LAPORAN KEMAJUAN

PENELITIAN TERAPAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

RANCANG BANGUN KENDALI TEGANGAN DAN FREKUENSI

PADA SISTEM KELISTRIKAN DI PULAU TERPENCIL

DENGAN PEMBANGKIT PV-WIND TURBINE-FUEL CELL

BERBASIS FUZZY LOGIC CONTROL UNTUK MENDUKUNG

KEMANDIRIAN ENERGI BARU TERBARUKAN NASIONAL

Tim Penelitian :

Dr. Ir. Soedibyo, M.MT. (Ketua) (NIDN: 0007125502 / Teknik Elektro / Fak. Teknologi Elektro dan Informatika Cerdas)

Prof. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng. Ph.D. (Anggota 1) (NIDN: 0012106504 / Teknik Elektro / Fak. Teknologi Elektro dan Informatika Cerdas)

Feby Agung Pamuji ST., MT., Ph.D. (Anggota II) (NIDN: 0006028701 / Teknik Elektro / Fak. Teknologi Elektro dan Informatika Cerdas)

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2020

Kode/Nama Rumpun Ilmu : 451 / TEKNIK ELEKTRO

Bidang Unggulan : A-1-3

| ii

HALAMAN PENGESAHAN

PENELITIAN TERAPAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

1. Judul Penelitian : Rancang Bangun Kendali Tegangan dan

Frekuensi pada Sistem Kelistrikan dengan Pembangkit PV-Wind Turbine-Fuel

Cell Berbasis Fuzzy Logic Control untuk Mendukung Kemandirian Energi

Baru Terbarukan Nasional

2. Kode/Nama Rumpun Ilmu : 451 / Teknik Elektro

3. Bidang Unggulan PT : Energi

4. Topik Unggulan : Energi Baru dan Terbarukan

5. Ketua Peneliti

a. Nama Lengkap : Dr. Ir. Soedibyo, M.MT

b. NIDN : 195512071980031004

c. Jabatan Fungsional : Lektor Kepala

d. Program Studi : Teknik Elektro

e. Telp / HP / Fax : 08175295920

f. Alamat Surel (e-mail) : dibyosoe@gmail.com

soedieb@ee.its.ac.id

6. Anggota Peneliti (1)

a. Nama Lengkap : Prof. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng.Ph.D

b. NIDN : 0012106504

c. Perguruan Tinggi : Institut Teknologi Sepuluh Nopember

7. Anggota Peneliti (2)

a. Nama Lengkap : Feby Agung Pamuji ST., MT., Ph.D

b. NIDN : 0006028701

c. Perguruan Tinggi : Institut Teknologi Sepuluh Nopember

8. Lama Penelitian Keseluruhan : 3 Tahun

9. Biaya Penelitian Keseluruhan : 517.000.000,00

10. Biaya Penelitian Tahun ke 1 :

Disetujui oleh DRPM : 143.000.000,00

Dana internal PT : -

Mengetahui, Surabaya, 15 Juli 2020

Kepala P. P. Energi B. DRPM ITS Ketua Tim Peneliti

Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng. Dr. Ir. Soedibyo, M.MT

NIP. 19611021 198603 1 001 NIP : 19551207 198003 1 004

Mennyetujui,

Direktur DRPM ITS

Agus Muhamad Hatta, ST., MSi., Ph.D.

NIP : 19780902 200312 1 002

| iii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... ii

DAFTAR ISI ......................................................................................................... iii

RINGKASAN ....................................................................................................... iv

BAB I ...................................................................................................................... 6

1.1 Latar Belakang ....................................................................................... 6

1.2 Perumusan dan Pembatasan Masalah ................................................. 7

1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................... 8

1.4 Urgensitas Penelitian .............................................................................. 8

1.5 Target Luaran ......................................................................................... 9

BAB II .................................................................................................................. 11

2.1. Konfigurasi Sistem Kelistrikan ........................................................... 11

2.1.1 Pemodelan Matematik Pembangkit Listrik Tenaga Surya ....... 11

2.1.2 Pemodelan Matematik Pembangkit Listrik Tenaga Bayu ........ 12

2.2 Desain Sistem Kendali .......................................................................... 16

2.3 Studi Hasil Penelitian Sebelumnya (State of the Art) ....................... 18

2.3.1 Desain Optimal Kapasitas ............................................................ 19

2.3.2 Desain Sistem Kendali .................................................................. 20

2.4 Peta Jalan Penelitian (Road Map) ....................................................... 22

BAB III ................................................................................................................. 24

3.1 Metode Penelitian dan Capaian Tahun Pertama .............................. 25

3.2 Metode Penelitian dan Capaian Tahun Kedua ................................. 28

3.3 Metode Penelitian dan Capaian Tahun KetigaError! Bookmark not

defined.

