BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Energi listrik merupakan salah satu energi primer yang tidak dapat dilepaskan penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Peningkatan jumlah penduduk dan pertumbuhan penggunaan peralatan-peralatan yang menggunakan listrik, menyebabkan kebutuhan listrik nasional meningkat. Namun hal ini tidak diikuti dengan pertumbuhan kapasitas energi listrik, akibatnya terjadi defisit energi. Untuk mengatasi hal tersebut berbagai upaya telah dilakukan, salah satunya dengan menambah jumlah pembangkit baik yang menggunakan energi fosil maupun energi baru terbarukan. Data statistik PT. PLN (Persero) sampai akhir Desember tahun 2013, mencatat total kapasitas terpasang mencapai MW dan pembangkit PLN (holding dan anak perusahaan) berjumlah unit, dengan MW (78,26%) berada di Jawa. Persentasi kapasitas terpasang berdasarkan jenis pembangkit diperlihatkan pada Tabel 1.1. Tabel 1.1 Persentasi Kapasitas Terpasang Pembangkit Tahun 2013 No Jenis Pembangkit Kapasitas (MW) Persentasi (%) 1 PLTU ,47 2 PLTGU ,77 3 PLTD ,33 4 PLTA ,29 5 PLTG ,46 6 PLTP 568 1,67 7 PLTS dan PLTB 8,37 0,02 Dari data tersebut terlihat bahwa sebagian besar pembangkit di Indonesia masih menggunakan sumber energi yang berasal dari fosil (batubara dan minyak). Pembangunan pembangkit konvensional memerlukan waktu yang cukup lama dengan berbagai proses yang rumit dan sering menyebabkan masalah lingkungan yang cukup serius. Dengan mempertimbangkan rasio elektrifikasi di Indonesia sampai dengan tahun 2012 sebesar 75,83% [1] dan blueprint pengelolaan energi nasional yang memberikan sasaran peningkatan pencapaian energi baru terbarukan pada tahun 2025

2 lebih besar dari 5% [2] maka perlu upaya melakukan diversifikasi energi pada pembangkit tenaga listrik dengan memprioritaskan pemanfaatan energi baru terbarukan secara optimal. Selain itu, ketersediaan bahan bakar fosil sudah semakin terbatas di alam [3-4], sehingga perlu dilakukan penghematan penggunaan energi fosil dengan memanfaatkan sumber energi alternatif. Kebutuhan listrik untuk sistem yang lebih fleksibel, perubahan dalam peraturan dan skenario ekonomi serta pentingnya pemanfaatan energi dan meminimalkan dampak lingkungan, mendorong pengembangan pembangkit kecil tersebar yang biasa dikenal sebagai distributed generation (DG) [4]. Tidak ada definisi yang jelas mengenai DG. Akan tetapi, beberapa karakteristik pembangkitan tersebar secara umum yakni merupakan pembangkit dengan kapasitas antara beberapa kw hingga beberapa MW yang dipasang di dekat dengan pusat beban [5] dan terhubung langsung ke jaringan [6]. Saat ini, DG merupakan langkah yang efektif untuk mengatasi kekurangankekurangan pada sistem tenaga listrik konvensional seperti masalah emisi, kelemahan akibat saluran transmisi panjang, kemacetan pembangunan pembangkit, masalah beban puncak dan lain-lain. DG bisa digunakan sebagai sumber pengganti tenaga listrik dari grid atau sebagai sumber tambahan yang bersama dengan grid menyuplai beban. Namun, DG dalam skala besar mempunyai beberapa dampak negatif, yaitu biaya yang tinggi dan sistem kontrol menjadi kompleks [7]. Dampak DG terhadap kualitas daya bergantung pada jenis DG, perangkat interface dengan sistem pengguna, size unit DG, total kapasitas relatif DG terhadap sistem, size relatif DG terhadap beban pada titik interkoneksi dan regulasi tegangan feeder. Berdasarkan jenis interface untuk terhubung ke grid, DG dibedakan menjadi dua jenis. Pertama DG yang berbasis inverter misalnya photovoltaic, wind turbine generator, fuel cell dan microturbine. Kedua, DG yang berbasis non-inverter misalnya minihydro [8]. PV (photovoltaic) merupakan salah satu contoh DG berbasis inverter dengan sumber energi yang bersih, ramah lingkungan dan aman [9] namun tidak pasti [10]. PV mengkonversi energi sinar matahari menjadi listrik, sehingga hanya dapat menghasilkan listrik di siang hari. Namun karena intensitas matahari yang diterima tidak selalu

