1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada tahun-tahun terakhir, teknologi dan jumlah pertumbuhan penduduk meningkat pesat. Hal ini juga diiringi meningkatnya permintaan akan suplai energi listrik. Permintaan ini tentu harus segera diimbangi dengan ketersediaan suplai energi listrik. Di Indonesia sejauh ini, sebagian besar kebutuhan energi listrik masih disuplai oleh pembangkit pembangkit berbahan bakar fosil. Sedangkan ketersediaan bahan bakar fosil sendiri makin hari semakin berkurang. Keadaan ini membuat biaya pembangkitan listrik semakin meningkat pula. Agar dapat memenuhi kebutuhan energi listrik yang terus meningkat dengan biaya yang rendah perlu ditemukan cara-cara alternatif dalam membangkitkan energi listrik. Salah satu cara adalah dengan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui. Banyak sumber daya alam yang dapat digunakan semisal air, gelombang laut, angin, panas bumi dan panas matahari. Dari sekian banyak sumber daya alam, masih ada sebagian yang belum dimanfaatkan secara maksimal contohnya angin. Hal ini dikarenakan kecepatan angin yang sering tidak konstan menjadi kendala dalam pembangkitan energi listrik. Angin merupakan sumber energi terbarukan yang tersedia hampir dimana saja. Pada tahun-tahun terakhir ini sudah banyak sistem pembangkit listrik dengan 1
2 turbin angin dibangun di berbagai negara maju dan beberapa negara berkembang. Hal ini juga terkait dengan isu yang berkembang mengenai global warming. Jika dibandingkan dengan energi terbarukan lainnya, sistem turbin angin memiliki biaya pembangkitan yang lebih rendah. Di Jerman dan Amerika kesadaran akan hal ini sudah muncul puluhan tahun yang lalu. Sebagai tanggapan atas krisis harga minyak pada tahun 70an, mulai tumbuh usaha untuk mengembangkan pembangkit bertenaga angin yang terhubung dengan jaringan listrik [1]. Permasalahan yang muncul pada pembangkitan listrik dengan energi angin adalah kecepatan angin itu sendiri. Kecepatan angin cenderung variatif dan tidak dapat diperkirakan. Hal ini menimbulkan ketidakstabilan pada listrik yang dibangkitkan. Ketidakstabilan kecepatan angin akan berakibat pada tidak stabilnya frekuensi listrik yang dihasilkan. Hal ini menjadi kendala yang cukup besar jika suatu sistem turbin angin atau wind farm akan dihubungkan dengan grid. Karena kecepatan angin tidak dapat diatur ataupun diperkirakan maka diperlukan studi untuk menganalisis karakteristik generator angin. Studi ini diperlukan guna memaksimalkan kemampuan generator angin dalam membangkitkan energi listrik. Selain itu, karena banyak kerugian non-linear terjadi pada generator angin, membuat prediksi dengan menggunakan kecepatan angin ratarata dapat menyebabkan banyak kesalahan. Generator induksi merupakan generator yang cocok untuk pembangkit listrik kecil dengan sumber energi yang terbarukan seperti angin. Pada dasarnya generator induksi merupakan motor induksi yang difungsikan untuk menghasilkan energi
3 listrik. Generator induksi dapat menghasilkan tenaga listrik ketika kecepatan rotor melebihi kecepatan sinkronnya. Hal ini sama dengan motor induksi, yang apabila dioperasikan pada slip negatif, motor induksi akan mampu menghasilkan daya dan bekerja sebagai generator. Doubly Fed Induction Generator (DFIG) merupakan mesin induksi yang secara luas digunakan dalam industri tenaga angin di era modern ini. Keuntungan utama dari DFIG jika digunakan dalam turbin angin adalah dimungkinkan amplitudo dan frekuensi tegangan keluaran dipertahankan pada nilai konstan, tanpa terpengaruh variasi kecepatan angin pada turbin generator angin. Karena itu, DFIG dapat langsung terhubung ke jaringan listrik AC dan tetap disinkronkan sepanjang waktu dengan jaringan listrik AC. Keuntungan lainnya termasuk kemampuan untuk mengendalikan faktor daya (misalnya, untuk mempertahankan faktor daya), sekaligus menjaga perangkat elektronika daya dalam turbin angin [2]. Alasan lain digunakannya DFIG pada pembangkit angin adalah pengurangan beban mekanis, desain baling-baling yang lebih sederhana dan rendahnya fluktuasi pada daya output [3]. Kebanyakan mesin listrik yang digunakan sebagai DFIG dalam industri tenaga angin saat ini adalah mesin induksi rotor lilit 3 fase. DFIG telah digunakan dalam turbin angin untuk waktu yang lama. Awalnya konverter terhubung ke rotor terdiri dari rectifier dan inverter berdasarkan bridge thyristor [4]. Namun teknologi ini usang ketika dihadapkan pada rentang daya pada tubrin angin modern. Saat ini digunakan back-back voltage source converter karena lebih mudah dalam pengaturan tegangannya
