Optimasi Injeksi Photovoltaic Distributed Generations (PVDG) Menggunakan Metode Algoritma Genetika

Transkripsi

1 199 Optmas Ineks Photovoltac Dstrbuted Generatons (PVDG) Menggunakan Metode Algortma Genetka Muammar Zanuddn, Had Suyono, dan Harry Soekoto Dachlan Abstract The best soluton of the problem of electrcal energy crss n Indonesa, wth the utlzaton of renewable energy sources that are envronmentally frendly, economcal, sustanable, and techncally easly to mplemented. The model system proposed n ths paper s the Photovoltac Dstrbuted Generaton (PVDG). Ths paper dscuss modelng PVDG by searchng necton placement and sze us Genetc Algorthm. Optmzaton s done wth the concept of the four scenaros ncrease the value of the necton. The scenaro used was an ncrease n necton rate + 10%, + 20% + 30% and + 40% from the ntal source of generaton. The obtaned results show the system deal condtons s contaned n the scenaro-4. The results found that 8 locatons wth a varety of szng power. PVDG scenaro-4 modelng results show the ablty of the system to mnmze power loss from 13,15% to 1,30% and the hghest voltage drop -25% to -8,5% of nomnal voltage. Index Terms Photovoltac, Dstrbuted Generatons, PVDG, Genetc Algorthm. Abstrak Kualtas daya lstrk yang dterma oleh beban yang auh dar pusat pembangktan lstrk semakn menurun dan rug-rug daya semakn menngkat. Solus berkelanutan dalam mempertahankan kualtas tegangan dan menambah pasokan daya pada arngan yatu dengan pemanfaatan pembangkt energ matahar. Model sstem yang dusulkan dalam pengembangan energ matahar tersebut yatu Photovoltac Dstrbuted Generatons (PVDG). Peneltan n membahas pemodelan PVDG dengan melakukan pencaran lokas neks dan kapastas daya menggunakan metode Algortma Genetka. Optmas dlakukan dengan konsep empat skenaro penngkatan nla neks dan penyebaran pembangkt. Skenaro yang dgunakan yatu penngkatan nla neks sebesar +10%, +20% +30% dan +40% dar sumber pembangktan awal. Hasl yang dperoleh menunukkan konds deal sstem terdapat pada optmas skenaro-4. Haslnya menemukan 8 lokas dengan total kapastas daya sebesar 3,32 MW. Hasl pemodelan PVDG skenaro-4 menunukkan kemampuan sstem dalam memnmalsr rug-rug daya dar 13,15% turun menad 1,30% dan penurunan tegangan tertngg terad dar -25% menad -8,5% dar tegangan krmnya. Kata Kunc Algortma Genetka, Photovoltac Dstrbuted Generatons, PVDG. Muammar Zanuddn adalah Dosen Teknk Elektro Fakultas Teknk Unverstas Ichsan Gorontalo; emal zmuammar@yahoo.co.d). Had Suyono (e-mal: hads@ub.ac.d ) dan Harry S. Dachlan (emal: (harrysd@ub.ac.d ) adalah Dosen Program Magster Teknk Elektro Unverstas Brawaya, Malang. S I. PENDAHULUAN UMBER energ lstrk d Indonesa mash ddomnas oleh mesn-mesn berbahan bakar solar yang tdak ramah lngkungan. Ketergantungan n tdak ddukung oleh ketersedaan cadangan energ yang dmlk untuk beberapa tahun kedepan. Penyaluran daya lstrk ke wlayah yang auh dar pusat pembangktan mash terkendala oleh berbaga masalah tekns, nvestas, dan topograf. Kualtas daya lstrk yang dterma oleh beban yang auh dar pusat pembangktan lstrk semakn menurun. Solus terbak permasalahan krss energ lstrk d Indonesa yatu dengan pemanfaatan sumber energ terbarukan yang ramah lngkungan, ekonoms, berkelanutan, dan secara tekns mudah dmplementaskan. Potens energ terbarukan d Indonesa, sektor sumber energ matahar (Photovoltac) menad skala prortas setelah sektor energ mkrohdro bo energ, dan geothermal[1]. Pengembangan sumber energ matahar dan beberapa sumber energ terbarukan d Indonesa saat n hanya daplkaskan pada kebutuhan