms, t of = 4 ms and the period T = ms. Keywords : Governor, frequency, PLTMH PENDAHULUAN Pada saat sekarang ini pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTM) telah banyak digunakan di seluruh tanah air untuk elektrifikasi daerah pedesaan (daerah yang memiliki sumber daya air). Khusus untuk daerah Sumatera Barat pada tahun 2 akan dibangun lagi beberapa PLTMH, antara lain di Kabupaten Solok pada Kanagarian Saniang Baka, Jorong Aia Angek. PLTMH yang dibangun memiliki kapasitas 3 KW dengan penggerak turbin Cross flow. Umumnya generator PLMTH yang berkapasitas puluhan Kilo Watt memerlukan peralatan tambahan agar generatornya membangkitkan tegangan sesuai dengan ketentuan yang baku, yaitu tegangan 22 V (fasa ke netral dengan variasi perubahan (22+5%), (22-%) dan frekuensi 5 Hz ( dengan variasi antara 49,5-5,5 Hz). Untuk kontrol tegangan pada generator, biasanya digunakan AVR (pengaturan tegangan otomatis) dan alat ini dijual sudah sepaket dengan generator PLTMH. Sedangkan untuk pengontrolan frekuensi dapat digunakan. Governor, alat ini umum digunakan pada generator PLTA berkapasitas besar (Mega Watt). Oleh sebab itu kurang ekonomis jika digunakan pada generator PLTMH karena harganya yang hampir sama bahkan bisa melebihi harga turbingenerator. Pada PLTMH yang menggunakan governor sebagai kontrol frekuensi (atau kecepatan putar generatornya) maka perubahan frekuensi diantisipasi dengan perubahan-perubahan debit air yang masuk ke turbin, yaitu jika frekuensi turun maka debit ait diperbesar, dan sebaliknya. Bukaan katup (guide Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2 9

2 ISSN: vane) pada pada sistem kontrol governor dilakukan dengan sistem hidrolik. ELC (pengatur beban elektronik) dengan beban dummy load (beban resistif berupa heater), alat ini mengendalikan frekuensi generator dengan jalan mengatur beban. Pada PLTMH dengan kontrol frekuensi ELC, maka generatornya selalu dioperasikan dalam kondisi beban penuh. Oleh sebab itu dari segi penghematan energi alat ini tidak efisien karena ada beban yang dibuang percuma ke dummy load. Disamping itu penggunaan ELC untuk PLTMH yang lebih besar kapasitas Kilo Watt juga perlu dikaji mengingat harga komponen pendukungnya seperti SCR (Silicon Control Rectifier) dan sejenisnya harganya tidak murah untuk kapasitas daya seperti itu. Dengan perkembangan teknologi maka terobosan baru untuk mengganti ELC sebagai pengontrol frekuensi generator pada PLTMH bisa dilakukan. Pada penelitian ini akan dianalisa suatu model baru pengontrol frekeuensi generator PLTMH dengan menggunakan governor sederhana. Sebuah motor listrik digunakan untuk mengatur bukaan katup turbin (inlet valve), dan pergerakan motor tersebut diatur oleh sebuah sistem kontrol. TINJAUAN PUSTAKA Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) biasanya tidak menyuplai listrik ke grid / jaringan PLN. Energi listrik PLTMH utamanya digunakan di daerah-daerah terpencil dimana jaringan listrik PLN tidak ada. Secara khusus PLTMH menyediakan daya untuk industri kecil pedesaan atau masyarakat pedesaan. Kisaran ukurannya dari sejumlah kecil kilowatt, yang hanya cukup untuk menyediakan penerangan lokal ke sebuah kelompok rumah-rumah, hingga 2 kw. Sebuah skema mikrohidro memerlukan dua hal, yaitu debit air dan ketinggian jatuh air atau yang biasa disebut dengan Head untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini merupakan suatu konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau tenaga mekanik. Adapun daya yang tersedia pada terminal generator dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : Q output di mana : ( KW ) ρqh = η hη mη g, Q H = η overall, = 9,8 Q Hη overall () Q : Debit air, (m3/detik) H : Head, (m) ηh: Efisiensi hidrolik penggerak mula (turbin ηm : Efisiensi mekanik, (%) ηg : Efisiensi generator, (%) ηoverall : Efisiensi turbin-generator, (%) ρ : Massa jenis air, (kg/m3) Metode dan Implementasi Pengontrolan pada PLTMH Pada referensi [2] diusulkan pengontrolan frekuensi (dan tegangan) generator PLTMH dilakukan dengan menggunakan metode kontrol fuzzy logic. Diagram blok sistem pengontrolannya diperlihatkan pada gambar. Gambar. Diagram blok sistem pengontrolan frekuensi dan tegangan pada PLTMH [2] Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2

