Optimasi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Maximum Power Point Tracker () dengan Metode Gradient Approximation Dzulfiqar Rais Mushthafa, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng, Vita Lystianingrum, ST, M.Sc Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Abstrak Dalam Tugas Akhir ini dilakukan studi tentang turbin angin sistem mandiri (stand-alone) serta dibahas mengenai pemodelan terhadap pelacakan titik daya maksimum dengan menggunakan (Maximum Power Point Tracker) dengan metode gradient approximation. Metode tersebut bekerja dengan mengukur tegangan dan arus pada beban, kemudian merubah besar duty cycle pada konverter DC-DC untuk mendapatkan daya maksimal. Untuk mendapatkan tegangan output AC dipergunakan single phase full bridge inverter. Dari hasil simulasi menunjukkan perbandingan daya rata-rata tanpa dengan daya maksimum = 79.48% dan perbandingan daya rata-rata menggunakan dengan daya maksimum = 94.5%. Dapat disimpulkan bahwa turbin angin yang menggunakan memiliki daya rata-rata yang lebih besar daripada tidak menggunakan. Kata kunci: Turbin Angin,, Stand-alone. mengukur kcepatan angin, kemudian kita mendapatkan kecepatan rotor yang optimal sehingga bisa didapatkan daya yang optimal. Pada tugas akhir ini digunakan metode gradient approximation yaitu mengukur tegangan dan arus pada beban, kemudian merubah duty cycle pada converter dengan membandingkan daya output sekarang dengan daya output sebelumnya. metode tersebut beban optimal mampu dicapai. II. KARAKTERISTIK TURBIN ANGIN Karakteristik dari turbin angin dapat dilihat dari kurva hubungan antara kecepatan rotor dengan daya yang dihasilkan (ω r -P) dan kurva hubungan kecepatan angin dengan daya. I. PENDAHULUAN Pembangkit Listrik Tenaga Angin sebagai salah satu penghasil energi listrik mengalami perkembangan yang cukup pesat. Hal ini disebabkan karena kelebihankelebihan yang dimiliki oleh pembangkit tersebut, seperti ramah lingkungan, bebas polusi dan merupakan penghasil energi listrik yang dapat diperbaharui. Seiring dengan perkembangan semikonduktor dan elektronika daya maka Pembangkit Listrik Tenaga Angin juga semakin banyak digunakan dalam sistem tenaga. Pada tahun 26, di Eropa, negara yang mempunyai kapasitas total generator tenaga angin terbesar adalah Jerman dengan 2621 MW. Spanyol dan Amerika Serikat di urutan kedua dan ketiga dengan lebih dari 1163 MW. Berdasarkan data GWEC (Global Wind Energy Council), pertumbuhan pembangunan generator tenaga angin sebesar 32 % dari tahun 25 [1]. Pembangkit listrik tenaga angin sangat sesuai untuk negara kepulauan seperti di Indonesia. Pembangkit listrik tenaga angin mampu dibangun di daerah-daerah yang tidak terjangkau listrik karena jauh dari pusat pembangkit, sehingga rasio elektrifikasi mampu meningkat. Namun perlu diketahui bahwa efisiensi dari pembangkit listrik tenaga angin sesuai dengan the Betz Law tidak lebih dari 59 %, oleh karena itu perlu dilakukan optimasi. Sehingga efisiensi dari pembangkit listrik tenaga angin mampu mendekati 59 %. Banyak metode untuk mengoptimalkan daya output dari turbin angin. Bisa dengan mengukur kecepatan putar rotor generator, kemudian output yang optimal dihitung lalu dibandingkan dengan output nyatanya. Bisa juga dengan Gambar. 1. Kurva hubungan kecepatan rotor dengan daya pada kecepatan angin yang bervariasi Dari Gambar. 1 juga dapat dilihat bahwa daya maksimal yang dihasilkan setiap kecepatan angin berbeda. yang ditangkap oleh turbin angin Pm adalah fungsi dari bentuk dari baling-baling, pitch angle, diameter balingbaling dan kecepatan rotasi rotor. 1 Pm = 1 2 ρ Cp(λ, β) πr2 V 3 Dimana ρ = kerapatan udara (biasanya 1.22 kg/m 3 ) λ = tip-speed ratio β = pitch angle (dalam derajat) Cp = koefisien daya dari wind turbine (1)
