JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 1 INTEGRASI SISTEM HYBRID FUEL CELL-BATERAI KEJARINGAN DISTRIBUSI MENGGUNAKAN LOGIKA FUZZY Anas Ma muri, Heri Suryoatmojo, Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: ashari@.ee.its.ac.id, suryomgt@ee.its.ac.id Abstrak Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan sebuah peralatan yang mampu mengubah hidrogen dan oksigen menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Fuel cell bisa digunakan untuk berbagai aplikasi seperti perkantoran, perumahan, ataupun pusat perbelanjaan. Karena karakteristik keluaran fuel cell rendah maka membutuhkan suatu boost konverter untuk menaikkan tegangannya dan inverter untuk mengubah tegangan DC menjadi AC agar dapat dihubungkan ke dalam jaringan sistem tenaga listrik. Pada Tugas Akhir ini, fuel cell dimodelkan menggunakan stack fuel cell. Pemodelan ini disesuaikan dengan kurva karakteristik V-I fuel cell. Boost konverter mampu bekerja secara optimal dengan adanya perubahan beban. Melalui inverter tiga phasa, tegangan keluaran boost konverter tersebut diubah menjadi tegangan AC agar dapat dihubungkan ke sebuah sistem jaringan tenaga listrik. Sebelum terhubung ke sistem jaringan tersebut, keluaran dari inverter tiga phasa melewati sebuah filter pasif agar menghasilkan gelombang sinusoidal murni, nantinya hasil keluaran dari filter bisa dihubungkan ke sistem jaringan tenaga listrik. Untuk menjaga agar sebuah sistem stabil, maka fuzzy logic diperlukan pada sistem ini. Kontrol fuzzy ini dipakai untuk mengatur gate dari inverter tiga phasa. Kata Kunci Fuel cell, Boost konverter, Inverter tiga phasa, fuzzy logic II. SISTEM PEMBANGKIT MENGGUNAKAN SEL BAHAN BAKAR A. Fuel Cell Fue cell adalah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Perangkat elektrokimia lain yang kita semua kenal adalah baterai. Sebuah baterai memiliki semua bahan kimia yang tersimpan di dalamnya, dan bisa mengkonversi bahan kimia tersebut menjadi listrik. Perbedaan antara fuel cell dan baterai adalah output dari fuel cell akan dikirim langsung tanpa disimpan. Pertukaran proton membran fuel cell (PEMFC) merupakan salah satu teknologi yang paling menjanjikan. Ini adalah jenis fuel cell yang digunakan sebagai daya pada mobil, bus dan rumah. PEMFC menggunakan salah satu reaksi yang paling sederhana dari setiap fuel cell. PEM Fuel cell terdiri dari dua buah elektroda (katoda dan anoda) yang dipisahkan oleh membran elektrolit. Oksigen (O 2 ) dilewatkan melalui katoda sebagai oksidan dan hidrogen (H 2 ) dilewatkan melalui anoda sebagai bahan bakar. Sel bahan bakar dapat menghasilkan energi listrik secara langsung melalui proses elektrokimia dengan mereaksikan gas hidrogen dan oksigen tersebut. Reaksi kimia yang terjadi dalam sel bahan bakar adalah sebagai berikut: I. PENDAHULUAN opulasi penduduk diperkirakan akan meningkat di masa Pmendatang. Oleh sebab itu bisa dipastikan daya permintaan terhadap kebutuhan tenaga listrik juga akan meningkat diberbagai sektor perumahan, industri dan komersial. PEM fuel cell sebagai salah satu jenis sumber energi terbaharukan di masa mendatang, yang memiliki peran penting sebagai pengganti energi tak terbaharukan. Pemanfaatan PEM fuel cell yang maksimal dan dikombinasikan dengan sistem existing distribusi (grid) akan menciptakan suatu system baru. Interaksi hubungan kedua sumber akan saling menguntungkan dengan semakin terbatasnya ketersediaan supply dari grid. Selain itu PEM fuel cell memiliki banyak keuntungan seperti efisiensi tinggi, sifatnya yang ramah lingkungan, tidak bising, dan tidak menghasilkan emisi gas buang Dengan menganalisa masukan dari PEM fuel cell dan memanfaatkan kemampuan kapasitas PEM fuel cell diharapkan mampu untuk membantu memenuhi kebutuhan beban dimasa mendatang. Reaksi pada anoda : 2H 2 => 4H + + 4e - Reaksi pada katoda O 2 + 4H + + 4e - => 2H 2 O Reaksi total: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O PEM fuel cell menggunakan gas hidrogen dan oksigen sebagai input dan membentuk output DC. Gambar 1 menunjukkan (V - I) karakteristik tegangan dan arus untuk satu unit PEM fuel cell yang beroperasi di bawah tekanan normal dan suhu lingkungan. Gambar 1. Kurva V-I karakteristik fuel cell