3 Meskipun pengontrol pada gambar. menunjukkan unjuk kerja yang baik dengan pendekatan metode fuzzy logic akan tetapi untuk mengimplementasikan pengontrol tersebut dilapangan terbentur pada kendala antara lain : Kontrol variabel frekuensi dan tegangan oleh satu sistem kontrol menimbulkan keruwetan. Sebagai perbandingan pegontrolan frekuensi dan tegangan pada generator PLTA (Pusat Listrik Tenaga Air) selalu dibuat terpisah. Untuk pengontrolan tegangan generator PLTA dilakukan oleh AVR, dan AVR sendiri adalah bagian dari sistem kontrol eksitasi. Dalam hal ini sistem kontrol eksitasi selain mengontrol tegangan juga mengontrol daya reaktif ( Volt Ampere reaktif) yang dikeluarkan oleh generator. Sedangkan untuk pengontrolan frekuensi pada generator PLTA ditugaskan pada governor, alat ini disamping mengontrol frekuensi juga mengontrol daya aktif (Watt) yang dikeluarkan oleh sistem turbingenerator. Sistem kontrol dengan metode logika fuzzy kadangkala lebih unggul dibanding dengan metode kontrol lainnya, misalnya PID. Akan tetapi untuk menerapkan suatu perangkat kontrol pada suatu plant diperlukan kompromi antara metode, ekonomis Generator harus dibebani dengan daya konstan agar putaran generator selalu tetap. Oleh karena beban konsumen tidak selalu konstan, maka untuk menjaga kestabilan putaran turbin generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh ELC sesuai dengan plant yang dikontrol. Pada pembangkit, pengendalian putaran dimaksudkan untuk mengendalikan putaran (frekuensi) generator. Perubahan putaran (frekuensi) generator dapat disebabkan karena ISSN: adanya perubahan daya penggerak. Jika daya air yang masuk ke turbin dibuat selalu tetap sehingga daya penggerak turbin selalu tetap, maka frekuensi dan respon generator akan menjadi fungsi dari beban. Agar frekuensi yang dihasilkan oleh generator besarnya selalu tetap, maka besar beban dari generator harus selalu tetap. Untuk itu diperlukan beban tiruan yang besar bebannya dapat diatur sesuai dengan pengurangan beban dari PLTMH. Beban tiruan ini disebut sebagai beban komplemen (dummy load ). Pada suatu kondisi beban tertentu ( misal pada beban sebesar 75% beban penuh ), daya air yang masuk ke turbin diatur sehingga diperoleh putaran generator yang dikehendaki. Jika pada beban konsumen terjadi penurunan beban sebesar I, maka beban komplemen akan dilewati arus yang rata-ratanya akan sebesar penurunan arus akibat turunnya beban konsumen ( I). Dengan demikian generator akan dibebani dengan total beban yang selalu konstan. Diagram blok dari uraian tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2 Oleh karena daya yang masuk ke turbin dibuat tetap dan beban yang dirasakan oleh generator juga selalu tetap, maka putaran generator senantiasa juga tetap. Generator I I- Beban Konsumen Beban Komplemen Gambar 2. Diagram blok pembagian daya beban komplemen. Jika debit air konstan maka generator harus dibebani dengan daya konstan agar putaran generator selalu tetap. Oleh karena beban konsumen tidak selalu konstan, maka untuk menjaga kestabilan putaran turbin generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh ELC sedemikian rupa sehingga Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2 I I