R V = diameter baling-baling (dalam meter) = kecepatan angin (dalam m/s) Lmin = (1 D)2 2f R (6) Persamaan dari λ didefinisikan sebagai λ = ωr (2) V Dimana ω adalah kecepatan rotor dari turbin angin dengan satuan (rad/s), dan Cp didapat dari persamaan Cp λ, β = c1 c2 λi c5 c3β c4 e λi + c6 λ 1 λi = 1 λ +.8β.35 β 3 + 1 Nilai dari c1 hingga c6 tergantung dari karakteristik turbin angin. III. MAXIMUM POWER POINT TRACKER Untuk memodelkan suatu pembangkit listrik tenaga angin, akan dengan digabungkan semua komponen meliputi turbin angin, permanent-magnet synchronous generator, rectifier, konverter DC-DC, Inverter, dan beban serta ditambah dengan pemasangan baterai dengan tipe lead acid. Pada rangkaian komponen tersebut akan ditambahkan yang dihubingkan dengan konverter DC-DC. Maximum Power Point Tracker () digunakan untuk mendapatkan nilai daya yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu turbin angin. Flowchart ditunjukkan oleh gambar 3. Konverter DC-DC yang digunakan adalah Buck-Boost Converter. Buck-Boost Converter digunakan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan DC. Adapun gambar rangkaian dari buck boost konverter diperlihatkan pada gambar 2. Gambar. 2. Gambar Rangkaian Buck-Boost Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output : Vo = D 1 D Vin Parameter komponen induktor yang digunakan diperoleh melalui persamaan : (5) (3) (4) Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan : Gambar. 3. Flowchart C = Vo D Vo R f IV. SIMULASI DAN ANALISIS Pertama kali akan dicari daya yang mampu dihasilkan oleh turbin angin dengan mengalikan torsi dan kecepatan rotor pada generator. maksimal turbin angin ditunjukkan oleh tabel1. Kecepatan Angin (m/s) Inisialisasi variabel program Ukur V(k) dan I(k) Hitung daya P(k) P(k) > P(k-1) D(k+1) = D(k) + D TABEL I DAYA MAKSIMAL TURBIN ANGIN Balik tanda D Maksimum (W) 3 128.8 14 4 35.3 196 5 597.5 238 6 131 28 7 1639 336 8 2446 378 9 3484 434 1 478 476 Kec Rotor (rad/s) (7) 2
turbin angin (Watt) 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 Kec rotor (rad/s) 3 m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s 1 m/s Analisis yang dilakukan adalah membandingkan daya output yang dihasilkan saat menggunakan dan tanpa menggunakan. Perbandingan tersebut dilakukan dengan kecepatan angin serta beban yang bervariasi. Gambar dari rangkaian ditunjukkan pada gambar 6. Gambar. 4. maksimal turbin angin setiap kecepatan angin dibanding kecepatan rotor. Untuk paremeter komponen konverter DC-DC adalah L =.5 dan C =.125. Pengujian efisiensi dari konverter ditunjukkan oleh gambar 5. Dapat dilihat bahwa efisiensi konverter rata-rata diatas 92%. Gambar. 7. Turbin Angin Dihubungkan dengan Beban Bervariasi tanpa 1 8 Efisiensi (%) Vin 1 V 6 Vin 2 V 4 Vin 3 V 2 5 1 15 P out (Watt) Gambar. 5. Efisiensi Buck-Boost Converter Gambar. 8. Turbin Angin Dihubungkan dengan Beban Bervariasi dengan Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan turbin angin dengan hambatan yang nilainya berubah dari 1 ohm sampai 3 ohm. Pengujian dan analisis dilakukan pada lima kecepatan angin, yaitu 3m/s, 5m/s, 7m/s, 9m/s, dan 1m/s. 2 (watt) 15 1 5 1 2 3 4 R (ohm) Gambar. 9. output dengan nilai hambatan 1-3 ohm saat kecepatan angin 7 m/s 4 tanpa dengan Gambar. 6. Rangkaian pada Simulink (watt) 3 2 1 tanpa dengan 1 2 3 4 R (ohm) Gambar. 1. output dengan nilai hambatan 1-3 ohm saat kecepatan angin 9 m/s 3
