Pengaturan Output Generator Induksi dengan Static Synchronous Compensator (STATCOM) pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Transkripsi

1 Pengaturan Output Induksi dengan Static Synchronous Compensator () pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin Riswan Dinzi 1, Riswanta Sembiring 1, Fahmi Fahmi 1,2 1 Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA 2 Pusat Unggulan Ipteks Energi berkelanjutan dan biomaterial, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA fahmimn@usu.ac.id Abstrak Energi angin merupakan energi terbarukan yang dapat digunakan untuk suplai tambahan kebutuhan energi listrik. Pada wilayah persawahan dan tepi pantai, energi angin memiliki potensi yang besar dalam memberi tambahan suplai daya kebutuhan energi listrik Pemanfaatan energi angin memiliki kendala pada kecepatan angin yang berubah-ubah yang menyebabkan frekuensi dan tegangan output pembangkitan tidak stabil. induksi merupakan salah satu solusi karena tidak harus diputar pada kecepatan tetap. Tulisan ini membahas pengaturan output generator induksi dengan static synchronous compensator pada pembangkit listrik tenaga angin. Melalui pengaturan, diuji output generator induksi berupa tegangan, frekuensi, daya aktif, dan daya reaktif. Metode yang digunakan ialah dengan mengubah jumlah kutub generator induksi dan perubahan kecepatan angin. Pengaturan dilakukan dengan menggunakan software simulasi PSIM. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa mampu mempertahankan keluaran tegangan pada 285 Volt dan frekuensi pada 50 Hz pada kondisi perubahan kecepatan angin dan perubahan jumlah kutub generator induksi. Kata Kunci Static Synchronous Compensator (), energi angin I. PENDAHULUAN Pembangkit Listrik Tenaga Angin memberikan banyak keuntungan seperti bersahabat dengan lingkungan (tidak menghasilkan emisi gas), tersedia dalam banyak variasi rating (mulai dari kw sampai MW), mudah untuk dihubungkan ke grid yang ada, lahan turbinnya dapat digunakan untuk fungsi yang lain (seperti areal sawah, ladang, rumah tempat tinggal), tidak membutuhkan bahan bakar [1]. Permasalahan pada pembangkit tenaga angin ialah kecepatan angin yang tidak tetap (berubah-ubah dan tidak dapat dipastikan setiap saat). Hal ini tidak baik untuk pembangkitan energi listrik karena akan menyebabkan tegangan dan frekueni berubah-ubah juga. induksi merupakan solusi untuk energi terbarukan seperti energi angin karena keuntungan dari generator induksi seperti harganya murah, tidak membutuhkan eksitasi, tidak harus diputar pada kecepatan tetap. Pada tulisan ini, akan dibahas generator induksi masukan ganda dengan bantuan sistem kontrol untuk mengatasi perubahan putaran prime mover (energi angin). Sistem dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin yang mengkonversi tenaga angin menjadi tenaga mekanik yang kemudian energi mekanik dikonversi menjadi energi listrik dapat dilihat pada Gambar 1. Turbin Angin Gear Box Induksi Gambar 1. Sistem dasar pembangkit listrik tenaga angin Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox. mekanikp M yang dihasilkan oleh turbin angin dirumuskan pada Persamaan 1 dan tip speed ratio pada Persamaan 2. P M = 1 2 ρ airc p (, β)πr 2 V w 3. (1) = ω mr V w.. (2) Dimana ρ air adalah kerapatan udara, πr 2 adalah luas area pemutar turbin, Vw 3 adalah kecepatan angin dan c p (,β) adalah koefisien efisiensi turbin angin yang bergantung pada tip speed ratio ( ) dan sudut bilah/ 179