4 ISSN: Beban Konsumen + Beban Komplemen = Kapasitas Nominal Generator Formula tersebut berlaku untuk setiap kondisi beban konsumen. Pada sistem kontrol yang diperlihatkan pada gambar 2, pengaturan daya listrik dari beban konsumen ke beban komplemen dan sebaliknya dilakukan dengan jalan mengatur sudut penyalaan (triggering) static switch (atau SCR, Silicon Control rectifier). Masalah yang dihadapi sistem kontrol frekuensi menggunakan ELC, antara lain : Dihubungkan dengan kualias daya, maka ELC dengan komponen komponen thyristor, triac, IGBT dan semacamnya merupakan penyumbang terbesar harmonisa sistem (harmonisa diukur dengan THD, Total Harmonic Distortion ) Untuk PLTMH dengan daya lebih besar (katakanlah Kilo Watt) harga ELC bersama beban komplemennya bisa jadi kurang ekonomis karena harga komponen pendukung (thyristor, triac, atau IGBT) relatif mahal untuk daya yang makin besar. Pola operasi pembangkitan PLTMH dengan kontrol ELC menyebabkan generator harus dibebani full load, dan hal ini dari segi pemanfaatan energi listrik jelas sangat tidak efisien karena energi listrik dibuang percuma ke beban komplemen (beban komplemen adalah beban resistif biasanya berupa heater). Desain baru Sistem Kontrol Frekuensi Generator PLTMH dengan Governor sederhana Tabel : Sistem kontrol frekuensi ( desain baru ) untuk generator PLTMH Pengontrol Komputer pribadi atau Microcontroller Sensor Tanpa PMG tanpa konverter analog digital (ADC) tetapi berupa piringan /cakram berputar yang ditempatka n pada poros generator Penggerak katup turbin otomatis Elektromekanis berupa Motor DC (exciter terpisah ) dengan transmisi kecepatan Metode Kontrol Keterangan : PMG ( Permanent Magnet Generator ) Modulasi lebar pulsa (Pulse With Modulation) Sistem kontrol frekuensi ( dengan governor sistem hidrolik pada PLTA) sebagai perbandingan: Pengontrol Sensor Pengerak katup turbin otomatis Sistem digital Dengan PMG dan ADC Sistem hidrolik Metode Kontrol PID Sistem kontrol frekuensi ( dengan ELC ) sebagai perbandingan: Pengontrol Sensor Metode Kontrol Elektronik ( digital ) Sensor arus dengan transformator arus ( CT ) Tidak dipublikasikan Pada tabel di bawah ini memperlihatkan desain baru sistem kontrol frekuensi generator PLTMH: Tujuan Penelitian 2 Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2

5 ISSN: Pada penelitian ini akan dianalisis suatu desain baru sistem kontrol frekuensi untuk generator PLTMH, khususnya untuk PLTMH daya 2 Kilo Watt keatas. Rancangan sistem terdiri tiga bagian pokok, yaitu : satu unit perangkat sensor frekuensi yang ditempatkan pada poros generator, satu unit komputer pribadi ( PC) sebagai pengontrol dan sebuah sistem elektromekanik ( motor listrik dan alat reduksi putaran) yang berfungsi sebagai penggerak katup turbin (inlet valve) secara otomatis. Metode yang digunakan untuk pengontrolan frekuensi adalah dengan metode modulasi lebar pulsa ( PWM, Pulse With Modulation). Untuk mengetahui unjuk kerja (performance) pengontrol tersebut maka dilakukan pengujian laboratorium. Data yang diambil adalah besar sudut perputaran poros penggerak katup (variabel ini mencerminkan besar bukaan katup) untuk suatu interval waktu T jika terjadi deviasi frekuensi sebesar,2 sampai 2 Hz dari frekuensi nominal (5 Hz) Manfaat penelitian Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian Analisis Pengontrolan Frekuensi Generator PLTMH (PusatListrik Tenaga Listrik Mikrohidro) Dengan Governor Sederhana adalah : a. Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan pustaka untuk mendesain alat kontrol frekuensi pada PLTMH berbasis program komputer b. Hasil penelitian ini dapat digunakan oleh masyarakat, khususnya penduduk yang bermukim di daerah terpencil yang menggunakan pembangkit listrik tenaga mikrohidro sebagai sumber energi listriknya. Teknologinya dapat diintegrasikan dengan PLTMH yang sudah beroperasi METODE PENELITIAN Metode penelitian Analisis Pengontrolan Frekuensi Generator PLTMH (PusatListrik Tenaga Listrik Mikrohidro) Dengan Governor Sederhana dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : Tahap persiapan Pada tahap persiapan dilakukan studi literatur yang meliputi : pencarian informasi yang relevan dengan penelitian yang dilakukan melalui buku pustaka, buku petunjuk peralatan PLTMH yang banyak dioperasikan di tanah air beserta pedoman standarisasinya, informasi internet serta pakar. Tahap perancangan sistem Pada tahap ini dilakukan setting penelitian yang meliputi : Pengadaan bahan penelitian : pengadaan komponen sensor frekuensi, dan perangkat lunak Perakitan sensor frekuensi dan putaran. pemasangan komponen tambahan pada poros generator serta pembuatan program komputer untuk mendeteksi baik tidaknya kerja dari sensor Pembuatan tabel penelitian dan jadwal pengukuran Disain dan implementasi Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2 3

