DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR PENGATURAN OUTPUT GENERATOR INDUKSI DENGANN STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR (STATCOM) PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh: Riswanta Sembiring NIM : DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

2

3 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. Generator induksi merupakan salah satu solusi karena tidak harus diputar pada kecepatan tetap. Pada tugas akhir ini, penulis membahas pengaturan output generator induksi dengan static synchronous compensator pada pembangkit listrik tenaga angin. Melalui pengaturan ini, akan 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. Penelitian diakukan dengan menggunakan software simulasi PSIM. Hasil yang didapat ialah, STATCOM 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 (STATCOM) i

4 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmatnya yang diberikannya kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Pengaturan Output Generator Induksi Dengan Static Synchronous Compensator (STATCOM) Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orangtua yang telah membesarkan penulis, saudara kandung penulis dan kepada semua yang memberi perhatian dan dukungannya hingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Selama masa perkuliahan sampai penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis mendapat dukungan, bimbingan, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberi bantuan,bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. Terima kasih sebesar-besarnya penulis ucapkan untuk beliau 2. Ibu Syska Yana, ST, MT dan bapak Ir. Eddy Warman, MT selaku Dosen Penguji 3. Bapak Ir. Sihar. P. Panjaitan, MT selaku Dosen Wali penulis 4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro USU dan Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU 5. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik 6. Para asistan Laboratorium Konversi Energi dan Laboratorium Analisis Sistem Tenaga yang telah memberi banyak masukan 7. Teman-teman stambuk 2011: Marluhut, Tiddaucy, Analbert, Frederik, Anriadi, Andri Simamora, Josua, Vero, Emir, Memory, Dedi, Riko, Josia, Guntur, Rizky, Ricky, Putra, Trendy, Ronni,Toni, Sandro, Dedi, Syahlan, Fikri, Andreas dan teman-teman lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu 8. Saudara Emir Lutvi Pahlevi dalam membantu penulis memperoleh data 9. BMKG Tuntungan atas penyediaan data yang dibutuhkan penulis ii

5 10. Semua abang-kakak senior, terkhusus abang-kakak senior yang mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis 11. Ayah, ibu, serta abang, kakak dan adik penulis yang sudah memberi dukungannya 12. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis ucapkan terima kasih Medan, 12 Desember 2015 Penulis, Riswanta Sembiring iii

6 Daftar Isi Halaman ABSTRAK. i KATA PENGANTAR... ii Daftar Isi. iv Daftar Gambar vi Daftar Tabel x I. PENDAHULUAN... 1 I.1 Latar Belakang.. 1 I.2 Perumusan Masalah... 2 I.3 Tujuan. 3 I.4 Batasan Masalah.. 3 I.5 Manfaat 3 II. TINJAUAN PUSTAKA... 4 II.1 Pembangkit Listrik TenagaAngin 4 II.1.1 Karakteristik Turbin Angin 5 II.1.2 Jenis Turbin Angin. 6 II.1.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap (Fix Seed Wind Turbine/ FSWT... 7 II.1.4 Turbin Angin Kecepatan Berubah (Variable Seed Wind Turbine/ VSWT...8 II.2 Generator Induksi. 10 II.2.1 Prinsip Kerja Generator Induksi. 10 II.2.2 Karakteristik Mesin Induksi 11 II.2.3 Generator Induksi Masukan Ganda (Double Fed Induction Generator/ DFIG 13 II.3 Static Synchronous Compensator (STATCOM) 15 II.3.1 Prinsip Operasi Dasar STATCOM. 15 II.3.2 VSC (Voltage Source Converter) 16 II.4 Diagram Blok Sistem Kerja STATCOM. 18 II.4.1 Pengaturan Tegangan II.4.2 Pengaturan Frekuensi 18 iv

7 II.5 Skematik Total Sistem.. 19 II.6 Diagram Alir Sistem Kontrol STATCOM 20 III. METODE PENELITIAN.21 III.1 Tempat dan Waktu. 21 III.2 Bahan dan Peralatan.21 III.3 Pelaksanaan Penelitian.21 III.4 Variabel yang Diamati. 21 III.5 Prosedur Penelitian.. 22 III.6 Pemodelan Sistem di Software PSIM. 24 III.6.1 Pemodelan Sistem Kontrol STATCOM 29 III.6.2 Pemodelan Sistem Kontrol Grid 30 IV. SIMULASI. 34 IV.1 Simulasi Perubahan Kutub Mesin Induksi. 34 IV.2 Simulasi Perubahan Kecepatan Angin 47 V. HASIL DAN PEMBAHASAN. 56 V.1 Sampel Hasil Simulasi Perubahan Kutub V.2 Analisis Hasil Simulasi Perubahan Jumlah Kutub 56 V.2.1 Analisis Frekuensi.. 56 V.2.2Analisis Tegangan 58 V.1.3 Analisis Daya Aktif dan Daya Reaktif 59 V.3 Sampel Hasil Simulasi Perubahan Kecepatan Angin 60 V.3.1 Analisis Frekuensi.. 60 V.3.2 Analisis Tegangan.. 61 V.2.3 Analisi Daya Aktif dan Daya Reaktif 62 V.4 Analisis Kinerja STATCOM Terhadap Pembangkit Listrik Tenaga Angin.. 63 VI. KESIMPULAN DAN SARAN VI.1 KESIMPULAN.. 61 VI.2 SARAN.. 61 Daftar Pustaka 62 LAMPIRAN v

