12

BAB III

PEMODELAN SISTEM

Pada bab 3 akan memuat pemodelan sistem dari setiap pembangkit, yaitu

sistem PV, Wind Power dan PLTmH. Pemodelan ini bertujuan untuk mengetahui

karakteristik dari masing-masing pembangkit. Sehingga, pada saat menggabungkan

ketiga pembangkit tersebut tidak terjadi error. Pada bab ini dijelaskan juga tentang

input dari PV dan Wind Power yang berubah-ubah.

Pemodelan sistem ini, menggunakan software MATLAB/SIMULINK

R2016a agar dapat memperoleh hasil yang maksimal dengan menggunakan

langkah-langkah sebagai berikut :

3.1 Pemodelan sistem PV

Dalam penelitian ini, pemodelan sistem PV merupakan hal yang penting,

karena PV diasumsikan sebagai pembangkit utama bersama dengan Wind Power.

Adapun beberapa komponen sistem PV adalah :

a. PV array

b. Filter C

c. Pulse Width Modulation (PWM)

d. DC-DC converter (Boost converter)

Berikut merupakan diagram blok sistem PV :

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem PV

13

3.1.1 Pemodelan PV

Pemodelan PV disini menggunakan PV array (Gambar 3.2) yang sudah

tersedia pada Matlab R2016a. Pada PV array, tipe PV yang dipilih adalah 1Soltech

1STH-350-WH yang berarti memiliki daya maksimum sebesar 350 Watt/Hour. PV

ini disusun secara paralel sebanyak 8 buah dan diseri sebanyak 5 buah (total 40

modul), sehingga dapat menghasilkan daya maksimal sebanyak 13,98 KW pada

Irradiance (Ir) 1000 W/m2 dan suhu (T) 25oC. Parameter-parameter dari 1Soltech

1STH-350-WH adalah sebagai berikut :

Gambar 3.2 PV array

Gambar 3.3 Parameter PV array

14

Adapun karakteristik satu modul dari sistem PV adalah sebagai berikut :

Gambar 3.4 Karakteristik 1 Modul PV

Sedangkan karakteristik dari 40 modul adalah sebagai berikut :

Gambar 3.5 Karakteristik 40 modul PV array

15

3.1.2 Pemodelan DC-DC Boost Converter

DC-DC Boost Converter merupakan salah satu converter sederhana yang

didalamnya terdapat Induktor (L), Kapasitor (C), Mosfet (sebagai pensaklar), Dioda

dan Resistor Beban (R). Converter ini berfungsi menaikkan tegangan DC dari nilai

tertentu, menjadi nilai yang kita inginkan menggunakan perhitungan mtematika.

Gambar 3.6 Rangkaian Boost Converter

Setelah mengetahui rangkaian dari boost converter, langkah selanjutnya adalah

menentukan parameter-parameter dari setiap komponen menggunakan parameter

keluaran dari PV array.

Tabel 3.1 Perencanaan Boost Converter PV

Daya PV (W) 13.98 KW

Voltage Input (Vin) 257.5 V

Voltage Output (Vout) 350 V

Frekuensi (f) 40 KHz

Duty Cycle (D) 0.35

Dengan parameter diatas, dapat ditentukan nilai dari masing-masing komponen

menggunakan perhitungan dibawah ini :

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛

1−𝐷 …(3.1)

𝐿𝑚𝑖𝑛 = (1−𝐷)2∗𝐷∗𝑅

2∗𝑓 …(3.2)

𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝐷∗𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑟∗𝑅∗𝑓 …(3.3)

16

Sehingga, diperoleh nilai dari setiap komponen Boost Converter sebagai berikut :

350 = 257.5

1−𝐷 𝐷 = 0,26

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 257.5 (350−257.5)

∆𝐼 𝑥 40000 𝑥 350 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 16,09 𝑚𝐻

𝐶𝑚𝑖𝑛 = 0.26∗350

3.5∗9∗40000 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 73.4 uF

Langkah selanjutnya adalah memasukan nilai-nilai tersebut kedalam pemodelan

Simulink dibawah ini :

Gambar 3.7 Pemodelan DC-DC Boost Converter pada Simulink

Setelah mendapatkan semua persamaan dan konsep pemodelan dari sistem PV,

maka dapat dilakukan pemodelan secara keseluruhan. Berikut merupakan

pemodelan keseluruhan dari sistem PV :

