Model Hibrid PV-Genet Aplikai pada Sitem Off-Grid Agu Adria dan Tarmizi Juruan Teknik Elektro Univerita Syiah Kuala Jl. Syech Abdurrauf No. 7, Darualam, Banda Aceh 23111 e-mail: agadria@yahoo.com Abtrak Pada penelitian ini akan dideain item pembangkit litrik tenaga hibrid PV-genet untuk aplikai pada item off-grid menggunakan oftware PSIM 9.1. Sitem hibrid ini menggunakan kopel PFAC, rangkaian imulai terdiri dari panel PV model BP417, model genet, rangkaian boot konverter, inverter, LPF, rangkaian beban dan item kontrol. Hail imulai PV dapat menghailkan daya makimum pada tegangan 177 volt ebear 2500 watt pada intenita matahari 1000W/m2. Daya ini akan menurun bila intenita matahari menurun, daya minimum 680 watt, dan tegangan 154 volt pada intenita matahari 300W/m2. Rangkaian boot konverter dapat menghailkan tegangan keluaran kontan (tabil) pada 340 volt pada bataan input boot konverter 154-177 volt. LPF dapat mereduki ditori harmonik inverter dari THDi 123% menjadi 1,27%. Sitem hibrid PV-genet yang telah di deain dapat menggabungkan daya dari inverter (PV) dengan genet bila daya beban udah di ata 2500W. Kata kunci: hibrid, PV, genet, inverter, Pim Abtract Thi reearch will be deigned hybrid power generation ytem PV-generator for application in off-grid ytem uing PSIM oftware 9.1. Thi hybrid ytem uing a coupling PFAC, circuit imulation conit of a PV panel BP417 model, the model generator, a boot converter circuit, inverter, LPF, circuit load and control ytem. The imulation reult can produce PV maximum power at a voltage of 177 volt for 2500watt the un intenity 1000W / m2. Thi power will decreae when intenity of the un decreae, minimum power 680 watt and voltage of 154V in the un intenity 300W / m2. The circuit boot converter can produce output voltage contant (table) at 340V on the limit of 154-177 volt input boot converter. LPF can reduce harmonic inverter of THDi 123% to 1.27%. PV- hybrid generator ytem that ha been in deign can combine power from the inverter (PV) with a generator if power load above on 2500W. Keyword: hybrid, PV, genet, inverter, Pim I. Pendahuluan Energi matahari merupakan energi terbarukan yang angat bear poteni di Indoneia yang mencapai 1000 W/m 2. Photovoltaic (PV)/el urya menkonverikan cayaha matahari menjadi litrik aru DC. Effieni PV yang terbuat dari bahan ilicon crytalline rata-rata adalah 15%, ini artinya bila lua panel PV 1 m 2 hanya mampu menghailkan daya litrik 150 Watt. Beban litrik pada pada umumnya diuplai oleh aru AC, pada rumah tangga dan perkantoran umumnya bekerja pada item atu faa tegangan 220 Volt dan frekueni 50 Hz. Karena PV menghailkan aru DC maka digunakan inverter untuk mengubah menjadi aru AC, diamping itu karena inteita matahari tidak kontan dari pagi ampai ore dan juga dipengaruhi oleh cuaca yang memyebabkab tegangan keluaran PV tidak kontan maka digunakan pengaturan tegangan dc (dc controller/dc converter). Pada item PV juga menggunakan baterai untuk menyimpan energi yang tidak digunakan. PV dapat dihibridkan dengan genet untuk memenuhi kecukupan daya beban. Pada penelitian ini, hibrid PVgenet untuk diaplikaikan pada item off-grid dan item hibrid ini menggunakan kopel PFAC. PV dioperaikan ebagai penyalur daya utama ke beban, edangkan genet ebagai penambah daya dan akan beroperai bila daya PV lebih kecil daya dari daya beban. A. Sitem hibrid II. Studi Putaka Sitem hibrid adalah item pembangkit yang terdiri dari beberapa jeni pembangkit litrik yang terintegrai. Sitem hibrid bia berupa gabungan antara pembangkit litrik dari umber energi terbarukan (renewable energy) dan pembangkit litrik dari umber energi konvenional atau tidak terbarukan (non renewable energy) atau gabungan antar pembangkit litrik terbarukan. Salah atu peryaratan utama untuk item hibrid adalah untuk mematikan aliran daya yang berkelanjutan dengan menyimpan kelebihan energi dari umber energi terbarukan [8]. Sumber energi terbarukan memiliki karakteritik operai yang berbeda-beda, karena itu dibutuhkan informai yang jela dan kerangka kerja tandar untuk membentuk item hibrid. Sumber energi, penyimpanan 96