3 konstan menyebabkan keluaran PV berubah-ubah sesuai intensitas radiasi yang diterimanya. Pada penelitian ini akan dibahas bagaimana PV dapat memperoleh daya maksimal untuk diinjeksikan ke grid, meskipun terjadi perubahan dari sisi masukan (irradiance). PV ini digunakan sebagai penambah daya untuk menyuplai beban yang dihubungkan ke jaringan 3 fasa 4 kawat. 1.2 Perumusan Masalah Permasalahan yang dibahas dalam thesis ini adalah perancangan sistem kendali daya aktif dari sumber PV yang terintegrasi ke jaringan distribusi 3 fasa 4 kawat. Adapun permasalahan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut : 1. Bagaimana cara mengendalikan PV agar selalu dapat menghasilkan daya maksimal sesuai dengan kurva karakteristik PV. 2. Bagaimana cara memaksimalkan daya keluaran PV menggunakan boost DC-DC converter sebagai MPPT. 3. Bagaimana korelasi daya antara boost dc-dc converter dengan inverter 3 fasa sehingga didapatkan strategi kendali yang sederhana untuk menginjeksi daya maksimal ke grid. 4. Bagaimana pengaruh perubahan irradiance dan pembebanan terhadap karakteristik inverter 3 fasa 4 kawat yang dirancang. 1.3 Keaslian Penelitian Penelitian mengenai transfer daya dan integrasi PV ke grid guna pemenuhan suplai energi listrik telah banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya, misalnya penelitian yang dilakukan oleh Bambang Sujanarko [11]. Penelitian ini membahas tentang metode sinkronisasi inverter satu fasa ke jaringan listrik terdistorsi. Menurut Bambang, bila hanya mempertimbangkan besaran amplitudo efektif, frekuensi dan fasa sebagai syarat untuk sinkronisasi inverter ke sistem pembangkit konvensional (generator) belum cukup. Ada syarat lain yang harus dipenuhi misalnya kesamaan bentuk gelombang dengan kata lain tegangannya sesaat harus sama. Oleh sebab itu dalam pada penelitian ini diberikan metode untuk sinkronisasi inverter PWM (pulse width modulation) VSI (voltage source inverter) satu fasa dengan jaringan listrik yang

4 terdistorsi, yang berbeda dengan metode-metode sebelumnya. Perbedaan utamanya terletak pada kompensasi pergeseran sudut dengan rangkaian C-R dan penggunaan tegangan jaringan asli untuk modulasi menggunakan teknik zero crossing, sehingga bentuk tegangan bisa dipertahankan sama dengan aslinya. Penelitian ini kemudian diverifikasi melalui simulasi dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB [11]. Slamet Riyadi melakukan penelitian tentang integrasi PV ke sistem grid menggunakan PWM converter yang dioperasikan sebagai sumber arus terkontrol tanpa rangkaian kontrol untuk sinkronisasi. Metode yang diberikan ini memiliki kontrol yang lebih sederhana dan dapat melakukan pembagian beban listrik antara grid dan PV (load share). Dalam penelitian ini, modul PV diparalelkan ke sistem grid melalui inverter PWM. Inverter ini kemudian dioperasikan sebagai sumber arus terkendali sehingga tidak memerlukan sinkronisasi tegangan, dengan demikian pengontrolan kompleks menjadi lebih sederhana. Karena dapat melakukan pembagian beban, sehingga dapat ditentukan beban mana yang akan disuplai oleh PLN (grid) ataupun PV. Dalam pengoperasiannya, tegangan DC keluaran PV digunakan sebagai masukan inverter PWM kemudian inverter tersebut akan menginjeksikan arus menurut referensi yang telah ditentukan. Konsep ini merupakan pengembangan konsep tapis aktif yang telah dilakukan peneliti sebelumnya. Selain itu hubungan PV ke inverter juga tanpa melalui MPPT (maximum power point tracker) dengan alasan untuk menyederhanakan sistem [12]. Selain itu, Slamet juga meneliti tentang integrasi PV ke grid melalui inverter sumber tegangan dengan arus terkendali guna mengirimkan daya maksimal yang dihasilkan PV ke grid untuk sistem tiga fasa tiga kawat. Sistem konversi yang dilakukan menggunakan 2 tahap konversi yakni menggunakan boost converter sebagai MPPT dan inverter 3 fasa untuk mengubah daya DC ke AC agar dapat dikirim ke grid [13]. Lanjutan penelitian ini dilakukan dengan menggunakan buck-boost converter sebagai MPPT [14]. Leonardus Heru Pratomo meneliti cara mendapatkan konversi energi yang maksimal dari sebuah modul surya sesuai kurva karakteristiknya. Pada penelitian ini dikembangkan suatu struktur kendali melalui deteksi lereng tegangan untuk

