SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI ON-GRID SERTA ISLANDING PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA

Transkripsi

1 SKRIPSI SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI ON-GRID SERTA ISLANDING PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA Oleh : Pande Ketut Budi Sutawan JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN BALI 2015

2 SKRIPSI SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI ON-GRID SERTA ISLANDING PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA Oleh : Pande Ketut Budi Sutawan JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN BALI 2015

3 SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI ON-GRID SERTA ISLANDING PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA Tugas Akhir Diajukan Sebagai Prasyarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana S1 (Strata1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana PANDE KETUT BUDI SUTAWAN NIM : JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN-BALI 2015 ii

4 Scanned by CamScanner

5 Scanned by CamScanner

6 UCAPAN TERIMAKASIH Om Swastyastu, puji syukur kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa, karena atas segala limpahan berkat dan Rahmat-Nya, sehingga tugas akhir yang berjudul ʻʻSIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI ON- GRID SERTA ISLANDING PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA ini dapat diselesaikan dengan tepat waktu. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi syarat dalam menyelesaikan pendidikan sarjana strata satu (S1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh petunjuk dan bimbingan dari berbagai pihak. Sehingga pada kesempatan ini perkenankan saya mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana. 2. Bapak Ir. I Nyoman Setiawan, MT selaku ketua jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Bapak I Nyoman Satya Kumara, ST., MSc., Ph.D. selaku dosen pembimbing 1 yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan arahan, motivasi, bimbingan serta saran-saran selama pembuatan simulasi dan laporan. 4. Bapak Wayan Gede Ariastina, ST., M.Eng.Sc., Ph.D. selaku dosen pembimbing 2 yang telah banyak memberikan saran dan masukan selama proses bimbingan. 5. Ibu Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, M.T., Ph.D selaku pembimbing akademik yang telah membimbing dan memberikan saran selama menjadi mahasiswa di Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana. 6. Ibu, Pak Mang, Bu Agung, kakak-kakak, sepupu, ipar dan keluarga besar penulis, terimakasih atas doa, dukungan, serta semangat yang selalu diberikan. v

7 7. Semuan teman-teman penulis, rekan rekan mahasiswa Teknik Elektro Universitas Udayana, terutama sahabat-sahabat Teknik Elektro 2011 atas semangat, dukungan dan kerjasamanya selama ini.. 8. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan saran yang diberikan sehingga tugas akhir ini bisa terselesaikan. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata, penulis mohon maaf kepada semua pihak jika dalam pembuatan tugas akhir ini melakukan kesalahan baik disegaja maupun tidak disengaja. Semoga Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa selalu melimpahkan rahmat- Nya kepada semua pihak yang telah membantu pelaksanaan dan penyelesaian tugas akhir ini. Om, Santih, Santih, Santih, Om. Bukit Jimbaran, September 2015 Penulis vi