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 2 Seperti yang terlihat pada Gambar 1, kurva karakteristik fuel cell dapat dibagi menjadi tiga daerah bagian berdasarkan jenis rugi-ruginya. Ketiga region tersebut adalah : 1. Activation losses: disebabkan oleh lambatnya proses reaksi kimia pada permukaan elektroda. 2. Ohmic losses: disebabkan oleh resistansi internal dari fuel cell. 3. Concentration losses: disebabkan oleh perubahan reaktan selama bahan bakar digunakan. B. Boost Konverter Boost konverter adalah salah satu DC to DC konverter yang berfungsi menaikkan tegangan DC. Boost-konverter mempunyai tegangan output yang selalu lebih besar daripada tegangan input. Polaritas tegangan outputnya mempunyai nilai yang sama dengan input [1]. f s m f (3) f 1 Dengan V o adalah gelombang output dan besarnya puncak dari frekuensi fundamentalnya adalah: V m O 1 avd dengan 0 a 1.0 m (4) III. DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM A. Pemodelan Sistem Pemodelan sistem untuk Tugas Akhir ini adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Pemodelan sistem ini hanya menunjukkan blok diagram yang berupa subsistem yang didalamnya terdapat rangkaian yang lebih kompleks lagi. Tujuan pemodelan sistem adalah untuk mempermudah pembaca dalam melihat sistem secara keseluruhan. Gambar 2. Boost konverter Dari gambar diatas dapat diketahui persamaan tegangan keluaran boost konverter : Vin V out 1 D (1) Dengan V out adalah tegangan output boost konverter, V in adalah tegangan input boost konverter, D adalah duty cycle. C. Inverter Tiga Phasa Inverter adalah unit pengkondisi daya yang mengubah tegangan dc menjadi ac. Tegangan dc input dengan tidak ada ripple dapat menghasilkan tegangan ac keluaran berupa square wave, pulse width modulation atau sinusoidal tergantung dari teknik switching yang digunakan. Inverter memiliki beberapa jenis menurut switching technique, salah satunya adalah sinusoidal pulse width modulation (SPWM) yang digunakan dalam tugas akhir ini. Pertimbangan penggunaan SPWM adalah karena keluaran inverter akan diintergrasi dengan tegangan jala-jala distribusi (grid) berupa sinusoidal. Pada skema pensaklaran inverter satu phasa dengan penyulut SPWM, sinyal SPWM didapat dari perbandingan antara sinyal pembawa (carrier) gelombang segitiga V trg. Dengan frekuensi V trg sebesar f s dan dibandingkan dengan sinyal referensi V ref pemodulasi yang memiliki frekuensi f 1 (frekuensi dasar dari sinyal keluaran inverter yang disebut dengan frekuensi modulasi. Perbandingan amplitude modulasi m didefinisikan sebagai berikut: Vref m (2) V trg Rasio perbandingan frekuensi modulasi m f dapat didefinisikan sebagai berikut: Gambar 3. Blok Diagram Sistem Sederhana B. PEM Fuel cell Model sederhana PEM fuel cell diperlihatkan oleh Gambar 4. Model PEM fuel cell ini terdiri dari kedua resistansi yang diserikan dan paralel dengan kapasitor dengan sebuah sumber tegangan, sebuah hambatan yang dipasang seri. Gambar 4. Rangkaian ekivalen dari PEM fuel cell C. Rancangan Boost Konverter Tegangan keluaran dari PEM fuel cell yang kecil dan tegangan beban yang lebih tinggi, maka dibutuhkan boost konverter untuk menaikkan tegangan DC. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output pada persamaan 1.