lokal (stand alone). Pemanfaatan energ terbarukan d duna saat n dkembangkan pada sstem pembangktan tersebar pada arngan dstrbus atau lebh dkenal dengan stlah Dstrbuted Generatons (DG). Sstem DG adalah pembangktan tersebar yang terhubung langsung ke arngan dstrbus pada ss pelanggan[2]. Penerapan Photovoltac menggunakan sstem DG menad sebuah harapan besar Indonesa untuk memaksmalkan pasokan lstrk, mengurang penggunaan konsums solar, dan penngkatan kualtas daya lstrk. Dampak penerapan Photovoltac Dstrbuted Generatons (PVDG) yatu dapat menakkan profl tegangan penyulang, mengantspas ketdaksembangan beban penyulang, mengurang fluktuas alran daya reaktf, menakkan faktor daya, mengurang rug-rug daya aktf dan reaktf, pemberan nsentf terhadap penyeda energ PV lokal (Open Market), dan menngkatkan keandalan sstem tenaga lstrk[3][4]. Klasfkas kapastas daya PVDG untuk menentukan ttk sambung pada arngan yatu kapastas daya skala kecl (5-10 kw) pada saluran satu fasa dstrbus sekunder, skala menengah ( kw) dan skala besar (500 kw 10 MW) pada saluran tga fasa dstrbus prmer[5]. Menurut peneltan terdahulu bahwa ketdaksembangan daya pada saat neks pada

2 200 penyulang berdampak pada fluktuas tegangan[6]. Oleh karena tu, dbutuhkan strateg dalam menentukan lokas dan kapastas daya PVDG. Peneltan n membahas mengena bagamana menentukan secara optmal lokas neks dan kapastas daya PV pada suatu penyulang. Lokas penyulang yang dgunakan adalah Penyulang Trtoyudo 20 kv Kabupaten Malang Provns Jawa Tmur. Penyulang n mendstrbuskan daya lstrk sepanang kms dar satu trafo Gardu Induk Turen Malang. Metode yang dusulkan yatu stud optmas menggunakan metode Algortma Genetka (AG). Peneltan terdahulu mengena stud optmas lokas dan kapastas daya DG menggunakan metode AG haslnya membahas dampak DG secara umum tanpa karakterstk ens pembangkt DG[7]. Tuuan peneltan n yatu menentukan lokas neks dan kapastas daya Photovoltac Dstrbuted Generatons yang optmal agar konds tegangan yang dhaslkan sesua standar aturan arngan sstem tenaga lstrk 20 kv (+5% atau -10% dar tegangan nomnal)[8]. Analss alran daya PVDG menggunakan metode Newton-Raphson. Pada peneltan n dberkan lngkup batasan masalah yatu analss dan smulas dlakukan dengan mengabakan faktor karakterstk bahan modul PV, nverter, sstem kontrol, batera, sstem proteks, topolog PV, kemrngan sudut modul PV, dan analss ekonoms. II. SISTEM PHOTOVOLTAIC DISTRIBUTED GENERATION Lstrk yang dhaslkan dar sstem Photovoltac yatu lstrk DC. Lstrk DC yang dhaslkan dkonvers ke bentuk AC melalu sebuah nverter. Gambar.1 dtunukkan model kontrol PQ (daya reaktf) dan kontrol PV (tegangan) pada Photovoltac Grd Connected. Solar Photovoltac Generator Model 1 (PQ) Solar Photovoltac Generator Model 2 (PV) Pref Qref Pref Vref SOLAR PHOTOVOLTAIC GENERATOR V,ᴓ SOLAR PHOTOVOLTAIC GENERATOR V,ᴓ Nla beban yang terdapat pada nverter PVDG adalah daya beban pada grd (beban penyulang). Persyaratan utama untuk terhubung ke arngan sangat dtentukan oleh kualtas arus (I PV ) dan tegangan (V PV ) output sstem PV dengan arus (I AC ) dan tegangan (V AC ). III. ANALISIS ALIRAN DAYA Stud alran daya dengan metode Newton Raphson untuk mendapatkan besar nla penurunan tegangan dan rug-rug daya pada saluran. Dalam stud alran daya, bus-bus dkelompokkan dalam tga klasfkas yatu; 1. d, q d, q PCC PCC NETWORK NETWORK Gambar 1. Konfguras Dasar Sstem Photovoltac Grd Connected [9] Slack Bus atau Swng Bus, 2. Bus Generator (Bus PV), 3. Bus Beban (PQ). Setap bus terdapat empat besaran yatu P, Q, V dan δ (sudut fasa). Dalam stud alran daya setap bus memlk dua besaran yang telah dtentukan kemudan dua besaran lannya akan dhtung. Apabla harga V dan δ dtentukan maka langkah selanutnya teras awal untuk mencar nla PV dan PQ[10]. 