5 mendapatkan daya maksimal kemudian dikendalikan dengan teknik modulasi delta. Dengan teknik yang dikembangkan ini struktur rangkaian kendali konversi daya maksimal menjadi sederhana dan mampu menghasilkan daya yang maksimal. Teknik ini dapat dianggap sebagai MPPT yang kemudian digunakan untuk uji coba efisiensi konversi daya keluaran modul surya yang hasilnya mencapai 83,194% [15]. Hoang Giang et al, meneliti tentang kontrol daya aktif dan reaktif output inverter dengan sumber tegangan (VSI) yang diterapkan untuk sistem energi baru-terbarukan yang terhubung ke sistem tenaga listrik guna meningkatkan kestabilan tegangan dan kualitas daya. Dalam penelitian ini, VSI dihubungkan ke sistem grid melalui filter L, pemenuhan kualitas daya divalidasi berdasarkan standar harmonisa, IEEE std 519. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Simulink- Matlab [16]. Hafizh Hardika et al, meneliti tentang bagaimana sistem photovoltaic distributed generation dapat mensuplai daya baik daya aktif maupun daya reaktif secara maksimal menuju grid. Untuk pencarian daya maksimal digunakan metode P&O yang diimplementasikan pada boost converter dengan dua buah IGBT. Kedua IGBT tersebut membentuk boosting MPPT tiga level. Untuk mengurangi biaya investasi boost converter dihubungkan langsung dengan inverter tiga fasa tanpa melalui baterai. Selanjutnya agar dapat menginjeksi daya ke grid, maka output boost converter dijadikan input inverter tiga fasa. Untuk memaksimalkan transfer daya sistem dilakukan penggesaran sudut fasa dan pengaturan tegangan output inverter. Hasil simulasi diperoleh bahwa MPPT dapat bekerja dengan baik untuk melakukan pencarian titik daya maksimal hingga diatas 60 % dari daya maksimal PV [17]. Petra et al, memanfaatkan chooper jenis step up sebagai tracker untuk mencapai daya maksimal dari PV. Hal ini dilakukan dengan mengatur nilai beban agar sesuai dengan nilai tahanan maksimal yang diperoleh dari titik maksimal (MPP) kurva karakteristik PV. Nilai beban yang sesuai akan membuat PV menghasilkan output sesuai daya maksimal yang dapat dicapai. Perbandingan nilai R MPP dengan beban menghasilkan nilai duty cycle. Dengan merubah nilai duty cycle, maka daya keluaran pun akan berubah, pengaturan nilai duty cycle ini memungkinkan pengendalian daya PV agar tetap berada pada nilai maksimalnya. Namun sistem ini masih dikendalikan secara

6 manual [18]. Franke et al menganalisis kinerja kontrol inverter dengan sumber PV yang terhubung ke grid untuk sistem 3 fasa. Inverter yang diteliti adalah inverter 3 fasa 4 kawat, kawat untuk fasa netral dimbil dari titik tengah DC link (menggunakan kapasitor split). Dalam penelitian ini diberikan penjelasan mengenai beberapa strategi kontrol inverter yakni menggunakan kendali arus PI dalam dq0-reference frame, menggunakan kontrol resonansi dan histerisis. Keseluruhan teknik kendali yang digunakan ditujukan untuk menganalisis arus bocor, pengaruh PV terhadap harmonik di grid, step response untuk parameter kontrol yang optimal dan analisis rugi-rugi daya dan efisiensi [19]. Berbeda dari penelitian sebelumnya, penelitian ini berfokus pada bagaimana cara memperoleh daya maksimal dari PV dan mengirimkan seluruh daya yang dihasilkan ke grid meskipun intensitas radiasi masukan modul PV berubah-ubah. Pengiriman daya maksimal ke grid dilakukan dengan metode korelasi daya. PV terhubung ke grid melalui inverter VSI dengan kendali arus pada kapasitor DC-link. Untuk mempermudah jalannya penelitian, dilakukan simulasi dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Power Simulator (PSIM). 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perubahan irradiance terhadap kinerja sistem yang dirancang sehingga keluaran PV dapat dikendalikan agar selalu menghasilkan daya maksimal sesuai kurva karakteristik PV. Pengendalian ini dilakukan dengan metode korelasi daya di setiap bagian konversi baik DC-DC maupun DC-AC, sehingga didapatkan strategi kendali yang sederhana dengan kendali arus untuk menginjeksi daya maksimal ke grid. 1.5 Manfaat Penelitian Dengan adanya penelitian ini diharapkan dapat menjadi salah satu sumber referensi tentang integrasi PV ke grid agar seluruh daya yang dihasilkan dari pemanfaatan energi matahari dapat secara optimal dipakai dalam pemenuhan kebutuhan daya listrik di masyarakat.