6 ISSN: Modul sensor ditempatkan pada poros generator. Rotasi perdetik atau rotasi permenit dari poros generator akan dideteksi oleh modul sensor. Selanjutnya sinyal sinyal yang dideteksi oleh modul sensor akan dikirim ke komputer melalui parallel port. Dalam hal ini sebuah program dirancang sedemikian rupa sehingga putaran perdetik dari poros generator bias diketahui dengan tepat. Dalam program, putaran perdetik dari poros generator dikonversi menjadi frekuensi dengan memakai hubungan putaran dengan jumlah kutub. Respon selanjutnya dari komputer (PC)adalah membandingkan setting frekuensi yang ditetapkan dengan frekuensi terukur. Jika berlainan maka program akan memberi sinyal koreksi perbandingan nilai frekuensi yang diukur dengan nilai set point (5 Hz). Jika program berjalan dengan baik maka deviasi frekuensi sebesar ±,2 Hz akan menghasilkan suatu hasil yang menginformasikan bahwa telah terjadi penyimpangan frekuensi generator dari set point. Kemampuan komputer atau program untuk melakukan pengendalian arah putaran motor penggerak katup turbin. Program komputer dirancang sedemikian sehingga jika frekuensi generator turun maka komputer memberi sinyal aktif ke motor penggerak katup turbin agar bukaan katup diperbesar, demikian pula sebaliknya. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran frekuensi, rotasi per menit dan rotasi per detik oleh sensor Tabel 2 : Frekuensi dan putaran yang terukur oleh sensor Gambar 3. Sensor yang digunakan untuk mendeteksi frekuensi generator Frekuensi (Hz) Rotasi permenit (rpm) Rotasi perdetik (rps) Pengamatan Pengamatan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah : Kemampuan sensor dan program untuk mendeteksi perubahan rotasi perdetik (rps), rotasi permenit (rpm), dan frekuensi dari generator. Dalam hal ini jika variasi putaran poros generator perdetik dan permenit dapat dideteksi oleh program maka frekuensi dapat ditentukan. Kemampuan komputer atau program untuk melakukan 4 Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2

7 ISSN: Respon pengontrol terhadap perubahan frekuensi Tabel 3 : Sinyal yang dikirim oleh pengontrol jika terjadi deviasi frekuensi Peyimpangan frekuensi ( f, Hz ) Pin 2 (sinyal untuk Sinyal kirim melalui Parallel Port Pin 3 ( putaran +) Pin 4 ( putaran -) Keterangan Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2 5

8 ISSN: driver) f = f t-f f = 5 Hz putaran + = sinyal untuk memperbesar bukaan katup putaran - = sinyal untuk memperkecil bukaan katup = tidak aktif = aktif Tabel 4 : Pin yang aktif dan pulsa PWM yang dikirim ke motor penggerak Peyimpangan frekuensi ( f, Hz ) Pin yang aktif / kode akses ( hexa) f <= -,2 Pin 2 = Pin 3 = ($3) f >=,2 Pin 2 = Pin 4 = ($5) Nilai t on, t off dan T pulsa penggerak motor ( mili detik ) t on = 6 t off = 4 T = t on = 6 t off = 4 T = Keterangan Bentuk pulsa penggerak motor jika terjadi penyimpangan frekuensi Tegangan Bentuk sinyal penggerak untuk menstabilkan frekuensi Sensor putaran atau frekuensi yang digunakan mempunyai sensitivitas,2 Hz. Sensor dirancang dengan lubang. Persamaan yang digunakan dalam program adalah : ton t off T t on =6 mili detik t off =4 mili detik Waktu Gambar 4. Bentuk pulsa penggerak motor rps_real = rps_deteksi/ lubang = rps_deteksi / rpm_real = rps_real x 6 frekuensi = rpm_real x jumlah kutub generator /2 = rps_real x 4/2 = 2 rps_real Program Tampilan program delphi diperlihatkan pada gambar berikut: Misalkan sensor mendeteksi putaran poros generator sebanyak 25 putaran perdetik ( rps_deteksi ), maka pada program rps sebenarnya dari generator adalah 25/ = 25, (rps_real). Frekuensi yang dikeluarkan oleh program adalah f = 2 rps_real = 5,2 Hz 6 Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2