8 ABSTRAK Bali adalah salah satu provinsi di Indonesia yang sudah menggunakan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Terbukti dari telah diresmikannya PLTS kapasitas 1 MWp on-grid masing-masing di Bangli dan Karangasem, dan 6 unit PLTS 15 kwp off-grid tersebar di Provinsi Bali. Hal ini merupakan wujud pemanfaatan intensitas radiasi sinar matahari yang melimpah di bali yaitu sebesar 5,263 kwh/m 2 /hari lebih besar dari intensitas rata-rata di Indonesia sebesar 4,8 kwh/m 2 /hari. PLTS on-grid dapat menyalurkan keluarannya ke jaringan PLN. Namun saat jaringan mati, PLTS juga mati sehingga ada potensi kerugian padahal PLTS dapat digunakan sebagai sumber energi listrik pengganti saat PLN tidak dapat melayani konsumen. Melalui skripsi ini dibuat simulasi PLTS dengan konfigurasi on grid dan juga off grid pada software simulink matlab R2013a. Model PLTS mengacu pada PLTS off grid di Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana. Tegangan dan arus output hasil simulasi akan dianalisis disertai pengujian unjuk kerja saat parameter jaringan diubah-ubah. Penelitian ini dimulai dengan observasi di lokasi penelitian yaitu di kampus Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana disertai dengan metode kepustakaan, yaitu dengan mempelajari jurnal-jurnal yang berkaitan. Data yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari datasheet komponen PLTS, data dari hasil simulasi yang dibuat, dan literatur yang berhubungan. Analisis data hasil simulasi meliputi tegangan, arus, frekuensi, dan daya output dari PLTS off grid, PLTS on grid serta PLTS on/off grid saat berbeban maupun tanpa beban. Kemudian dianalisis juga hasil sinkronisasi PLTS on grid saat dilakukan variasi tegangan dan frekuensi jaringan. Hasil yang didapatkan adalah inverter pada PLTS off grid telah dapat menghasilkan tegangan 220 V rms dan frekuensi 50 Hz yang sesuai dengan datasheet inverter di lokasi penelitian. Dengan beban yang disuplai membutuhkan daya 65 W, dihasilkan arus sebesar 0,29 A. Pada PLTS on grid telah dapat melakukan sinkronisasi dengan jaringan yang memiliki tegangan 220 V rms, frekuensi 50 Hz. Arus beban pada PLTS on grid sebesar 0,295 A. Saat dilakukan variasi tegangan dan frekuensi jaringan, PLTS on/off grid dapat mengikuti perubahan yang terjadi pada jaringan. Jadi model simulasi yang dibuat telah sesuai dengan tujuan penelitian yaitu PLTS dapat menerapkan konfigurasi on grid maupun off grid. Hasil simulasi menunjukkan unjuk kerja sistem yang baik saat on maupun off grid. Selain itu saat parameter jaringan dirubah, PLTS masih dapat melakukan sinkronisasi dengan baik dan tidak mempengaruhi kinerja PLTS off grid Kata Kunci : PLTS on grid, PLTS off grid, PLTS on/off grid, Inverter vii

9 ABSTRACT Bali is one of the provinces in Indonesia which already use solar power plant (PV plant). Evident from the inauguration of 1 MWp capacity of on-grid PV plants respectively in Bangli and Karangasem, and 6 units of 15 kwp off-grid PV plants spread across in Bali. This represents the utilization of radiation intensity of sunlight is abundant in Bali that is equal to kwh / m 2 /day is greater than the average intensity in Indonesia of 4.8 kwh/ m 2 / day. On-grid PV plant can connect its output to the grid. But on the islanding condition, PV plant is OFF so there is a potential loss when PV plant can be used as a substitute source of electrical energy while PLN can t serve consumers. Through this paper made a simulation of PV plant with on grid and off grid configuration on R2013a Matlab Simulink software. The PV plant model refers to the off grid PV plant in the Department of Electrical Engineering, of Udayana University. Output voltage and current of the simulation results will be analyzed also with performance testing when electricity grid parameters altered. This research started with observations at the research site which is on the campus of the Department of Electrical Engineering, University of Udayana accompanied by literature methods, namely by studying related journals. The data used in this research was obtained from the datasheet of PV plant components, data from the simulation results are made, and related literature. Data analysis of simulation results include voltage, current, frequency, and power output of the off grid, on-grid and on/off grid PV plant with and without loads. Then also analyzed synchronization result of on grid PVplant when grid voltage and frequency varied. The results obtained are off grid inverter of off grid PV plant has been able to generate a voltage of 220 V rms and a frequency of 50 Hz in accordance with datasheet of inverter at the sites. With the supplied load requires 65 W active power, generated current of 0.29 A. In the on-grid PV plant has been able to synchronize with the grid that has a voltage of 220 V rms, 50 Hz frequency. Load current of on grid PV plant is A. When grid voltage and frequency varied, on/off grid PV plant can adjust the changes that occur on the grid. So the model of on/off grid PV plant that has been made apropriate with the purpose of research that is PV plant can apply either on grid or off grid configuration. The simulation results showed a good performance of the sistem when either on or off grid. Moreover when the grid parameters changed, PV plant can still synchronize well and does not affect the performance of off grid PV plant. Keywords : On Grid Solar Power Plant, Off Grid Solar Power Plant, On/Off Grid Solar Power Plant, Inverter viii