BAB IV ...................................................................... Error! Bookmark not defined.

4.1 Hasil Sementara ......................................... Error! Bookmark not defined.

BAB V ........................................................................ Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ............................................... Error! Bookmark not defined.

| iv

RINGKASAN

Energi terbarukan telah menjadi salah satu kontributor utama bagi

masyarakat modern kita, tetapi integrasi suplai daya pembangkit jenis energi

terbarukan ke jaringan listrik menimbulkan tantangan teknis yang signifikan.

Kualitas daya listrik adalah aspek penting dari integrasi energi terbarukan. Didalam

sistem kelistrikan untuk pulau terpencil/terisolir yang memanfaatkan energy baru

& terbarukan (renewable energy), terpasang sistem dengan topologi radial. Dengan

topologi radial ini, membuat daerah yang paling jauh dengan pembangkit

mengalami penurunan kualitas daya yang sangat signifikan. Sehingga persoalan

penting yang harus diantisipasi adalah bagaimana menjaga kualitas daya listrik

(kontinuitas, tegangan dan frekuensi) sesuai standard yang telah ditentukan merata

pada semua daerah.

Masalah kualitas daya utama adalah: 1) Fluktuasi tegangan dan frekuensi,

yang disebabkan oleh variabilitas sumber daya energi terbarukan yang tidak dapat

dikendalikan. Sifat sumber energi terbarukan yang terputus-putus karena kondisi

cuaca yang terus berubah menyebabkan fluktuasi tegangan dan frekuensi di

jaringan listrik yang saling berhubungan. 2) Harmonik, yang diperkenalkan oleh

perangkat elektronik daya yang digunakan dalam pembangkit energi terbarukan.

Ketika tingkat penetrasi energi terbarukan tinggi, pengaruh harmonisa bisa menjadi

signifikan. Tinjauan literatur yang luas dilakukan pada penelitian ini untuk

menghadapi tantangan kualitas daya yang muncul karena integrasi energi

terbarukan.

Pada penelitian ini penyelesaian masalah kualitas daya listrik pada sistem

kelistrikan di pulau terisolir dilakukan dengan menggunakan sistem hibrida yang

memanfaatkan energi surya (photovoltaic), energi angin (wind turbine) dan sel

bahan bakar (fuel-cell), serta dilengkapi dengan electrolyzer, hidrogen storage

maupun inverter/converter sebagai peralatan pendukung. Metode untuk perbaikan

kualitas daya listrik pada penelitian ini berbasis fuzzy logic control untuk

mengendalikan filter aktif.

Fokus penelitian yang akan dikerjakan adalah perancangan dan

perealisasian peralatan teknik sistem kendali demi menjaga kualitas daya listrik

berdasarkan standar IEEE 519 - 1992 maupun SPLN berbasis fuzzy logic control.

| v

Tujuan dari penelitian ini diharapkan pemanfaatan system hibrida PV – Wind

Turbine – Fuel Cell untuk pulau terisolir diperoleh kualitas daya listrik dan

kontinuitas serta efisiensi energi yang tinggi.

Kata-kata kunci: kendali tengangan,kendali frekuensi, renewable energy, fuzzy

logic control.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada zaman sekarang ini kebutuhan akan energi listrik terus bertambah

seiring dengan berjalannya waktu. Namun pembangkit energi listrik konvensional

yang menggunakan sistem pembangkit listrik terpusat tengah menghadapi kendala

utama yaitu kekurangan bahan bakar fosil dan kebutuhan untuk mengurangi emisi.

Oleh karena itu, jaringan pembangkit terdistribusi telah meningkat dengan integrasi

sistem energi terbarukan ke dalam jaringan. Energi terbarukan seperti turbin angin

dan sistem photovoltaic surya (PV) menggunakan sumber daya alam dan

menyediakan energi hijau yang diinginkan. Penetrasi energi terbarukan meningkat

di seluruh dunia membuat teknologi-teknologi pembangkit listrik energi terbarukan

(renewable energi) seperti photovoltaic, mikrohidro serta turbin angin semakin

popular.

Dalam sistem kelistrikan yang memanfaatkan energi terbarukan (renewable

energi), persoalan penting yang harus diantisipasi adalah bagaimana menjaga

kualitas daya listrik dengan memenuhi standar yang telah ditentukan. Telah

diketahui bahwa pembangkit listrik terbarukan yang terhubung dengan jaringan

akan memperkenalkan masalah kualitas daya ke jaringan listrik. Dari sisi energi

terbarukan, pembangkit terbarukan tidak dapat diprediksi kontinuitasnya karena

daya yang dihasilkan berselang-seling dengan fluktuasi tinggi karena sifat sumber

daya energi terbarukan yang bervariasi. Parameter-parameter kualitas daya listrik

telah diatur dalam standard yang ditetapkan oleh IEEE. Beberapa contoh parameter

kualitas daya listrik sesuai dengan standard IEEE 519 -1 992 adalah level tegangan,

frekuensi, faktor daya, Total Harmonic Distortion, level unbalance, transient dan

masih banyak lagi.