4 Pada tugas akhir ini akan membahas mengenai karakteristik mesin induksi rotor lilit yang difungsikan sebagai generator induksi. Generator induksi ini akan dioperasikan dengan dua masukan yang nantinya akan disebut sebagai DFIG. Simulasi dilakukan mengetahui karakteristik mesin tersebut saat difungsikan sebagai DFIG. Mesin induksi akan difungsikan sebagai DFIG dengan dua cara pemberian masukan pada rotornya. Pertama dengan suplai dari sumber jaringan AC sedangkan yang kedua menggunakan suplai dari generator sinkron. Percobaan akan dilakukan dengan menggunakan software PSIM 9.0 dengan parameter motor yang didapat melalui penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya. 1.2 Tujuan Penulisan Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Mengetahui kemampuan mesin induksi rotor lilit saat difungsikan sebagai DFIG. 2. Mengetahui karakteristik DFIG saat sumber tegangan AC 3 fase digunakan sebagai suplai rotornya. 3. Mengetahui karakteristik DFIG saat generator sinkron digunakan sebagai suplai rotornya. 4. Mengetahui arah aliran daya pada DFIG 1.3 Manfaat Penulisan Penulis berharap penelitian dan penulisan tugas akhir ini dapat memberikan manfaat sebagai berikut:
5 1. Memberikan kontribusi sebagai tulisan ilmiah yang dapat digunakan sebagai acuan dalam memahami karakteristik motor induksi rotor lilit 3 fase sebagai generator induksi 3 fase. 2. Memberikan informasi kepada penulis dan pembaca dalam memahami karakteristik-karakteristik unjuk kerja DFIG. 3. Menambah informasi mengenai penggunakan PSIM dalam simulasi unjuk kerja DFIG 4. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium Transmisi dan Distribusi Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada 1.4 Batasan Masalah Untuk menghindari pembahasan yang meluas, maka pembahasan tugas akhir ini dibatasi dengan hal-hal sebagai berikut: 1. Software simulasi yang digunakan adalah PSIM versi 9.0 dan data hasil penelitian disajikan dalam bentuk gelombang oleh software SimView. 2. Parameter motor induksi sangkar tupai adalah Rs sebesar 0,262 Ω, Ls sebesar 1,679 mh, Rr sebesar 0,447 Ω, Lr sebesar 3,899 mh, 4 kutub, momen inertia sebesar 0,05 kg.m 2, frekuensi 50 Hz, tegangan sisa sebesar 10 V, waktu untuk mengaplikasikan sisa flux sebesar 0 detik, waktu untuk menghilangkan sisa flux sebesar 10 detik. 3. Parameter generator sinkron yang digunakan adalah Rs sebesar 13,03Ω, Ls sebesar 47,3mH, Rf sebesar 25,6 Ω, Ns/Nf sebesar 0,55, 4 kutub, momen
6 inersia sebesar 0,2 kg.m 2, frekuensi 50Hz, tegangan eksitasi maksimal 42V, arus eksitasi maksimal 5,4A. 4. Parameter motor induksi rotor lilit adalah parameter default pada PSIM yaitu Rs sebesar 0,294 Ω, Ls sebesar 1,39 mh, Rr sebesar 0,156 Ω, Lr sebesar 0,74 mh, dan Ns/Nf sebesar 1. 5. Mengamati karakteristik motor induksi rotor lilit saat difungsikan sebagai DFIG dengan suplai pada rotor melalui sumber jaringan AC 3 fase dan melaui generator sinkron. 6. Tidak membahas masalah yang timbul saat terjadi hubung singkat. 7. Tidak membahas pengaturan peralatan proteksi. 8. Beban yang diuji berupa beban 3 fase resistif murni. 1.5 Metodologi Penulisan Dalam pelaksanaan penulisan tugas akhir ini, diperlukan berbagai data yang berguna untuk mendukung analisis pada tugas akhir ini. Data - data tersebut dapat diperoleh dengan berbagai macam metode. Adapun sumber data yang diperlukan pada tugas akhir ini dapat diperoleh dengan beberapa metode yang dapat dijabarkan sebagai berikut: 1. Studi literatur Studi literatur dilakukan dengan membaca buku dan melakukan pencarian literatur melalui internet mengenai karakteristik mesin induksi rotor lilit, karakteristik generator induksi, pembangkitan tenaga listrik, dan penggunaan DFIG pada sistem pembangkitan. 2. Metode Konsultasi
7 Penulis melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing dan beberapa narasumber lain untuk membantu menyelesaikan masalah dalam pelaksanaan tugas akhir ini. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan pada tugas akhir ini disusun sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN Bab ini memuat penjelasan mengenai latar belakang masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II : TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI Bab ini memuat dasar teori mengenai motor induksi rotor lilit, motor induksi sebagai DFIG, dan generator sinkron. BAB III : METODE PENELITIAN Bab ini memuat penjelasan mengenai cara simulasi dan pengambilan data untuk menggambarkan karakteristik motor induksi rotor lilit sebagai generator. BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini memuat penjelasan mengenai data hasil simulasi operasi motor induksi rotor lilit sebagai DFIG, serta analisis dari data yang diperoleh. BAB V : PENUTUP
8 Bab ini memuat penjelasan tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian dan analisis data - data yang diperoleh, serta saran untuk studi lebih lanjut.