1) Persamaan daya aktf pada bus, yatu: n P V V Y cos 1... (1) 2) Persamaan daya reaktf pada bus, yatu: n Q V V Y sn 1... (2) (k ) (k ) 3) Apabla P dan Q belum mencapa nla konvergens pada teras awal maka dlanutkan dengan membentuk elemen-elemen matrks Jacoban. ( 1) 4) Htung nla baru dar sudut fasa k dan ( k1) tegangan V. ( k1)... (3) ( k1) V V V... (4) 5) Apabla telah mendapatkan nla baru sudut fasa dan tegangan maka kembal ke proses teras selanutnya. 6) Proses teras akan berhent ka nla konvergen ( ) sudah terpenuh: Daya yang mengalr dar bus ke bus dperoleh dengan persamaan: * S P Q V. I... (5) Sebalknya, arus yang mengalr dar bus ke bus dperoleh dengan persamaan : ' Y I V V Y V 2... (6) Sebalknya uga, daya yang mengalr dar bus ke bus dperoleh dengan persamaan : * S P Q V. I... (7) sehngga persamaan rug-rug daya pada saluran - dtulskan: SL S S... (8) IV. ALGORITMA GENETIKA Prosedur penyelesaan optmas metode Algortma Genetka berdasarkan permasalahan pencaran lokas neks dan ukuran kapastas daya PVDG. Implementas GA pada peneltan n adalah menentukan bus yang akan dpasangkan pembangkt PV dan menentukan ukuran kapastas daya PV. Sstem yang akan du adalah Penyulang Trtoyudo sebanyak 191 gardu dstrbus. Dalam mengmplementaskan GA pada permasalahan datas maka, dgunakan kromosom untuk mengdentfkas letak dan ukuran kapastas daya PV. Kromosom mewakl masng-masng neks daya kedalam arngan. Gambar 2 dtamplkan tahapan

3 201 metodolog Algortma Genetka. Gambar 2 dtunukkan tahapan dalam algortma genetka untuk permasalahan penentuan lokas dan ukuran kapastas daya PVDG. MULAI Iteras awal T =0 Pengkodean Gen Menyusun Kromosom Insalsas Populas Data Beban Bus dan Data Saluran Analss Alran Daya Evaluas Indvdu Fungs Obektf - Nla rug-rug daya Ftness Optmal Tdak Seleks Indvdu: -Ftness Rankng -Roda Roulette Indvdu Baru: -Pndah Slang -Mutas Bangktkan Populas Baru Konstran Terpenuh Ya Iteras selanutnya t=t+1 1) Pengkodean Kromosom; Pada peneltan n satu kromosom terdr dua varabel. Varabel-1 merupakan bt-1 pada satu strng kromosom. Apabla bt tersebut bernla 1 berart memberkan nformas suatu keadaan sebuah bus dengan kehadran DG ddalamnya. Sedangkan ka bt-1 bernla 0 maka menandakan keadaan bus tanpa kehadran DG ddalamnya. Kelompok gen berkutnya sampa gen akhr mewakl ukuran kapastas daya DG. Banyaknya umlah bt bernla 1 pada strng kromosom (bt-2 sampa bt-10) merepresentaskan tngkat kapastas daya DG. Skema pengkodean bner dberkan oleh persamaan: Ra Rb X Rb L 2 1 L G 2 1 Ya Tdak Dmana; Ra = Batas atas varabel; Indvdu Terbak SELESAI Gambar 2.: Dagram Alr Program Algortma Genetka... (9) Rb = Batas bawah varabel; L = Panang/Jumlah bt pengkodean; G = Nla bt (0 atau 1) dar sebuah Gen pada kromosom ; 2-1 = Koefsen decodng dar urutan Gen ; X = Nla rl suatu varabel. 2) Fungs ftness; pada peneltan n adalah menentukan nla ftness tertngg yatu memnmsas nla rug-rug daya aktf (P). Fungs obektf rug-rug daya aktf. Nb Nb f ( x) mn PGEN PPVDG P... (10) LOAD 1 1 P GEN datas dhtung terhadap analss alran daya dan Total P PVDG =P GEN x N%. Nla Ftness terbak adalah rug-rug daya terkecl. 3) Rankng Ftness; Mekansme rankng yatu dengan penskalaan nla-nla ftness, sehngga ftness berada pada nterval fmax f mn [11]. 