Tuntutan kualitas daya listrik pada sistem kelistrikan energi terbarukan

terutama kontinuitas dan kualitas tegangan / frekuensi beriringan dengan

permintaan energi listrik yang semakin meningkat, maka masalah ini perlu diatasi.

Pada penelitian ini penyelesaian masalah dilakukan dengan menggunakan sistem

hibrida yang memanfaatkan energi surya (photovoltaic), sel bahan bakar (fuel-cell),

energi angin (wind turbine). Dilengkapi dengan electrolyzer, hidrogen storage

| 7

maupun inverter/converter berbasis elektronika daya sebagai peralatan pendukung.

Tentunya pengoperasian dari sistem hibrida ini memerlukan desain konfigurasi

maupun koordinasi sistem kendali yang lebih komplek.

Fuel cell merupakan sistem yang dapat mengubah hidrogen menjadi energi

listrik, sedangkan electrolyzer merupakan sistem elektrolisa yang menguraikan air

menjadi gas hidrogen dan oksigen. Disini dipilih fuel-cell bukan baterai atau

accumulator, karena fuel-cell lebih ramah lingkungan, ukuran lebih kecil, life time

lebih panjang serta reliability tinggi. Dengan sistem hibrida antara fuel cell dan

electrolyzer maka diharapkan akan dapat mengatasi permasalahan kestabilan daya

listrik yang terjadi. Jika terjadi surplus daya, maka akan dikonsumsi oleh

electrolyzer untuk memproduksi hydrogen (H2) sebagai bahan bakar sel bahan

bakar. Namun, jika daya output kelebihan melebihi kapasitas nilai electrolyzer,

maka kelebihan daya output akan dibuang melalui ballast load. Begitupun juga

apabila terjadi ketidak cukupan daya untuk beban akan ditanggung oleh sel bahan

bakar dengan memanfaatkan hydrogen yang diproduksi oleh electrolyzer.

Di dalam penelitian ini, akan dikerjakan perbaikan kualitas daya listrik

terintegrasi dari pembangkit hibrida dengan Photovoltaic-Wind turbine–Hidrogen

berbasis fuzzy logic control. Tujuan dari penelitian ini diharapkan diperoleh kualitas

daya listrik serta efisiensi energi listrik yang tinggi sesuai dengan standard yang

ditetapkan oleh IEEE 519 – 1992 dan dalam Recommended For Monitoring Electric

Power Quality oleh IEEE. Metode yang digunakan pada strategi peningkatan

performa sistem kelistrikan berbasis fuzzy logic control akan diterapkan untuk

mendapatkan kualitas daya listrik dengan standar IEEE maupun standard PLN yang

ada.

1.2 Perumusan dan Pembatasan Masalah

Ruang lingkup yang dibahas dalam program penelitian ini dibatasi oleh

beberapa aspek, yaitu:

1. Bagaimana membuat model pembangkit energi terbarukan hibrida dengan

sumber energi surya (photovoltaic) dan energi angin (wind turbine) serta

baterei / sel bahan bakar (fuel-cell) sebagai penyeimbang daya pada sistem

kelistrikan di pulau terisolir.

| 8

2. Bagaimana merancang sistem kendali tegangan dan frekuensi untuk

perbaikan kualitas daya listrik pada sistem hibrida photovoltaic, wind

turbine dengan baterai / fuel cell.

3. Bagaimana menjaga stabilitas dan mitigasi kualitas daya listrik sistem

kelistrikan dengan integrasi photovoltaic, wind turbine dan baterai/fuel cell

berbasis fuzzy logic controller.

1.3 Tujuan Penelitian

1. Mengkaji sistem hibrida yang memanfaatkan energi surya (photovoltaic),

energi angin (wind turbine) dan baterai / sel bahan bakar (fuel-cell) untuk

aplikasi sistem kelistrikan pulau terisolir.

2. Merancang sistem kendali tegangan dan frekuensi untuk pembangkit energi

surya (photovoltaic), energi angin (wind turbine) dan baterai / sel bahan

bakar (fuel-cell).

3. Menguji stabilitas kualitas daya listrik dengan parameter level tegangan dan

frekuensi, harmonisa dan kontinuitas sistem kelistrikan dengan integrasi

photovoltaic dan wind turbine serta baterai / fuel cell berbasis fuzzy logic

controller.