Gambar 3.8 Keseluruhan sistem PV

17

3.2 Pemodelan Wind Power

Pada pemodelan ini, peran Wind Power sangat penting karena merupakan

pembangkit utama bersama dengan PV. Pemodelan Wind Power menganut prinsip

Wind Energy Conversion system (WECS) yang berarti tenaga angin akan dirubah

menjadi tenaga listrik dengan cara mengkonversi energi kinetik angin menjadi

energi mekanik dengan pertolongan turbin angin dan selanjutnya dirubah oleh

generator sehingga menjadi energi listrik. Selain itu, WECS juga dapat mengurangi

kerumitan dari perangkat keras dan kontrollernya. Sehingga lebih terpercaya dan

efisien ketimbang pemodelan Double Fed Induction Generator (DFIG) berbasis

WECS (Badoni dan Prakash, 2014)

Didalam penyusunan sistem Wind Power, ada beberapa komponen utama

diantaranya :

a. Wind turbine

b. Permanent Magnet Synchronous Generator

c. Penyearah

d. Filter LC

e. DC-DC Converter (Buck Converter)

Berikut merupakan diagram blok sistem Wind Power :

Gambar 3.9 Diagram Blok Sistem Wind Power

18

Secara matematis, daya Wind Power adalah :

Pm = 𝐶𝑝 ( 1

2 ρ A 𝑉3 ) …(3.4)

𝑇𝑟 =𝐶𝑝(

1

2 ρ A 𝑉3 )

𝜔𝑅 …(3.5)

Secara umum, nilai Cp sebagai fungsi tip speed ratio (𝜆) atau TSR dan sudut pitch

blade (𝛽). Nilai Cp dan TSR dapat dinyatakan dengan :

𝐶𝑝(𝜆, 𝛽) = 𝐶1 (𝐶2

𝜆𝑖− 𝐶3𝛽 − 𝐶4) 𝑒

−𝐶5𝜆𝑖 + 𝐶6𝜆

1

𝜆𝑖=

1

𝜆 + 0,008𝛽−

0,035

𝛽3 + 1

𝜆 =𝜔𝑅𝑅

𝑉

Sehingga, daya turbin angin dan torsinya adalah :

𝑃𝑚 = (1

2𝜌𝜋𝑅2𝑉3) (𝐶1 (

𝐶2

𝜆𝑖− 𝐶3𝛽 − 𝐶4) 𝑒

−𝐶5𝜆𝑖 + 𝐶6

𝜔𝑅𝑅

𝑉 )

𝑇𝑟 =(𝐶1 (

𝐶2𝜆𝑖

− 𝐶3𝛽 − 𝐶4) 𝑒−𝐶5𝜆𝑖 + 𝐶6

𝜔𝑅𝑅𝑉

) (12

𝜌𝐴𝑉3)

𝜔𝑅

Nilai koefisien C1 sampai C6 adalah :

C1 = 0,5176 ; C2 = 116 ; C3 = 0,4 ; C4 = 5 ; C5 =21 dan C6 = 0,0068

Dimana :

Cp : Koefisien Power

𝜌 : Kerapatan Udara (kg/m) = 1,2550 kg/m

𝐴 : Luas penampang turbin (m2)

V : kecepatan angin (m/s)

19

Pm : Daya Turbin (Watt)

𝑇𝑟 : Torsi turbin angin (Nm)

𝜔𝑅 : Keepatan rotasi turbin angin (rad/s)

R : Radius rotor turbin angin (m)

3.2.1 Pemodelan Pemanent Magnet Synchronous Generator

Pada Wind Power, Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)

berfungsi untuk mengubah energi mekanik dari turbin angin menjadi energi listrik.