1 R( ) 1 f( ) fmax fmax fmn X... (11) N N 1 f() = Nla ftness pada ndvdu (); f max = Nla ftness pada batas maksmum; f mn = Nla ftness pada batas mnmum; N = Ukuran Populas R() = Rangkng ndvdu ke- 4) Roda Roulette; pada peneltan n yatu dengan membuat nterval nla kumulatf (dalam nterval [0,1]) dar nla ftness masng-masng kromosom dbag total nla ftness dar semua kromosom. N f ( ) Pndex... (12) f 1 Populas 5) Crossover (Pndah Slang); Strateg pndah slang untuk peneltan n dgunakan pndah slang satu ttk potong (one pont crossover). Suatu ttk potong dplh secara random, kemudan bagan pertama dar orang tua-1 dgabungkan dengan bagan kedua dar orang tua-2. kromosom dalam sebuah populas. Ttk Potong = Pc x Jumlah Gen; (Pc = Probabltas Crossover). (12) 6) Mutas; Strateg operas mutas dlakukan dengan merubah gen yang bersesuaan dgant dengan nla kebalkannya (nla 0 dubah menad 1, dan 1 dubah menad 0). Pada peneltan n dlakukan empat skenaro batasan optmas penngkatan nla neks (N%) yatu skenaro penngkatan neks daya sebesar +10%, +20%, +30%, dan +40% dar daya pembangktan awal sstem pada saat sebelum neks. Parameter yang dgunakan untuk proses optmas yatu data saluran, data beban konds beban puncak 100%; Jumlah Gen = 10; Ukuran Populas = 194; Kromosom = Ukuran populas x Jumlah Gen; Jumlah Populas = 200; Probabltas Crossover = 0.80; Probabltas Mutas = 0.05; Iteras maksmum = 100. Konstran dberkan pada batas bawah pembangktan daya oleh PVDG untuk setap bus yatu 0 MW dan batas atas pembangktan daya oleh PVDG

4 202 sebesar 0.5 MW. V. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 3(a), 3(b), 3(c), dan 3(d) menunukkan grafk hasl optmas Algortma Genetka pada 4 skenaro penngkatan nla neks. Ukuran daya aktf setap bus yang drekomendaskan dtunukkan pada tabel I. TABEL I HASIL OPTIMASI 4 SKENARIO Skenaro-1 Skenaro-2 Skenaro-3 Skenaro-4 Bus MW Bus MW Bus MW Bus MW (Sumber: Hasl Optmas) Dar program Algortma Genetka menghaslkan nla teras yang berbeda pada 4 skenaro neks datas. Pada skenaro-1 menghaslkan 2 lokas PVDG dengan total ukuran daya sebesar 0,815 MW. Pada skenaro-2 menghaslkan 5 lokas PVDG dengan total ukuran daya sebesar 1,586 MW. Pada skenaro-3 menghaslkan 6 lokas PVDG dengan total ukuran daya sebesar 2,556 MW. Pada skenaro-4 menghaslkan 8 lokas PVDG dengan total ukuran daya sebesar 3,32 MW. Penyulang memlk beban maksmum yatu P = 6,948 MW dan Q = 3,949 MVar. Dar hasl analss alran daya dalam konds beban maksmum 100% tanpa neks daya oleh PVDG menunukkan total pembangktan awal P = 8,001 MW dan Q = 6,079 MVar. Total rug-rug daya sstem sebesar P = 1,053 MW (13,15%) dan Q = 2,13 MVar (35%). Setelah neks PVDG skenaro-4 dengan total nla neks daya sebesar 3,32 MW yang tersebar d delapan lokas menghaslkan rug-rug daya terendah sebesar P = 0,18 MW (1,3%) dan Q = 0,47 MVar (10,5%). Konds rugrug daya pada skenaro-4 merupakan konds deal pada sstem tenaga lstrk. Hasl analss alran daya pada penyulang Trtoyudo Kabupaten Malang dtunukkan pada tabel II. TABLE II HASIL ALIRAN DAYA SEBELUM DAN SETELAH INJEKSI PVDG Rug-rug daya % Rug-rug daya Sstem P [MW] Q [MW] P % Q % Sebelum Ineks % 35% Skenaro % 29.1% Skenaro % 28.7% Skenaro % 19.5% Skenaro % 10.5% (Sumber: Hasl Perhtungan) Dar hasl analss pada skenaro-4 menunukkan fungs PVDG pada sstem tenaga lstrk yatu dapat memnmalkan operasonal pembangktan konvensonal sebandng dengan penngkatan nla neks daya dan keberadaan PVDG dapat memnmalsr rug-rug daya aktf dbawah 3%. (a) Skenaro-1 (+10%) (b) Skenaro-2 (+20%) (c) Skenaro-3 (+30%) (d) Skenaro-4 (+40%) Gambar 3. Hasl runnng program optmas GA