Gambar 1. Skema item hibrid kopel AC katagori PFAC[4] energi, dan beban-beban yang terintegrai beroperai ecara beramaan dan beroperai dengan cara plug and play tanpa memerlukan konfigurai ulang. Ada banyak cara untuk mengintegraikan umber pembangkit litrik energi alternatif yang berbeda-beda untuk membentuk item hibrid, ecara umum diklaifikaikan menjadi 3 kategori: kopel DC, kopel AC dan kopel hibrid [4]. Kopel AC dapat dibagi menjadi dua ub kategori: PFAC dan HFAC. Kopel PFAC ditujukkan pada Gambar 1, dimana beberapa umber energi yang berbeda terintegrai melalui perangkat power elektronik pada frekueni AC bu. Kopling induktor diperlukan antara perangkat power elektronik dengan AC bu untuk manajemen aliran daya. Pada Sitem hibrid kopel AC ini, untuk dapat terintegrai (digabungkan) daya pada kopel AC haru memenuhi beberapa peryaratat yaitu: tegangan, frekueni, beda faa dan bentuk gelombang haru ama. B. Photovoltaic (PV) Sel urya mengkonverikannya cahaya matahari menjadi energi litrik aru DC. Sebuah modul panel urya dibentuk dengan banyak el urya yang dihubungkan ecara eri dan paralel. Karena el urya adalah tunggal ehingga dapat dimodelkan dengan memanfaatkan umber aru dioda dan dua reitor. Model ini di ebut model el urya dioda tunggal ditunjukkan pada Gambar 2. Peramaan pada rangkaian ekivalen eperti pada Gambar 2 dirumukan dengan hukum Kirchoff ebagai berikut: I= IL ID Ih () 1 V + IR V IR I= IL I nvt + 0 exp 1 ( 2) Rh dimana: I L = aru umber (A) I 0 = aru aturai dioda revere (A) R = tahanan eri (W) R h = tahanan hunt (W) n = dioda ideality factor Untuk kurva karakteritik el urya I-V dan P-V ditunjukkan pada Gambar 3. Pada gambar dapat dilihat bahwa el beroperai ebagai umber aru kontan pada tegangan rendah dibawah V OC, edangkan daya makimum pada titik MPP [5]. Di Indoneia, lamanya penyinaran matahari efektif dikonverikan menjadi energi litrik hanya elama 8 jam dari jam 9.00 ampai dengan jam 16.00. C. Genet Gambar 3.. Kurva P-V dan V-I pada el urya Genet (generator et) adalah ebuah perangkat yang menghailkan daya litrik, yang merupakan hail konveri mekanik ke litrik. Genet terdiri dari dua perangkat utama yaitu engine dan generator (G 1 ) erta didukung oleh motor tarter (M 1 ), baterai dan perangat kontrol lainya eperti ditunjukkan pada Gambar 4. Bila tombol tart (NO) di tekan, motor tarter M 1 bekerja dan memutar (tarting) engine, bila engine udah berkerja tombol tart di lepa. Lebih kurang 10 detik generator (G 1 ) bekerja baru MCB dapat di on untuk menuplai daya kebeban. Bila tombol top (NC) ditekan, engine akan berhenti (off). D. Konverter power elektronik Konverter power elektronik (electronic power converter) terdiri dari pengubah aru litrik dari DC ke AC (inverter), pengubah AC ke DC (rectifier), pengubah tegangan DC dari atu level ke level yang lain (DC konverter) dan pengubah tegangan AC (AC kontroler). M1 Engine G1 MCB Vo Start Stop Baterai Gambar 2. Rangkaian ekivalen el urya model dioda tunggal Gambar 4. Single line Genet 97
i L D M2 I o PV Kopel ac 220 Volt/50Hz L d v L + - i C + Boot Converter Battery Bank Inverter PWM LPF V + - vg Q 1 D M1 C d R L V o - PWM&Loop Kontrol Genet R L Gambar 5. Rangkaian boot konverter Dalam penelitian ini, konverter daya yang digunakan yaitu inverter dan boot konverter. Boot konverter bekerja menaikan tegangan dari level tegangan umber (V) ke level tegangan yang lebih tinggi, rangkaian boot konverter eperti pada Gambar 5. Bila mofet Q 1 di on kan elama t on, aru umber V mengalir melalui induktor L d, mofet Q 1, kembali ke umber dan aat ini energi terimpat pada induktor L d. Jika mofet Q 1 di off elama t off, energi terimpat