2 pitch angle (β), ω m adalah kecepatan sudu turbin angin, R adalah panjang sudu tubin (tubine blade). Terdapat nilai optimal dari tip speed ratio ( opt), yang memampukan penangkapan maksimum dari energi angin. Nilai ini ditemukan dari karakteristik koefisien energi angin c p yaitu f(,β) dan data ini disediakan oleh pembuat turbin. Kurva karakteristik koefisien energi angin c p dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Karakteristik turbin angin Karakteristik dari c p bergantung pada desain sudu/ bilah turbin. Oleh karena itu, pengaturan akan c p melalui pengaturan pitch angle (β) terbatas pada kapasitas turbin. dimana hal ini dapat diketahui dengan melakukan eksperimen terhadap turbin yang dibuat oleh suatu produsen. Dari Persamaan (1) menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan trubin bergantung pada dua kondisi. Kondisi pertama ialah 0.5 ρ air AV w, dimana hal ini tidak dapat diatur karena kecepatan angin yang fluktuatif. Kondisi kedua ialah c p yaitu f(,β) dapat dimanipulasi dengan pengaturan dan β. Akan tetapi, berdasarkan Persamaan (2) merupakan fungsi dari V w (kecepatan angin) dan ω m R (kecepatan sudu turbin). Oleh karena itu pengontrolan c p dilakukan melalui pengontrolan ω m R dan β [2]. induksi merupakan alat untuk mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik dalam bentuk ggl (gaya gerak listrik) yang menerapkan prinsip motor induksi (induksi elektromagnet). Besarnya ggl yang dihasilkan diberikan dalam Persamaan 3. E = c. n. (3) Dimana N s merupakan kecepatan putar stator, f adalah frekuensi jala-jala, P adalah jumlah kutub. Medan putar stator akan memotong batang konduktor sehingga pada kumparan (medan) timbul tegangan induksi (gaya gerak listrik) diberikan dalam Persamaan 5. E r = 4,44. f 2. N 2. m. (5) Dimana E r merupakan tegangan induksi pada saat berputar, f 2 adalah frekuensi putaran, N 2 ialah jumlah lilitan, m merupakan fluksi yang menginduksi. Karena kumparan merupakan rangkaian tertutup, maka ggl akan menghasilkan arus. Adanya arus dalam medan magnet menimbulkan gaya pada. Bila kopel (torsi) mula yang dihasilkan oleh gaya tersebut pada cukup besar untuk memikul kopel beban, akan berputar searah dengan medan putar stator. Dari penjelasan diatas terlihat bahwa syarat timbulnya tegangan induksi haruslah ada perbedaan kecepatan relatif (slip) antara kecepatan medan putar stator (Ns) dan kecepatan putar (Nr) [3]. Slip dapat dirumuskan pada Persamaan 6. s = N s N r (6) N s Dimana Ns adalah kecepatan putaran stator dan Nr adalah kecepatan putaran. Sebagai catatan bahwa berputar pada kecepatan sinkron pada slip = 0 dan pada keadaan stationary (seimbang /tetap/ belum berjalan) pada slip = 1. Semua motor dalam kecepatan normal/ bekerja dalam keadaan normal, slipnya berada pada kedua limit tersebut. Jika diputar lebih cepat dari stator (slip bernilai negatif) maka arah induksi akan berubah. Induksi akan terjadi dari ke stator sehingga pada stator timbul ggl induksi. Dengan demikian mesin induksi telah berfungsi sebagai generator karena menghasilkan ggl pada statornya. Proses mesin induksi berfungsi sebagai motor atau generator dapat dilihat pada Gambar 3. Torsi Dimana E merupakan ggl yang dihasilkan, c merupakan konstanta, n merupakan kecepatan putar generator, merupakan besarnya fluks magnet yang dihasilkan. Dari perumusan diatas dapat dilihat bahwa putaran generator berpengaruh terhadap ggl yang dihasilkannya. induksi bekerja dengan menerapkan prinsip medan putar pada belitan stator maupun nya. Medan putar menginduksi stator sehingga pada stator timbul ggl induksi. Timbulnya medan putar dilakukan dengan menghubungkan tegangan 3 phasa pada belitan stator. Kecepatan medan putar stator diberikan dalam Persamaan 4. N s = 120f P.. (4) Motor Gambar 3. Karakteristik mesin induksi Speed Slip 180