(watt) 1 2 3 4 R (ohm) Gambar. 11. output dengan nilai hambatan 1-3 ohm saat kecepatan angin 1 m/s TABEL II DAYA BEBAN TANPA DAN MENGGUNAKAN UNTUK KECEPATAN ANGIN 7 M/S R Duty Cycle Vdc Output Konverter (V) 1 2.668 9.674.33 9.823 5 12.14 1359.45 269.2 1 23.58 1375.53 377 15 35.5 1398.57 456.6 155 141 1394.57 464.7 2 1137 1373.6 523.9 3 882 1331.65 631.7 TABEL III DAYA BEBAN TANPA DAN MENGGUNAKAN UNTUK KECEPATAN ANGIN 9 M/S R Duty Cycle Vdc Output Konverter (V) 1 6.97 312.2.3 176.6 3 2.22 3138.42 36.3 4 2762 3122.7.46 353.42 5 3266 3117.2.48 395.3 1 2927 356.57 552.4 2 249 2959.64 769.1 3 1557 2872.69 928.1 TABEL IV DAYA BEBAN TANPA DAN MENGGUNAKAN UNTUK KECEPATAN ANGIN 1 M/S R 5 4 3 2 1 tanpa dengan Duty Cycle Vdc Output Konverter (V) 1 1.49 4242.32 25.6 2 2.66 437.39 293.6 35 3956 431.46 387.9 4 438 4112.5 45.4 1 3798 4198.59 647.7 2 267 479.66 93 3 1968 3968.7 191 Setelah kita mendapatkan daya output dengan beban yang bervariasi dari 1 ohm hingga 3 ohm pada kecepatan angin yang bermacam-macam, maka kita bisa mendapatkan daya output rata-rata yang dihasilkan saat menggunakan dan tanpa menggunakan. TABEL V DAYA OUTPUT RATA-RATA YANG DIHASILKAN MENGGUNAKAN DAN TANPA, DIBANDINGKAN DAYA MAKSIMAL Kec angin Max (W) (W) (%) (%) 3 85.59 68.549 79.633 8.9% 93.4% 5 566.5 466.796 538.76 82.4% 95.1% 7 141 114 1366 81.37% 97.5% 9 3266 2512 325.38 76.9% 92.63% 1 438 3341.8 4131.6 76.28% 94.32% Nilai prosentase dari kolom ke-5 dan ke-6 tabel diatas didapatkan dengan membandingkan nilai daya output tanpa dan dengan dibanding daya maksimal pada tiap kecepatan saat pembebanan optimum. Berikut ditampilkan kondisi dari daya output dari turbin angin saat menggunakan dan tanpa dengan kecepatan angin yang berubah-ubah serta beban yang berubah ubah dalam suatu kondisi waktu tertentu. tanpa Gambar. 12. output dengan dan tanpa menggunakan dengan nilai hambatan bervariasi dan kecepatan angin 7 m/s dengan tanpa dengan Gambar. 13. output dengan dan tanpa menggunakan dengan nilai hambatan 1 ohm dan kecepatan angin 7m/s - 1m/s 4
Gambar. 14. Rangkaian Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Simulink Pengujian kali ini digunakan kecepatan angin yang berubah-ubah seperti pada gambar 15. Beban yang digunakan juga berubah-ubah, sehingga kita mampu mengetahui kemampuan dari rangkaian untuk mengikuti perubahan kecepatan angin dan beban. dengan tidak menggunakan, kemudian hasil dari inverter haruslah tegangan yang konstan dengan Vrms = 22V seiring perubahan beban. Pada pengujian ini digunakan kecepatan angin dan beban yang berubah-ubah seiring berubahnya waktu. Gambar. 15. Kecepatan angin dengan satuan m/s Gambar. 17. Kecepatan Angin yang Digunakan dengan tanpa Gambar. 16. output turbin angin dengan beban dan kecepatan angin berubah-ubah Pengujian diatas adalah pengujian daya output turbin angin dengan beban DC tanpa terhubung ke inverter. Pada pengujian kali ini dilakukan dengan menggabungkan semua komponen dari pembangkit listrik tenaga angin, yakni dari turbin angin, generator, rectifier, konverter DC-DC, Inverter, dan beban serta ditambah dengan pemasangan baterai. Dalam pengujian ini dianalisa apa manfaat dari pemasangan dibanding Gambar. 18. Tegangan pada Beban Tegangan dan arus output pada inverter berbentuk sinusoidal seperti ditunjukkan pada gambar 18 dan gambar 19. Sedangkan pada gambar 2 dan gambar 21 menunjukkan perbandingan pengisian baterai saat menggunakan dan tanpa menggunakan. 5