pada induktor L d ditranfer ke beban melalui D M2 dan aru induktor I L turun. Tegangan keluaran rata-rata diberikan: v V L I t 0= + = V 1+ t2 t 1 = V 1 k 1 2 () 3 Tegangan keluaran dapat dinaikan dengan mengatur duty cycle k dari inyal PWM (v g ) dan tegangan keluaran minimum adalah ebear V pada k=0, dan makimum pada nilai k mendekati atu ( dc converter tidak bia beroperai pada nilai k =1 dari inyal PWM ). Inverter adalah uatu peralatan yang mengubah aru DC manjadi AC dan diebut juga dengan konverter DC ke AC. Rangkaian inverter atu faa diperlihatkan diperlihatkan pada Gambar 6. Tegangan keluaran inverter merupakan tegangan AC yang tetap atau berubah pada frekueni yang tetap atau berubah. Tegangan keluaran yang berubah dapat diperoleh dengan merubah tegangan maukan DC dan mempertahankan gain inverter tetap kontan. Jika tegangan input tetap kontan, tegangan output yang berubah diperoleh dengan merubah gain inverter yaitu dengan pengontrolan PWM (Pule Witdh Modulation). Gain inverter didefiniikan ebagai raio tegangan keluaran AC terhadap tegangan maukan DC. Sedangkan frekueni keluaran dapat diubah dengan mengubah frekueni inyal refereni. Setiap witch (S) didapat di-witching dengan inyal V + - C d S 1 S 3 S 4 S 2 Gambar 6. Rangkaian inverter atu faa I o + V o - R L Gambar 7. Blok diagam hibrid PV-genet off- grid egi empat, namu bentuk gelombang tegangan output inverter mengandung harmonia dengan THD (Total Harmonic Ditortion) tertinggi. Dengan teredianya komponen power emikonduktor berkecepatan tinggi/ frekueni tinggi, THD dapat diperkecil dengan berbagai macam metode witching eperti PWM inuoidal. Tegangan keluaran RMS adalah: 2 V0 = T0 T0 / 2 0 12 / 2 V V dt = 4 2 ( 4) Tegangan keluaran eaat dalam komponen-komponen harmonik adalah: 2V v0 = in nωt ( 5) nπ n= 123,,,.. III. Metode Pada penelitian ini, rangkaian item hibrid PV-genet diimulaikan menggunkan oftware PSIM veri 9.1. Sitem hibdrid ini dideain untuk daya beban makimum 5kW yang terdiri dari PV 2,5 Kw dan genet 2,5 kw. Blok diagram eperti ditunjukkan pada Gambar 7. PV menggunakan data BP4175 dimana daya makimum P max 175 watt pada tegangan makimum V max 34,7V dan untuk menghailkan keluaran 2,5 kw dan tegangan 177V, PV dihubungkan eri dan paralel eperti pada Gambar 8. Genet dimodelkan dengan ebuah umber AC dan lengkapi dengan rangkaian tart dan top,eperti tunjukkan pada Gambar 9. Bila input tart berlogika tinggi eaat dan input top berlogika tinggi maka genet ON, bila top berlogika rendah maka genet OFF. Tahanan R S untuk membatai daya umber 2,5kW/220V. Rangkaian beban R L pada pada item hibrid ini terdiri dari 4 tahanan (R L1 -R L4 ) dengan kombinai paralel tergantung tep voltage ource V S1 -V S4. Rangkaian eperti ini dimakud untuk mendapatkan kombinai beban 725W, 2500W dan 5000W. Rangkaian beban eperti di tunjukkan pada Gambar 10. Rangkaian imulai lengkap item hibrid PV-genet menggunakan oftware PSIM 9.1 eperti pada Gambar 11. 98
Gambar 9. Model genet Gambar 8. PV hubungan eri dan paralel IV. Hail dan Pembahaan Pada rangkaian imulai Gambar 11, PV diatur pada uhu 25ºC, edangkan intenita cahaya matahari diatur dari 300W/m 2 ampai 1000W/m 2. Daya output diperoleh 680 W ampai 2500 W ditunjukkan pada Gambar 12 dan tegangan 154 V ampai 177 V eperti pada Gambar 13. Gelombang keluaran dari genet eperti pada Gambar 14, dimana V rm 220V dan frekueni 50Hz. Gelombang tegangan keluaran inverter ebelum di paang LPF (low pa filter) eperti pada Gambar 15 dan eudah dipaang filter ditunjukkan pada Gambar 16. Bila daya beban maih dibawah 2,5kW daya beban hanya diuplai oleh inverter dan ketika daya beban udah Gambar 10. Model beban diata 2,5kW maka daya beban diuplai oleh inverter dan genet. Genet akan hidup (on) ecara otomati bila daya beban udah mencapai diata 2,5kW. Bentuk gelombang daya root mean quare (P rm )beban pada item hibrid eperti ditunjukkan pada Gambar 17. Pada Gambar 17 terlihat bahwa dari waktu 0,02-0,42 detik daya beban hanya diuplai oleh inverter P inv ebear 1250W dan 2500W. Pada waktu 0,42-0,8 detik daya beban Gambar 11. Rankaian hibrid PV-Genet 99