9 ISSN: Gbr 5a.Bagian Project 5b.Bagian Unit Program Delphi KESIMPULAN Pada penelitian ini digunakan PC sebagai pengontrol frekuensi suatu generator. Dan hasilnya program pada komputer dapat mendeteksi dengan baik frekuensi ( dan putaran poros generator). Setiap deviasi frekuensi ( f) yang nilainya diatas atau dibawah,2 Hz dapat diketahui oleh program. Komputer pribadi yang digunakan pada penelitian ini juga berfungsi sebagai pengontrol jika terjadi penyimpangan frekuensi generator (minimum penyimpangan ±,2 Hz ). Jika nilai frekuensi generator menurun misalkan frekuensinya menjadi 49,8 Hz maka sebuah sinyal dikirim oleh komputer untuk memperbesar bukaan katup turbin. Demikian juga jika frekuensi generator meningkat misalkan frekuensinya menjadi 5,2 Hz maka komputer memberi sinyal untuk memperkecil bukaan katup. Pada kondisi frekuensi generator menurun, maka komputer mengirim sinyal aktif melalui pin 2 dan pin 3 parallel port untuk menggerakkan motor listrik ke kanan dimana motor ini jika berputar akan memperbesar bukaan katup turbin sehingga frekuensi generator kembali pada nilai setnya yaitu 5 Hz. Sinyal yang dikirim untuk menggerakkan motor pembuka katup diset dengan nilai t on = 6 mili detik, t off = 4 mili detik, T = mili detik dengan durasi mili detik ( ini dilakukan oleh program melalui pin 2). Pin 3 berfungsi untuk mengendalikan agar arah motor ke kanan. Sebaliknya pada kondisi frekuensi generator meningkat, maka komputer mengirim sinyal aktif melalui pin 2 dan pin 4 parallel port untuk menggerakkan motor listrik ke kiri dimana motor ini jika berputar akan memperkecil bukaan katup turbin sehingga frekuensi generator kembali pada nilai setnya yaitu 5 Hz. Sinyal yang dikirim program melalui pin 2 dimaksudkan untuk menggerakkan motor pembuka katup. Diset dengan nilai t on = 6 mili detik, t off = 4 mili detik, T = mili detik dengan durasi mili detik. Pin 4 aktif berfungsi untuk mengendalikan agar arah motor ke kiri Metode pengontrolan frekuensi generator pada penelitian ini meskipun menggunakan metode onoff tetapi perangkatnya sederhana dan tidak mahal oleh sebab itu dapat dijadikan peralatan kontrol alternatif bagi PLTMH SARAN Supaya produk penelitian ini bisa diterapkan pada Pusat Listrik Tenaga Mikrohidro (PlTMH) sebagai pengontrol frekuensi generator maka perlu hal berikut :. Dilakukan penelitian lanjutan, khususnya untuk meneliti kesesuain rating motor penggerak katup turbin dengan daya generator PLTMH. 2. Dilakukan penelitian lanjutan, untuk mengetahui over all karakteristik dari pengontrol jika pengontrol dipasang pada plant yang sebenarnya. Daftar Pustaka Achmad Hasan, Pengontrol Beban Elektronik pada PLTMH, Publikasi P3 Teknologi Konversi Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2 7

10 ISSN: dan Konservasi Energi Deputi Teknologi Informasi, Energi, Material dan Lingkungan. Emmanuel A. Gonzalez, Jingel Tio, Felicito S. Caluyo, 24, Conceptual Design of a Rule- Base For a Micro-Hydro Power Plant Feedback Control System, De La Salle University Manila, ECE Technical Report. Dinas Pertambangan dan Energi Sumatera Barat, 26 Studi kelayakan pembangunan PLTMH di Kabupaten Pasaman, Padang,. Rashid, M. H., 993, Power Electronics :Circuits, Device and Applications, Second Edition, Prentice Hall Inc., USA. S.Warsito, dkk,, Semarang Nopember 25 Studi Awal Perencanaan Sistem Mekanikal Dan Kelistrikan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro, dipersentasikan pada seminar nasional ketenagalistrikan Elektron: Vol 2 No., Edisi Juni 2