10 DAFTAR ISI SAMPUL DALAM...i PRASYARAT GELAR...ii LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS...iii LEMBAR PENGESAHAN...iv UCAPAN TERIMAKASIH...v ABSTRAK...vii ABSTRACT...viii DAFTAR ISI...ix DAFTAR TABEL...xii DAFTAR GAMBAR...xiii DAFTAR SINGKATAN...xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Manfaat Akademis Manfaat Praktis Batasan Masalah...4 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Mutakhir Pembangkit Listrik Tenaga Surya Modul Photovoltaic (PV) Inverter Inverter Setengah Jembatan Satu Phase Inverter Jembatan Penuh Satu Phase Natural PWM Grid Tie Inverter Voltage Source Inverter...20 ix

11 2.3 Metode Phase Locked Loop ATS (Automatic Transfer Switch) Bagian Pengalihan Daya Bagian Kontrol Rangkaian Listrik AC Satu Fasa Kualitas Daya LIstrik...27 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian Data Sumber Data Metode Pengumpulan Data Jenis Data Instrumen Penelitian Perencanaan Sistem Kondisi Existing PLTS Perencanaan Blok Diagram Sistem Model Simulasi Blok Diagram Sistem Tahapan Peneltian Alur Penelitian Analisis Data...38 BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Model Inverter Off Grid Simulasi Model Inverter Off Grid Tanpa Beban Simulasi Model Inverter Off Grid Berbeban Model PLTS On/Off Grid Simulasi Model PLTS On/Off Grid Tanpa Beban Simulasi Model PLTS On Grid Tanpa Beban Simulasi Model PLTS Off Grid Tanpa Beban Simulasi Model PLTS On/Off Grid Tanpa Beban Simulasi Model PLTS On/Off Grid Berbeban...74 x

12 4.2.3 Simulasi Model PLTS On/Off Grid Dengan Variasi Parameter JTR Simulasi Model PLTS On/Off Grid Dengan Variasi Tegangan JTR Simulasi Model PLTS On/Off Grid Dengan Variasi Frekuensi JTR...86 BAB V PENUTUP 4.1 Simpulan Saran...91 DAFTAR PUSTAKA...92 xi

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Kondisi Saklar Inverter Setengah Gelombang Tabel 2.2 Kondisi Saklar Inverter Gelombang Penuh Tabel 2.3 Standar THD Tegangan dan Arus dari IEEE Standard Tabel 3.1 Spesifikasi data PV Module Solarex MSX Tabel 3.2 Spesifikasi data inverter SP500 SinePro Tabel 4.1 Perbandingan Arus RMS Inverter Berbeban Hasil Simulasi dan Perhitungan Tabel 4.2 Perbandingan Arus RMS Inverter Off Grid Hasil Simulasi dan Perhitungan xii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Susunan Lapisan Solar Cell Secara Umum Gambar 2.2 Hubungan sel surya, modul, panel, dan array Gambar 2.3 Bentuk umum sinyal PWM Gambar 2.4 Grafik duty cycle sinyal PWM Gambar 2.5 Skema pembentukan sinyal PWM Gambar 2.6 Rangkaian dan Bentuk Gelombang Inverter Setengah Jembatan Satu Phase Gambar 2.7 Rangkaian dan Bentuk Gelombang Inverter Jembatan Penuh Satu Phase Gambar 2.8 Sinyal referensi sinusoidal dan carrier segitiga serta sinyal PWM yang dihasilkan Gambar 2.9 a) Konfigurasi GTI, b) Blok Diagram Model GTI (Grid Tie Inverter) Gambar 2.10 Blok diagram dasar PLL Gambar 2.11 Contoh Blok Diagram ATS Gambar 2.12 Segitiga Daya Gambar 2.13 Respon Filter Kondisi Ideal Gambar 3.1 Kondisi Existing PLTS Gambar 3.2 Perencanaan Blok Diagram Sistem PLTS On-Grid Gambar 3.3 Perencanaan Blok Diagram Sistem PLTS Off-Grid Gambar 3.4 Model Simulasi PLTS on/off grid Gambar 3.5 Flowchart Alur Penelitian Gambar 4.1 Model Full-Bridge Inverter Gambar 4.2 Parameter Blok Tegangan DC Gambar 4.3 Parameter Blok IGBT Gambar 4.4 Blok Volt dan Ampere Meter Gambar 4.5 Blok RL dan RC Filter Gambar 4.6 Parameter Blok PWM Generator Gambar 4.7 Model PWM Generator xiii