Gambar 12. Output daya PV Gambar 16. Tegangan output Inverter menggunakan LPF Gambar 17. Daya pada item hybrid Gambar 13. Output tegangan PV udah naik diata 2500W, pada kondii ini daya beban uplai oleh inverter dan genet. Daya beban pada iten hibrid ini di perlihatkan pada Tabel 1. Gelombang aru beban (I L ), aru inverter (I inv ) dan aru generator (i g ) eperti pada Gambar 18. Aru beban berubah Gambar 14. Tegangan output genet Gambar 18. Aru pada item Hibrid etiap 0,2 detik euai dengan pengaturan tahanan beban. pada waktu 0-0,4 detik aru beban hanya diuplai oleh inverter dan waktu 0,04-0,8 detik aru beban diuplai oleh inverter genet. V. KESIMPULAN Gambar 15. Tegangan output Inverter tanpa LPF Tabel 1. Daya beban pada item hibrid Waktu peralihan Daya (Watt) beban (detik) P inv P g P L 0 1250 0 1250 0,2-0,4 2500 0 2500 0,4-0,6 1800 1740 3540 0,6-0,8 2300 2552 4852 Berdaarkan imulai dan pengujian dapat diimpulkan bahwa : 1. Hail imulai PV dapat menghailkan daya makimum pada tegangan 177 volt ebear 2500 watt pada intenita matahari 1000W/m 2. Daya ini akan menurun bila intenita matahari menurun, daya minimum 680 watt dan tegangan 154 volt pada intenita matahari 300W/m 2. 2. Rangkaian boot konverter dapat menghailkan tegangan output kontan (tabil) pada 340 volt pada bataan input boot konverter 154-177 volt. 3. LPF dapat mereduki ditori total aru harmonik 100
inverter dari THD i 123% menjadi 1,27%. 4. Sitem hibrid PV-genet dapat menggabungkan daya dari PV dengan genet bila daya beban udah diata 2500watt. Pernyataan Penelitian ini didanai oleh Dikti dengan kema Penelitian Hibah Beraing (PHB) Tahun 2015, dengan No. 082/UN11.2/LT/SP3/2015. Refereni [1] Caiheng Wang, and M. Hahem Nehrir, September 2008, Power Management of a Stand-Alone Wind/Photovoltaic/ Energy Sytem, IEEE Tranaction On Energy Converion, VOL. 23, NO. 3 [2] S. Rehman, A. M. Mahbub, J. Meyer, and L. M. Al-Hadhrami, 2010, Feaibility Study Of A Wind-Pv-Dieel Hybrid Power Sytem For A Village, Center for Engineering Reearch, Reearch Intitute, King Fahd Univerity for Petroleum and Mineral, Dhahran-31261, Saudi Arabia [3] Hongxing Yang, Lin Lu, Wei Zhou,2007, A novel optimization izing for hybrid olar-wind power generation, RERG Sciene Dirrect, Elevier [4] M. H. Nehrir, C. Wang, K. Strunz, H. Aki, R. Ramakumar, J. Bing, Z. Miao, and Z. Salameh, October 2011, A Review of Hybrid Renewable/Alternative Energy Sytem for Electric Power Generation: Configuration, Control, and Application, IEEE Tranaction On Sutainable Energy, VOL. 2, NO. 4 [5] Riad Chedid, Saifur Rahman, March 1997, Unit Sizing And Control Of Hybrid Wind-Solar Power Sytem, IEEE Tranaction on Energy Converion, Vol. 12, No. 1 [6] Dzulfiqar Rai Muhthafa, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ahari, M.Eng, Vita Lytianingrum, ST, M.Sc, 2011, Optimai Sitem Pembangkit Litrik Tenaga Angin Menggunakan Maximum Power Point Tracker (MPPT) dengan Metode Gradient Approximation, Juruan Teknik Elektro FTI-ITS [7] Lena Max, 2007, Energy Evaluation for DC/DC Converter in DC-Baed Wind Farm, Diviion of Electric Power Engineering, Department of Energy and Environment, Chalmer Univerity Of Technology, G oteborg, Sweden [8] H. Zainuddin, M. S. Yahaya, J. M. Lazi, M. F. M. Baar and Z. Ibrahim, 2009, Deign and Development of Pico-hydro Generation Sytem for Energy Storage Uing Conuming Water Ditributed to Houe, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol:3 2009-11-23 [9] Sweeka Mehram, Ganga Agnihotriand Suhma Gupta, Augut 2013, Modeling Of Grid Connected Dc Linked Pv/Hydro Hybrid Sytem, Electrical and Electronic Engineering: An International Journal (ELELIJ) Vol 2, No 3. 101