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 3 Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM (Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan : 2 1 D Lmin DR 2 f (5) Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan : VO D C VR R f (6) Gambar 5 Pemodelan Rangkaian Boost konverter D. Rangkaian Inverter Tiga Phasa Inverter yang digunakan adalah inverter tiga phasa, yang terdiri dari 6 buah IGBT. Kegunaan inverter ini mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC bolak-balik.. Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 6. E. Filter Pasif Filter harmonisa pada tugas akhir ini digunakan untuk mengubah suatu gelombang kotak( square wave) dari keluaran inverter tiga phasa yang memiliki harmonisa tinggi menjadi gelombang sinus murni, Pada perancangan filter harmonisa memakai filter pasif yang terdiri dari komponen L(induktor) dan komponen C(Kapasitor). Realisasi filter pasif pada Simulink ditunjukkan dalam Gambar 7. Sedangkan perhitungan nilai L dan C didapatkan dengan menggunakan rumus persamaan sebagai berikut: Gambar 7. Pemodelan rangkaian filter pasif Kontrol Fuzzy Logic Pada Gate Inverter Tiga Phasa Untuk menjaga kestabilan supply tegangan sumber ke beban dibutuhkan suatu kontroler, dimana kontroler ditempatkan pada gate dari inverter tiga phasa. Kontroler yang digunakan yaitu Fuzzy Logic Controller (FLC). Pada Gate inverter yang dikontrol adalah indeks modulasi dari inverter. Cara kerja dari rangkaian kontroler adalah membandingkan nilai tegangan RMS beban dengan nilai referensi yang diinginkan yaitu 220V. Kemudian dari perbandingan, didapatkan suatu error dan delta error tegangan, dalam hal ini dijadikan input dari fuzzy logic kontroller. Keluaran dari fuzzy dikalikan dengan gelombang sinusoidal, dan dibandingkan dengan gelombang triangular sehingga didapatkan indeks modulasi. Pemodelan fuzzy logic kontroller dalam Simulink dapat ditunjukkan dalam Gambar 8. Penerapan logika fuzzy ini dan terdiri dari dua bagian yaitu fuzzifikasi dan fuzzy rule. (7) (8) Gambar 8. Pemodelan Fuzzy logic controller Fuzzyfikasi Seperti ditunjukkan pada Gambar 9, pada bagian masukan ada dua yaitu error dan delta error. Error dan delta error mempunyai 7 fungsi keanggotaan berupa segitiga dan trapezoida yaitu NL, NM, NS, ZR, PS, PM dan PL dengan nilai antara -1 sampai dengan 1. Sedangkan nilai keluaran output juga memiliki keanggotaan dan range nilai yang sama. Gambar 6. Pemodelan Rangkaian Inverter Tiga Phasa (a)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 4 (b) Gambar 9. Fungsi Keanggotaan (a) error, (b) delta error, (c) output. (C) 2. Kapasitor = 25 mfarad 3. Frekuensi switching = 10 khz c. Baterai 1. Tegangan = 220 volt 2. Ah Baterai = 770.05 Ah d. Inverter - Tegangan input = 690 V - Tegangan output=380 V e. LC Filter - Induktor = 15mH - Kapasitor = 169.04 ufarad f. Grid - Tegangan grid = 380 V B. Pengujian Model Fuel Cell Dihubungkan dengan Beban Bervariasi Pengujian ini digunakan untuk mengetahui karakteristik dari model fuel cell. Adapun karakteristik dari Fuel dapat dilihat dari kurva hubungan antara arustegangan (I-V) dan kurva hubungan daya-tegangan. Pengujian model fuel cell untuk mengetahui karakteristik I-V dan P-V ini dapat dilakukan dengan menghubungkan fuel cell dengan beban yang bervariasi antara 0.1 100Ω. Fuzzy Rules Dalam Tugas Akhir, syntax if-then selalu digunakan untuk mengekspresikan fuzzy rules. Untuk kontrol gate inverter ini menggunakan total 49 rule base seperti yang ditunjukkan tabel dibawah ini. Tabel 1. Rule dari fuzzy Gambar 11. Kurva karakateristik V-I rangkaian ekivalen PEM fuel cell F. KONFIGURASI SISTEM Sistem fuel cell yang digunakan pada tugas akhir ini diperlihatkan pada Gambar 10. terdiri dari beberapa bagian penting, diantaranya adalah: Fuel cell, Baterai, konverter boost, inverter tiga phasa, dan grid. Gambar 12. Kurva Perbandingan antara tegangan daya keluaran PEM fuel cell. IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA A. Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi a. Fuel cell - Daya Fuel cell = 6000 W - Tegangan Fuel Cell = 45 volt b. Konverter Boost 1. Induktor = 35 uh