8 Daftar Gambar Gambar 2.1 Sistem dasar pembangkit listrik tenaga angin.. 4 Gambar 2.2 kurva c hasil dari variasi kecepatan angin 5 Gambar 2.3 Turbin angin vertikal 5 Gambar 2.4 Turbin angin horizontal 6 Gambar 2.5 Skematik diagram pembangkit tenaga angin kecepatan tetap. 7 Gambar 2.6 Skematik diagram pembangkit tenaga angin variable speed dengan (a) generator induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c) permanent magnet synchronous motor.. 8 Gambar 2.7 Karakteristik mesin induksi pada grafik torsi vs speed/ torsi vs slip.. 11 Gambar 2.8 Skema generator induksi penguat sendiri (SEIG), Self Excited Induction Generator Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen generator induksi masukan ganda.. 13 Gambar 2.10 Skematik diagram dari STATCOM.. 15 Gambar 2.11 Skematik sistem kerja STATCOM Gambar 2.12 Voltage Source Converter 3 phasa.. 17 Gambar 2.13 Sinyal referensi sinusoidal dan sinyal carrier segitiga. 18 Gambar 2.14 Blok diagram pengaturan tegangan Gambar 2.15 Blok diagram pengaturan frekuensi Gambar 2.16 Skematik Total Sistem 19 Gambar 2.17 Diagram alir sistem kontrol STATCOM 20 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian 22 Gambar 3.2 Turbin angin pada PSIM Gambar 3.3 Kotak dialog parameter turbin angin Gambar 3.4 Model mesin induksi rotor belitan pada PSIM Gambar 3.5 Kotak dialog parameter mesin induksi rotor belitan Gambar 3.6 Model static synchronous compensator (STATCOM) Gambar 3.7 Model Grid Side Converter 26 Gambar 3.8 Model sistem grid.. 26 Gambar 3.9 Kotak dialog parameter sistem grid 27 Gambar 3.10 Skematik pembangkitan tenaga angin pada PSIM.. 28 Gambar 3.11 Model sistem kontrol STATCOM 29 vi

9 Gambar 3.12 Model sistem kontrol grid Gambar 3.13 Model kontrol tegangan DC Gambar 3.14 Model transformasi abc- αβ Gambar 3.15 Model pengontrol arus α.. 31 Gambar 3.16 Model pengontrol arus β Gambar 4.1 Kotak dialog parameter mesin induksi dengan jumlah kutub n = Gambar 4.2 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya generator.. 34 Gambar 4.3 (a) Grafik Tegangan 3 phasa, (b) Grafik tegangan 1 phasa, (c) Kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu Gambar 4.4 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu Gambar 4.5 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator Gambar 4.6 Kotak dialog parameter mesin induksi dengan jumlah kutub n = Gambar 4.7 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya generator pada suatu titik plot waktu Gambar 4.8 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot. 37 Gambar 4.9 (a) Grafik kecepatan putar generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu Gambar 4.10 Pengukuran nilai rata-rata output generator Gambar 4.11 Kotak dialog parameter mesin induksi jumlah kutub n = Gambar 4.12 Grafik output daya generator dan pengukuran output daya generator pada suatu titik plot waktu. 39 Gambar 4.13 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukutan tegangan1 phasa pada suatu titik plot waktu.. 40 Gambar 4.14 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata dari output generator Gambar 4.15 Grafik kecepatan generator dan kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu Gambar 4.16 Kotak dialog parameter generator induksi jumlah kutub n = Gambar 4.17 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya pada suatu titik plot waktu Gambar 4.18 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu.. 42 vii

10 Gambar 4.19 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu Gambar 4.20 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator. 43 Gambar 4.21 Kotak dialog parameter mesin induksi jumlah kutub n = 2 43 Gambar 4.22 Grafik output daya generator dan pengukuran output daya pada suatu titik plot waktu.. 44 Gambar 4.23 Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) grafik pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu Gambar 4.24 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu. 45 Gambar 4.25 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator 46 Gambar 4.26 Grafik output generator dan kotak dialog pengukuran output generator pada suatu titik plot. 47 Gambar 4.27 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan pada suatu titik plot waktu Gambar 4.28 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu. 48 Gambar 4.29 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator 48 Gambar 4.30 Grafik output daya dan kotak dialog pengukuran output daya pada suatu titik plot waktu. 48 Gambar 4.31 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu. 49 Gambar 4.32 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu. 50 Gambar 4.33 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator 50 Gambar 4.34 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya pada suatu titik plot waktu.. 50 Gambar 4.35 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) Kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu 51 Gambar 4.36 (a) Grafik kecepatan putar generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu.. 52 Gambar 4.37 Kotak dialog pengukuran nilai rata rata output generator. 52 Gambar 4.38 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya generator pada suatu titik plot. 52 viii

11 Gambar 4.39 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot. 53 Gambar 4.40 (a) Grafik kecepatan putar generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot Gambar 4.41 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator 54 Gambar 4.42 Vektor α dan β.. 79 Gambar 4.43 Transformasi Park dalam bidang vektor.. 80 ix

12 Daftar Tabel Tabel 5.1 Sampel data hasil simulasi perubahan jumlah kutub.56 Tabel 5.2 Sampel data hasil simulasi perubahan kecepatan angin 60 x