Penggunaan PMSG bertujuan untuk mempermudah pemodelan pada

Matlab/Simulink karena dapat diaplikasikan pada turbin-turbin kecil. PMSG disini

menggunakan model yang tersedia pada Matlab/Simulink. Berikut merupakan

gambar beserta parameter dari PMSG :

Gambar 3.10 Gambar Model PMSG

Gambar 3.11 Parameter PMSG

20

3.2.2 Pemodelan Wind Turbine

Pemodelan Wind Turbine disini menggunakan model yang tersedia pada

Matlab/Simulink, berikut gambar model dan parameter dari Wind Turbine:

Gambar 3.12 Gambar Model Wind Turbine

Gambar 3.13 Parameter Wind Turbine

3.2.3 Pemodelan DC-DC Buck Converter

DC-DC Buck Converter merupakan salah satu converter sederhana yang

didalamnnya terdapat Inductor (L), Kapasitor (C), Mosfet (sebagai pensaklar),

Dioda dan Resistor Beban (R). Converter ini berfungsi menurunkan tegangan DC

21

dari nilai tertentu, menjadi nilai yang kita inginkan menggunakan perhitungan

matematika.

Gambar 3.14 Rangkaian Buck Converter

Setelah mengetahui mengetahui rangkaian dari Buck Converter, langkah

selanjutnya adalah menentukan parameter-parameter dari setiap komponen

menggunakan parameter keluaran dari Wind Turbine.

Tabel 3.1 Perencanaan Buck Converter Wind Power

Daya PV (W) 25 KW

Voltage Input (Vin) 440.3 V

Voltage Output (Vout) 355 V

Frekuensi (f) 40 KHz

Duty Cycle (D) 0.8

Dengan parameter diatas, dapat ditentukan nilai dari masing-masing komponen

menggunakan perhitungan dibawah ini :

𝐷 = 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝐿𝑚𝑖𝑛 = (1 − 𝐷)2 ∗ 𝑅

2 ∗ 𝑓

𝐶𝑚𝑖𝑛 = (1 − 𝐷) ∗ 𝑉𝑜𝑢𝑡

8 ∗ 𝑉𝑟 ∗ 𝐿 ∗ 𝑓2

22

Sehingga, diperoleh nilai dari setiap komponen Buck Converter sebagai berikut :

𝐷 = 355

440.3 𝐷 = 0,8

𝐿𝑚𝑖𝑛 = (1−0.8)2∗ 5

2 𝑥 40000 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0,484 𝑚𝐻

𝐶𝑚𝑖𝑛 = (1−0.8)∗355

8∗3.55∗(0.488∗10−3)∗400002 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 3.125 uF

Langkah selanjutnya adalah memasukan nilai-nilai tersebut kedalam pemodelan

Simulink dibawah ini :

Gambar 3.15 Pemodelan DC-DC Buck Converter pada Simulink

Setelah mendapatkan semua persamaan dan konsep pemodelan dari Wind Power,

maka dapat dilakukan pemodelan secara keseluruhan. Berikut merupakan

pemodelan keseluruhan dari Wind Power :

Gambar 3.16 Pemodelan keseluruhan Wind Power

23

3.3 Pemodelan PLTmH

Pada sistem ini, PLTmH berfungsi sebagai pembangkit backup, apabila

terjadi kekurangan daya dari pembangkit PV dan Wind Power. Adapun beberapa

komponen sistem PLTmH adalah :

a. Hydraulic Turbine

b. Generator

c. DC-DC Converter (Buck converter)

3.3.1 Pemodelan Hydraulic Turbine

Pada pemodelan hydraulic turbine ini, digunakan pemodelan sederhana

karena untuk mempersingkat kerumitan dari pemodelan Hydraulic Turbine. Berikut

pemodelannya :

Gambar 3.17 Pemodelan Hydraulic Turbine

Dimana didalam motor servo terdapat :

Gambar 3.18 Pemodelan Servo Motor

Gambar 3.19 Pemodelan Matematis Hydraulic Turbine

24

3.3.2 Pemodelan Generator

Pada pemodelan generator kali ini, digunakan generator Synchronous

Machine yang terdapat pada Matlab/Simulink. Berikut merupakan parameter dari

generator Synchronous Machine:

Gambar 3.20 Pemodelan Synchronous Machine generator

3.3.3 Pemodelan DC-DC Buck Converter

Buck Converter disini bertujuan untuk memperkecil tegangan output dari

PLTmH, agar disesuaikan dengan tegangan dari beban. Berikut pemodelan Buck

Conveter sederhana yang didalamnnya terdapat Induktor (L), Kapasitor (C), Mosfet

(sebagai pensaklar), Dioda dan Resistor Beban (R).

Gambar 3.21 Rangkaian Buck Conveter

25

Setelah mengetahui mengetahui rangkaian dari buck converter, langkah

selanjutnya adalah menentukan parameter-parameter dari setiap komponen

menggunakan parameter keluaran dari PLTmH.