perbandingan daya rata-rata tanpa = 79.48 % dan perbandingan daya rata-rata menggunakan = 94.5 %. Gambar. 19. Arus pada Beban Gambar. 2. SOC dari baterai saat tidak menggunakan DAFTAR PUSTAKA [1] Z.Chen, F.Blaabjerg. Wind farm-a power source in future power systems. Elsevier Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (29) 1288 13. 29 [2] Rashid M.H, Power Electronics Handbook, Academic Press, 21. [3] Ying-Yi Hong, Shiue-Der Lu, Ching-Sheng Chiou. for PM wind generator using gradient approximation. Elsevier Conversion and Management 5 (29) 82-89. 29 [4] Koutroulis, Eftichious. Kalaitzakis, Kostas. 26. Design of a Maximum Power Point Tracking System for Wind-Energy- Conversier Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.53 (26) 278 46. [5] Masters, Gilbert M.. Renewable &Efficient Electric *ower System. Wiley Interscience.London.24 [6] Mochamad Ashari. Diktat Kuliah Elektronika, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS. 26 [7] Mahmudsyah, Syarifuddin, Modul Kuliah Audit Energi, Surabaya. 28 [8] Kurniawan, Aries Pratama. Optimalisasi Sel Surya menggunakan Maximum Power Point Tracker () Sebagai Catu Base Tranceiver Station (BTS).Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, ITS. 21 [9] Zhang,Jianzhong. Cheng, Ming. Chen, Zhe. Fu, Xiaofan. Pitch Angle Control for Variable Speed Wind Turbines, Nanjing. 29 Gambar. 21. SOC dari baterai saat menggunakan V. KESIMPULAN Metode Gradient approximation yang digunakan untuk optimasi turbin angin yang digunakan pada tugas akhir ini mempunyai beberapa keuntungan yaitu: 1) tidak diperlukan untuk mengetahui karakteristik daya output dari turbin angin (karakteristik turbin angin), 2) tidak diperlukannya sensor kecepatan angin dan kecepatan rotor dari generator sehingga biaya yang diperlukan lebih murah dan 3) dengan metode ini mampu bekerja mengikuti perubahan beban dan kecepatan angin. Dari hasil simulasi, diketahui bahwa turbin angin dapat digunakan sebagai catu daya yang berdiri sendiri dengan dilengkapi baterai sebagai backup turbin angin. Didapatkan kenaikan rata-rata daya turbin angin jika menggunakan dibanding dengan tidak menggunakan pada beban yang besar adalah 179% dan dilihat dari perbandingan daya, 6 RIWAYAT HIDUP Dzulfiqar Rais Mushthafa, lahir di Surabaya pada tanggal 7 Februari 1991. Merupakan anak pertama dari dua bersaudara. Memulai pendidikannya di TK Cahaya Muda Surabaya, kemudian melanjutkan ke tingkat dasar di SDN Lidah Kulon II Surabaya. Setelah lulus tingkat dasar, melanjutkan ke tingkat menengah pertama di SMPN 1 Surabaya dengan masuk ke kelas akselerasi. Dua tahun kemudian melanjutkan ke SMAN 9 Surabaya. Setelah lulus dari bangku sekolah, kemudian melanjutkan ke bangku perguruan tinggi di Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya pada tahun 27 dan kemudian mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah, penulis juga aktif dalam organisasi kemahasiswaan Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Industri ITS (BEM FTI ITS) selama dua tahun (28-21) dan juga sebagai Asisten Laboratorium Instrumentasi, Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga (21-211).