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 5 Gambar 10. Pemodelan Seluruh Sistem C. PENGUJIAN ALIRAN DAYA SISTEM Aliran daya pada sistem sangat penting dalam menentukan sistem pembangkit sehingga bisa diketahui pembangkit fuel cell menyuntikkan daya kepada grid dan beban. Grafik aliran daya pada gambar 13 menunjukkan bahwasanya sistem pembangkitan fuel cell menyuplai grid dan beban. Ini terbukti daya keluaran filter (biru) nilai dayanya merupakan penjumlahan antara nilai daya pada grid(hijau) dan nilai daya pada beban (merah). Gambar 14. Hasil Pengujian Seluruh Sistem Dari tabel diatas, bisa disimpulkan bahwa sistem memiliki kehandalan tinggi hal ini bisa dilihat dari suplai ke beban, dengan adanya perubahan beban, pembangkit fuel cell masih mampu untuk menyuplai beban. Gambar 13. Grafik Aliran Daya D. Pengujian Fuzzy logic controller Pada Sistem Keseluruhan Pada tugas akhir ini fuzzy logic controller sebagai pengatur indeks modulasi dari gate inverter tiga phasa. Fuzzy logic difungsikan untuk mengatur tegangan beban yang berubah-ubah, sehingga nantinya dengan adanya penambahan beban, maka beban tersebut masih bisa tersuplai oleh sistem pembangkit. Pengujian fuzzy logic controller kali ini dengan mengubah-ubah daya beban sehingga bisa diketahui besar daya yang tersalurkan ke beban, daya inverter, dan grid bisa dilihat pada Gambar 14. KESIMPULAN 1. Hasil pengujian PEM fuel cell 6KW menunjukkan bahwasanya kurva karakteristik perbandingan antara tegangan(v) dan arus(a), hampir sama dengan karakteristik V-I PEM fuel cell sebenarnya. 2. Input PEM fuel cell berpengaruh terhadap daya,tegangan dan arus keluaran PEM fuel cell yang berpengaruh terhadap suplai daya ke beban. 3. Tegangan keluaran boost konverter sebesar 690V mampu memberikan masukan tegangan inverter tiga phasa dengan keluaran tegangan 220V/380V. 4. Penggunaan fuzzy logic controller pada gate inverter mampu menstabilkan tegangan beban sebesar 220V dengan pada beban, sehingga beban kehilangan sedikit daya supply. UCAPAN TERIMA KASIH Rasa syukur yang mendalam terhadap Allah SWT yang telah melimpahkan karunianya kepada saya sehingga bisa menyelesaikan tugas akhir ini. Tidak lupa juga Rasullullah SAW yang telah menunjukkan jalan yang terang benderang yang penuh dengan ilmu pengetahuan yang tidak akan pernah habisnya. Kedua Orang tua yang dengan sabar memberikan doa kepada saya dan teman-teman yang telah membantu saya
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 6 baik secara langsung ataupun tidak langsung. Semoga kebaikan kalian semua mendapat hal yang baik disisi Allah SWT. DAFTAR PUSTAKA [1] Rashid, Muhammad H., Power Electronics : Circuits, Devices, and Applications. Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 1993 [2] Nehrir, M. H., Wang, C., Shaw,S. R. 2006. Fuel Cells: Promising Devices for Distributed Generation. IEEE Power and Energy Magazine, pp:47-53 [3] M. Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S.Alam, P. C Byrne, A. A. Sakla, T. Thomas. 2004. A Dynamic Model for a Stand-Alone PEM Fuel Cell Power Plant for Residential Applications. Science Direct Journal [4] M.Rizal, SISTEM KONTROL PV-BATERAI BERBASIS FUZZY LOGIC UNTUK PEMBANGKIT TERDISTRIBUSI, Tugas Akhir, ITS, Juli 2011 [5] Ahmad yasin S, DESAIN DAN SIMULASI KONVERTER FULL BRIDGE UNTUK MENGATUR TEGANGAN DC LINK PADA SISTEM PEMBANGKIT TERSEBAR MENGGUNAKAN SEL BAHAN BAKAR, Tugas Akhir ITS, Juli 2011