Tabel 3.2 Perencanaan Buck Converter PLTmH

Daya PV (W) 50 KW

Voltage Input (Vin) 515 V

Voltage Output (Vout) 350 V

Frekuensi (f) 40 KHz

Duty Cycle (D) 0.8

Dengan parameter diatas, dapat ditentukan nilai dari masing-masing

komponen menggunakan perhitungan dibawah ini :

𝐷 = 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝐿𝑚𝑖𝑛 = (1 − 𝐷)2 ∗ 𝑅

2 ∗ 𝑓

𝐶𝑚𝑖𝑛 = (1 − 𝐷) ∗ 𝑉𝑜𝑢𝑡

8 ∗ 𝑉𝑟 ∗ 𝐿 ∗ 𝑓2

Sehingga, diperoleh nilai dari setiap komponen Buck Conveter sebagai berikut :

𝐷 = 350

515 𝐷 = 0,7

𝐿𝑚𝑖𝑛 = (1−0.7)2∗ 2.5

2 𝑥 40000 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0,8 𝑚𝐻

𝐶𝑚𝑖𝑛 = (1−0.8)∗350

8∗3.55∗(0.8∗10−3)∗400002 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 3.125 uF

26

Langkah selanjutnya adalah memasukan nilai-nilai tersebut kedalam pemodelan

Simulink dibawah ini :

Gambar 3.23 Pemodelan DC-DC Buck Conveter pada Simulink

Setelah mendapatkan semua persamaan dan konsep pemodelan dari PLTmH, maka

dapat dilakukan pemodelan secara keseluruhan. Berikut merupakan pemodelan

keseluruhan dari PLTmH:

Gambar 3.24 Pemodelan Keseluruhan PLTmH

3.4 Pemodelan ANN

Pada saat pemodelan ANN, terdapat 2 hal yang harus diperhatikan. Pertama

adalah data latih, yang kedua adalah data uji. Data latih digunakan untuk

menentukan nilai bobot yang dibutuhkan oleh ANN, sedangkan data uji digunakan

untuk memvalidasi keluaran ANN dengan target yang diinginkan. Berikut

merupakan proses pembuatan ANN pada Matlab/Simulink :

1. Menentukan Variabel masukan ANN

Pemodelan ANN menggunakan 8 masukan, yaitu waktu, V PV, P PV,

V Wind, P Wind, V PLTmH, P PLTmH dan Load. V PV merupakan

tegangan PV, P PV merupakan daya PV, V Wind adalah tegangan Wind

27

Power, P Wind adalah daya Wind Power, V PLTmH adalah tegangan

PLTmH, P PLTmH adalah daya PLTmH dan Load adalah beban.

2. Normalisasi Data

Setelah mendapatkan data dari variable yang diinginkan, langkah

selanjutnya adalah menormalisasi data. Normalisasi data dilakukan

dengan menggunakan rumus X′ =0.8∗ (𝑋−𝑏)

(𝑎−𝑏)+ 0.1

Dimana : X’ : Data Hasil Normalisasi

X : Data asli/ data awal

a : Nilai maksimum data asli

b : Nilai minimum data asli

3. Melatih ANN

Setelah melakukan normalisasi data, langkah selanjutnya adalah melatih

ANN menggunakan data hasil normalisasi. Setelah melatih ANN, maka

pemodelan ANN akan didapatkan.

4. Setelah mendapatkan pemodelan ANN dari Matlab, langkah selanjutnya

adalah melakukan pengujian untuk membandingkan keluaran ANN

dengan target pada saat pelatihan.

3.5 Pemodelan Beban

Pada pemodelan beban kali ini, menggunakan beban DC yg terdapat pada

matlab. Berikut merupakan data beban yang harus dimodelkan :

Gambar 3.25 Beban

0

5000

10000

15000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Load

28

Gambar 3. 26 Konfigurasi Beban

Gmbar 3.27 Pemodelan Beban

Terdapat 24 beban yang akan aktif bergantian mulai dari detik 0 sampai detik 24.

Contoh, pada detik 0 sampai 1 makan beban 1 akan aktif, pada detik ke 2 sampai 3

beban 2 akan aktif dan beban 1 akan mati, begitu juga seterusnya.