3 induksi masukan ganda adalah generator induksi belitan dimana rangkaian terhubung ke grid melalui device elektronika daya. seperti generator induksi sangkar, dimana nya dihubung singkat, DFIG memiliki terminal pada nya. Rotor diberi masukan variabel frekuensi (ωr), variabel tegangan tiga phasa yang dibangkitkan oleh konverter PWM AC pada akan membangkitkan flux dengan frekuensi ωr selama belum berputar (standing still). Ketika diputar oleh kecepatan ωm medan putar dengan tegangan yang diinjeksikan pada akan memiliki frekuensi ωr + ωm. Ketika kecepatan angin berubah, kecepatan akan berubah ωm dan untuk menghasilkan frekuensi 50 Hz, frekuensi injeksi ke juga harus dirubah[4]. Static Synchronous Compensator adalah sebuah shunt controller yang digunakan untuk meregulasi tegangan dengan membangkitkan/ menyerap daya reaktif[5]. Schematic diagram dari sebuah dapat dilihat pada Gambar 4. Pengaturan daya aktif dan daya reaktif dirumuskan pada Persamaan 7 dan 8. P = V 1V 2 sin θ. (7) X Q = V 1(V 1 V 2 cos θ). (8) X II. METODE DAN BAHAN Penelitian dilakukan menggunakan software PSIM. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 6. MULAI Pemodelan Sistem di Software PSIM Sist em VSC (Voltage Source Converter) Penyimp an energi Pengambilan Data Kecepatan Angin Simulasi Gambar 4. Skematik Analisis hasil simulasi Pada tulisan ini, dilengkapi dengan sistem kontrol daya aktif dan reaktif untuk mengatur output generator induksi. Ketika sistem tegangan turun, membangkitkan daya reaktif ( kapasitif). Ketika sistem tegangan naik, menyerap daya reaktif ( induktif). Variasi dari daya reaktif dilakukan oleh VSC (Voltage Source Converter) yang terhubung ke sekunder trafo. VSC menggunakan devais elektronika daya untuk mengatur tegangan V2 dari sumber tegangan DC.Pada operasi kondisi steady state, tegangan V2 yang dibangkitkan VSC adalah pada fasa yang sama dengan V1 (beda fasa = 0), agar hanya daya reaktif yang mengalir (P=0). Jika V2 lebih rendah dari V1, Q mengalir dari V1 ke V2 ( menyerap daya reaktif). Sebaliknya, apabila V2 lebih tinggi dari V1, Q mengalir dari V2 ke V1 ( menghasilkan daya reaktif [5]. Prinsip kerja dijelaskan oleh Gambar 5 menunjukkan transfer daya aktif dan reaktif antara sumber V1 dan sumber V2 Power System (V1) Transfer P dan Q Induktor Gambar 5. Prinsip Kerja VSC Voltage Source Converter (V2) Penarikan Kesimpulan dan Saran SELESAI Gambar 6. Diagram alir penelitian Pemodelan sistem meliputi pemodelan turbin angin, generator induksi, sistem kontrol, sistem kontrol grid,, Grid Side Converter, sistem grid, VSC (Voltage Source Converter). Data Kecepatan angin yang diambil ialah data kecepatan angin dari wilayah tuntungan berdasarkan pada data dari BMKG (Badan Meteorologi dan Geofisika). Simulasi yang dilakukan meliputi simulasi perubahan kutub dan simulasi perubahan kecepatan angin. Simulasi perubahan kutub dilakukan dengan mengubah parameter jumlah kutub tetapi parameter mesin yang lain tetap sama menyebabkan kecepatan generator berubah walaupun kecepatan angin tetap. Simulasi perubahan kecepatan angin dilakukan pada jumlah kutub yang tetap. Tujuan dari kedua simulasi itu ialah untuk menghasilkan perubahan putaran generator dan kemudian dapat diamati output generator.skematik total sistem dapat dilihat pada Gambar