5 203 Gambar 4. Grafk perbandngan rug-rug daya aktf-reaktf Gambar 4 menunukkan grafk perbandngan rugrug daya. Dar hasl analss alran daya menunukkan konds tegangan pada masng-masng bus sebelum neks PVDG dan setelah neks PVDG dtunukkan pada Gambar 5. Perbandngan konds tegangan n dperoleh dar hasl analss alran daya menggunakan metode Newton-Raphson. Gambar 5. Grafk perbandngan tegangan bus pada masngmasng skenaro Dar gambar 5 datas menunukkan konds tegangan sebelum Ineks berada dluar standar aturan arngan[8] yatu penurunan mencapa -25% dar tegangan krmnya. Pada saat neks daya oleh PVDG dengan model skenaro-4, tegangan sstem mengalam kenakan pada semua bus, namun kenakan tegangan tdak melewat batas standar arngan yatu 1,05 p.u. Penurunan tegangan tertngg sebesar -8.5% dar tegangan krmnya. Dar konds n terlhat bahwa tegangan sstem dapat dpertahankan dalam batasan normal untuk sstem 20 kv yatu +5% dan -10% atau 1,05 p.u 0,90 p.u. VI. KESIMPULAN Dar hasl analss dapat dambl kesmpulan pada peneltan n yatu; 1. Dar hasl analss sebelum neks PVDG dterapkan, menunukkan konds tegangan Penyulang Trtoyudo berada pada konds dbawah standar operas arngan dbawah 10% yatu turun -25% dar tegangan krmnya (20 kv). Rug-rug daya aktf sebesar 13,15% terad pada saat konds beban maksmum (sebelum neks PVDG). 2. Hasl optmas menggunakan metode algortma genetka untuk penentuan lokas neks dan ukuran daya PVDG, menunukkan dampak neks daya oleh PVDG terhadap sstem yatu penurunan tegangan maksmum yang terad sebesar -8.5%. Konds n berada pada batas standar aturan arngan Jawa-Madura-Bal pada Permen ESDM No.03/2007. Rug-rug daya pada sstem dapat dmnmalsr hngga mencapa 1,30%. 3. Hasl analss menunukkan kelebhan dar penerapan PVDG pada sstem tenaga lstrk yatu dapat memnmalkan operasonal pembangktan konvensonal pada pusat pembangkt, memnmalsr rug-rug daya sstem, dan menakkan profl tegangan sstem. DAFTAR PUSTAKA [1] Presden R.I. Kebakan Energ Nasonal, Peraturan Presden Republk Indonesa No. 5 Tahun Jakarta [2] Ackermann, T.; Andersson, G.; dan Soder, L.. Dstrbuted generaton: a defnton, Elsever, Electrc Power Systems Research, no. 57, Page(s) [3] Katrae, F. dan Aguero, J.R. Solar PV Integraton Challenges, IEEE Power & energy magazne, ISSN : , vol. 9, Iss. 3, Page(s): [4] Aguero, J.R., dan Steffel, S.J.. Integraton Challenges of Photovoltac Dstrbuted Generaton on Power Dstrbuton Systems, IEEE Power and Energy Socety General Meetng, ISSN: , pp San Dego, CA [5] Chongfuangprnya, P., Spare, J., Aguero, J.R., Ensln, J.H.R., dan Al-Atrash, H. Integraton of Mcro-Scale Photovoltac Dstrbuted Generaton on Power Dstrbuton Systems: Steady- State Analyses, IEEE PES, Transmsson and Dstrbuton Conference and Exposton (T&D), ISSN , pp.1-6 Orlando, FL., [6] Teleke, S., Jahanbakhsh, F., Katrae, F., dan Aguero, J.R. Analyss of nterconnecton of photovoltac dstrbuted generaton. IEEE Industry Applcatons Socety Annual Meetng (IAS), ISSN , pp. 1-6 Orlando, FL., [7] Talaat, H.E.A. dan Al-Ammar, E. Optmal allocaton and szng of Dstrbuted Generaton n dstrbuton networks usng Genetc Algorthms, IEEE (EPQU 11th Internatonal Conference on) Electrcal Power Qualty and Utlsaton, ISSN pp.1-6., Lsbon [8] Kementeran ESDM R.I. Aturan Jarngan Sstem Tenaga Lstrk Jawa-Madura-Bal, Peraturan Menter (Permen) No. 03. Jakarta [9] Tamm, B., Canzares, C., dan Bhattacharya, K.. Modelng and Performance Analyss of Large Solar Photo-Voltac Generaton on Voltage Stablty and Inter-area Oscllatons, IEEE PES General Meetng, ISSN ,, Page(s) 1-6. San Dego CA [10] Saadat, H.. Power System Analyss, McGraw-Hll, Inc. USA [11] Suyanto,. Algortma Genetka dalam Matlab, And, Yogyakarta