15 Gambar 4.8 Blok Power Meter Gambar 4.9 Blok Beban RLC Gambar 4.10 Model Inverter Tanpa Beban Gambar 4.11 Sinyal PWM 1 dan Gambar 4.12 Sinyal PWM 3 dan Gambar 4.13 Tegangan Output Inverter Sebelum Difilter Gambar 4.14 Tegangan Output Inverter Tanpa Beban Setelah Difilter Gambar 4.15 Model Penampil Nilai RMS Gambar 4.16 Tegangan Output Puncak Inverter Tanpa Beban Setelah Difilter Gambar 4.17 Model Penampil THD Tegangan Inverter Tanpa Beban Gambar 4.18 Arus Output Inverter Tanpa Beban Gambar 4.19 Daya Aktif dan Reaktif Inverter Tanpa Beban Gambar 4.20 Model Inverter Berbeban Gambar 4.21 Tegangan Output Inverter Berbeban yang Difilter Gambar 4.22 Penampil Nilai RMS Tegangan Inverter Berbeban Gambar 4.23 Tegangan Puncak Inverter Berbeban Gambar 4.24 Model Penampil THD Tegangan Inverter Tanpa Beban Gambar 4.25 Penampil Nilai RMS Arus Inverter Berbeban Gambar 4.26 Arus Beban Inverter Gambar 4.27 Arus Puncak Inverter Berbeban Gambar 4.28 THD Arus Inverter Berbeban Gambar 4.29 Daya Aktif dan Reaktif Inverter Berbeban Gambar 4.30 Model PLTS On/Off Grid Gambar 4.31 Parameter Blok PV Array Gambar 4.32 Model Inverter Gambar 4.33 Blok LBS Gambar 4.34 Parameter Blok Jaringan Tegangan Rendah (JTR) Gambar 4.35 Model Grid Operation Gambar 4.36 Parameter Blok Switch Gambar 4.37 Parameter Blok Clock Gambar 4.38 Model Subsistem Controller xiv