4 P dan Q referensi Arus Grid (sensor arus) grid (Sensor ) Prime Mover (Turbin Angin) Bandi ngkan Perhitungan P ( Aktid) dan Q ( Reaktif Gear Box Induksi Masukan Ganda ( lilit) Transformasi αβ ke dq Pengaturan sudut berdasarkan speed Arus (sensor arus) Arus (sensor arus) Bandingkan Iαβ antara grid dan, α representasi dari P, β representasi dari Q Transformasi abc ke αβ PWM Transformasi αβ ke abc Vdc Grid Side Converter PWM Sistem Kontrol Grid (Grid Control) CONTROL Arus output stator (sensor arus) grid (Sensor ) Gambar 7. Skematik total sistem pengaturan Arus Grid (sensor arus) SISTEM GRID Analisis Gambar 7 dapat dilihat pada diagram alir Gambar 8. MULAI Input arus grid, tegangan output stator Hitung daya aktif dan daya reaktif TABEL I SAMPEL DATA HASIL SIMULASI PERUBAHAN KUTUB MESIN INDUKSI Jumlah Kutub (n) Aktif /P (kw) Reakti f/q (kvar) Teganga n 1θ (Volt) Putaran /Nr (rpm) n = 4 1,07-3,68 285, n = 6 6,14-2,85 285, n = 8 5,68-2,89 284, n = 12 2,86-3,75 287, n = 2-1,69-4,15 287, TABEL II SAMPEL DATA HASIL SIMULASI PERUBAHAN KECEPATAN ANGIN Kecep atan Angin (m/s) Aktif /P (kw) Reaktif/ Q (kvar) Teganga n 1θ (Volt) Putaran /Nr (rpm) 10 2,47-3,02 286, ,14-2,85 285, ,65-3,06 286, ,03-4,07 286, ,75-1,38 286,23 648,6 Bandingkan dengan daya referensi Hasil perbandingan menjadi masukan untuk transformasi αβ ke dq Frekuensi dihitung berdasarkan pada kecepatan putaran berdasarkan persamaan 4. Hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3 dan Tabel 4. Bandingkan dengan arus yang sudah ditransformasi ke αβ TABEL III HASIL PERHITUNGAN FREKUENSI ROTOR UNTUK SIMULASI PERUBAHAN KUTUB menghasilkan error Iα stator > Iα Iα stator < Iα Iβ stator > Iβ Injeksi arus aktif ke menarik arus aktif dari Injeksi arus reaktif ke menarik daya aktif dari grid menarik daya aktif dari membangkitkan daya reaktif Jumlah Kecepatan putar Frekuensi Kutub n r (rpm) (Hz) , , , , ,4 SELESAI Iβ stator < Iβ menarik arus reaktif dari Gambar 8. Diagram alir sistem pengaturan menyerap daya reaktif Parameter yang diamati ialah frekuensi output atau frekuensi stator, daya aktif, daya reaktif dan kecepatan putar generator atao kecepatan. Parameter yang diatur ialah jumlah kutub mesin induksi dan kecepatan angin. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan hasil simulasi diperoleh sampel data parameter yang diamati pada Tabel 1 dan Tabel 2. TABEL IV HASIL PERHITNUGAN FREKUENSI ROTOR UNTUK SIMULASI PERUBAHAN KECEPATAN ANGIN Kecepatan Kecepatan putar Frekuensi Angin(m/s) n r (rpm) (Hz) , , ,6 34,23 Untuk mendapatkan frekuensi output atau frekuensi stator yang dihasilkan, grafik frekuensi stator yang terbentuk pada Gambar 9 dibandingkan dengan grafik frekuensi sebuah sumber dengan tegangan 220 Volt, 50 Hz pada Gambar 10 pada setiap periode waktu. 182

5 ,23 30, ,23 30, ,23 30,65 Gambar 9. Grafik gelombang tegangan hasil simulasi Gambar 10. Grafik gelombang sumber tegangan 220 V 50 Hz Banyaknya gelombang yang terbentuk untuk setiap selang waktu adalah 10 gelombang. Pada gambar simulasi tegangan jumlah kutub n = 2, 4, 6, 8, 12 pada rentang 0,2s-0,4s, 0,4s-0,6s, 0,6s-0,8s (kondisi steady state) gelombang tegangan yang terbentuk berjumlah 10. Dengan demikian frekuensi output generator induksi adalah sama dengan frekuensi sistem grid. Berdasarkan simulasi, tegangan yang terbentuk pada setiap perubahan kutub mengalami perubahan yang kecil. yang dihasilkan diambil dari data kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output tegangan pada setiap simulasi. Berdasarkan simulasi, nilai tegangan yang dihasilkan untuk tegangan 1 phasa ialah berada pada kisaran ,55 Volt. Untuk tegangan tiga phasa cukup dengan mengalikan dengan 3 karena tegangan tiga phasa yang terbentuk ialah tegangan 3 phasa seimbang. Apabila dibandingkan dengan tegangan referensi atau tegangan grid, maka error tegangan yang timbul dapat dilihat pada Tabel 5 dan Tabel 6. TABEL V PERSEN ERROR TEGANGAN SIMULASI PERUBAHAN JUMLAH KUTUB Jumlah Kutub Grid (V) output/ tegangan stator (V) % error tegangan ,89 29, ,68 29, ,72 29, ,45 30, ,45 30,65 TABEL VI PERSEN ERROR TEGANGAN SIMULASI PERUBAHAN KECEPATAN ANGIN Kecepat an angin Grid (V) output/ tegangan stator (V) % error tegangan ,55 30, ,68 29,85 Dari hasil error, dapat dilihat bahwa pada setiap perubahan kutub perubahan error tegangan hanya sedikit saja berkisar 1% - 1,5%. Hal ini menunjukkan bahwa berusaha mempertahankan tegangan keluaran generator pada besaran yang tetap dengan referensinya adalah tegangan grid. Error tegangan yang timbul diakibatkan oleh harmonisa tegangan yang mengakibatkan penghitungan nilai rataan tidak akurat. Pada jumlah kutub 4, 6, 8, 12 generator mensuplai daya aktif bernilai positif dan daya reaktif bernilai negatif yang berarti generator mensuplai daya aktif dan reaktif. aktif paling besar yang disuplai yakni saat jumlah kutub 6 dan 8 yakni sebesar 6,14 kw. Berdasarkan simulasi perubahan jumlah kutub dan perubahan kecepatan angin, respon terhadap perubahan kecepatan prime mover ( speed) adalah sudah baik. Hal ini dapat dilihat dari tegangan dan daya ouput yang dihasilkan. Berdasarkan tegangan, dapat dianalisis bahwa ketika terjadi perubahan kecepatan prime mover ( speed), tegangan masih tetap pada besaran konstan (285 Volt) dan frekuensi 50 Hz. Dari grafik dayadapat dilihat bahwa ketika terjadi perubahan kecepatan putar generator ( speed), timbul fluktuasi daya, namun setelah 0,4 sekon grafik daya mulai merata pada suatu nilai pada Gambar 8. Gambar 11. Grafik daya aktif (merah) vs daya reaktif (biru) Dengan demikian untuk setiap perubahan kecepatan putar prime mover, merespon dengan mengatur daya aktif dan reaktif yang masuk ke agar tegangan dan frekuensi keluaran dari generator stabil pada nilai yang sesuai dengan sistem grid (220V, 50 Hz). Namun pada simulasi ini, masih terdapat error tegangan yang besar, dapat dilihat dari analisis tegangan. IV. KESIMPULAN Hasil pengaturan menunjukkan bahwa pada perubahan kecepatan prime mover (kecepatan angin), tegangan dan frekuensi dijaga konstan yakni 285 V, 50 Hz. melakukan pengaturan terhadap daya aktif dan daya reaktif generator induksi pada untuk menjaga tegangan dan frekuensi output generator konstan dan untuk daya aktif dan reaktif 183

6 yang dihasilkan, diatur oleh sampai pada nilai yang tetap (konstan). sesuai digunakan pada pembangkitan tenaga angin terlihat dari respon terhadap perubahan kecepatan angin dengan melakukan pengaturan pada generator induksi untuk disesuaikan dengan kecepatan angin untuk menghasilkan tegangan danfrekuensi yang tetap. DAFTAR PUSTAKA [1]. Hammons, T.J Renewable Energy. In-tech: India [2]. zdani Amirnaser, Iravani Reza Voltage Sourced Converters in Power Systems Modelling, Control, and applications. John Wiley and Sons, Inc: USA [3]. Wijaya, Mochtar Dasar Dasar Mesin Listrik. Djambatan: Jakarta [4]. Lingling Fan, Subbaraya Yuvarajam, Modelling and Control of A Doubly Fed Induction Wind Turbine, North Dakota State University, Fargo, ND [5]. Pradeep Kumar, Niranjan Kumar, A.K.Akella, Dinamyc Performance of on the Induction based Wind Farm, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Jamshedpur, Jharkhand , India 184