16 Gambar 4.39 Model Subsistem Synchronizer Gambar 4.40 Model Subsistem ATS Controller Gambar 4.41 Model ATS Gambar 4.42 Model PLTS On/Off Grid Tanpa Beban Gambar 4.43 Output Tegangan PV Array Gambar 4.44 Tegangan Jaringan Listrik Gambar 4.45 Tegangan Jaringan Gambar 4.46 Tegangan Output Inverter On Grid Di Sisi Sebelum Filter Gambar 4.47 Tegangan Output Inverter On Grid Di Sisi Setelah Filter Gambar 4.48 Tegangan Puncak Output Inverter On Grid Gambar 4.49 THD tegangan JTR dan Inverter Gambar 4.50 Arus Beban Gambar 4.51 Tegangan Jaringan dan Inverter On Grid Hasil Multiplexing Gambar 4.52 Tegangan Saat Islanding Gambar 4.53 Tegangan Inverter Off Grid Sebelum Filter Gambar 4.54 Tegangan Inverter Off Grid Setelah Filter Gambar 4.55 THD Tegangan Inverter Off Grid Tanpa Beban Gambar 4.56 Arus Beban Inverter Off Grid Tanpa Beban Gambar 4.57 Perbandingan Tegangan Inverter Off Grid dan Jaringan Gambar 4.58 Perbandingan Tegangan JTR Saat ON dan Inverter Off Grid Gambar 4.59 Tegangan Jaringan Saat ON dan OFF Gambar 4.60 Tegangan Output Inverter On/Off Grid Tanpa Beban Gambar 4.61 Tegangan Jaringan dan Inverter On/Off Grid Hasil Multiplexing Gambar 4.62 Model PLTS On/Off Grid Berbeban Gambar 4.63 Parameter Beban Gambar 4.64 Tegangan JTR Berbeban Gambar 4.65 Arus Beban yang Disuplai JTR Gambar 4.66 Model Pengukuran Arus Beban Saat PLTS On grid Gambar 4.67 Arus Beban Puncak yang Disuplai JTR Gambar 4.68 THD Arus Beban yang Disuplai JTR Gambar 4.69 Arus Output Inverter On Grid xv

17 Gambar 4.70 Arus Output Inverter Off Grid Gambar 4.71 Tegangan Inverter Off Grid Berbeban Gambar 4.72 THD Tegangan Inverter Off Grid Berbeban Gambar 4.73 Tegangan RMS Inverter Off Grid Gambar 4.74 Arus RMS Inverter Off Grid Gambar 4.75 Arus Output Inverter Off Grid Gambar 4.76 THD Arus Inverter Off Grid Berbeban Gambar 4.77 Model Pengukuran Arus Output Inverter On/Off Grid Gambar 4.78 Hasil Multiplex Arus Beban PLTS On dan Off Grid Gambar 4.79 Tegangan PLTS On/Off Grid Berbeban Gambar 4.80 Variasi Tegangan JTR Menjadi 231 Vrms Gambar 4.81 Perbandingan Tegangan JTR 231 Vrms Dengan Output Inverter On/Off Grid Gambar 4.82 Tegangan Puncak Saat PLTS On Grid (JTR 231 Vrms) Gambar 4.83 Perbandingan Tegangan JTR 209 Vrms Dengan Output Inverter On/Off Grid Gambar 4.84 Tegangan Puncak Saat PLTS On Grid (JTR 209 Vrms) Gambar 4.85 Variasi Frekuensi JTR Menjadi 60 Hz Gambar 4.86 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On/Off Grid (JTR 60 Hz) Gambar 4.87 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On Grid (JTR 60 Hz) Gambar 4.88 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On/Off Grid (JTR 40 Hz) Gambar 4.89 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On Grid (JTR 40 Hz) xvi

18 DAFTAR SINGKATAN AC APF ATS BPF BRF COS DC EFR GTI HPF JTR kwh LBS LF LPF LVMDP OCR PD PFR PLN PLTS PLL PV PWM SHS THD UPS UVR = Alternating Current = All Pass Filter = Automatic Transfer Switch = Band Pass Filter = Band Reject Filter = Charge Over Switch = Direct Current = Earth fault relay = Grid Tie Inverter = High Pass Filter = Jaringan Tegangan Rendah = kilo Watt hour = Load Break Switch = Loop Filter = Low Pass Filter = Low Voltage Main Distribution Panel = Over current relay = Phase Detector = Phase failure relay = Perusahaan Listrik Negara = Pembangkit Listrik Tenaga Surya = Phase Locked Loop = Photovoltaic = Pulse Width Modulation = Solar Home System = Total Harmonic Distortion = Uninterruptible Power Supply = Under voltage relay xvii

19 VCO VSI Wp = Voltage Controlled Oscillator = Voltage Source Inverter = Watt peak xviii