1.4 Urgensitas Penelitian

1. Potensi energi surya dan energi angin khususnya di pulau-pulau

terpencil/terisolir yang ada di Indonesia sangat besar. Sehingga diperlukan

perencanaan sistem yang baik seiring regulasi pemerintah terutama untuk

keperluan off-grid maupun on-grid ke sistem distribusi PLN.

2. Ratio kelistrikan didaerah terpencil yang masih rendah, terutama di pulau

terisolir. Oleh karenanya usaha memperluas daerah yang teraliri listrik harus

ditingkatkan, sehingga semua lapisan masyarakat di Indonesia akan bisa

menikmati energi listrik yang berkualitas tinggi.

3. Belum tercapainya tingkat kualitas daya listrik yang memuaskan untuk

pembangkit listrik jenis energi terbarukan khususnya energi surya dan

angin. Sehingga perlu diadakan perbaikan desain sistem yang mempunyai

tingkat efisiensi dan kontinuitas tinggi.

| 9

1.5 Target Luaran

Rencana terget luaran akan diuraikan menjadi rician capaian tahunan. Berikut

rencana target luaran dari penelitian ini adalah seperti pada Tabel 1.

Tabel 1.1 Rencana Target Capaian Tahunan

No Jenis Luaran

Indikator Capaian

Tahun 1 Tahun 2 Tahun 3

1 Publikasi Ilmiah

Internasional

(Tambahan)

Nasional Terakreditasi

2

Pemakalah dalam

temu ilmiah

Internasional

(Tambahan)

Nasional

3

Inivited speaker

dalam temu ilmiah

Internasional

Nasional

4 Visiting Lecturer Internasional

5 Hak Kekayaan

Intelektual (HKI)

Paten

Paten sederhana

Hak Cipta

Marek dagang

Rahasia dagang

Desain Produk Industri

Indikasi Geografis

Perlindungan Varietas

Tanaman

Dokumen Hasil Uji

| 10

6 Teknologi Tepat Guna

7 Prototipe/Model/Purwarupa/Desain/Karya

Seni/Rekayasa Sosial

8 Buku Ajar (ISBN)

9 Tingkat Kesiapan Teknologi 6 6 7

| 11

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Konfigurasi Sistem Kelistrikan

Sistem pembangkit hibrida PV / Wind Turbine / Fuel Cell terintegrasi dengan

sistem electrolizer ditunjukkan pada gambar 2.1. Semua daya keluaran komponen

hybrid terintegrasi pada bus DC yang selanjutnya akan masuk kedalam inverter 3

fasa yang selanjutnya akan disalurkan menuju beban.

Gambar 2.1 Sistem Hibrida PV / Wind Turbine / Fuel Cell

2.1.1 Pemodelan Matematik Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Panel surya atau modul PV adalah perangkat yang dapat mengubah energi

matahari menjadi energi listrik. Modul PV memerlukan konverter DC-DC untuk

mentransfer dan mengontrol daya output ke bus DC. Dalam hal ini, topologi

konverter boost telah dipilih. DC-DC boost converter memerlukan sistem kontrol

untuk mengontrol tegangan output atau transfer daya output. Untuk mengekstrak

daya maksimum yang dihasilkan oleh modul PV, DC-DC boost converter

dioperasikan oleh kontrol MPPT. Algoritma kontrol MPPT yang digunakan di sini

adalah algoritma perturb and observe (P&O) dengan variable step size.

Pemodelan panel surya dilakukan dengan asumsi sistem PLTS menggunakan

teknik kendali MPPT (maximum power point tracking). Sehingga daya yang

dihasilkan oleh panel surya selalu dalam kondisi maksimal sesuai dengan radiasi

sinar matahari yang sampai pada panel surya. Ada beberapa faktor yang

mempengaruhi besarnya daya yang dihasilkan oleh panel surya diantaranya radiasi

sinar matahari, suhu panel surya dan derating factor seperti efek shading, rugi –

=

=

MPPT

CONTROLLER

Boost Converter

==

MPPT

CONTROLLER

V I

Boost Converter

Hyd

rogen

tan

k

==

VOLTAGE

CONTROLLER

Boost Converter

LOAD

DC bus

Photovoltaic

WTGS

==

Boost Converter electrolyzerH2O

H2

O2

~=

Inverter

H2O

H2

O2

VOLTAGE

CONTROLLER

Fuelcell

2345 x 0.5 kW

V I

V

V

AC bus,

3Φ

540 x 0.5 kW

~~

| 12

rugi saluran dan sesuatu yang menghalangi sinar matahari sampai di permukaan

panel. Dari beberapa faktor tersebut dapat dirumuskan model matematik dari daya

keluaran panel surya sebagai berikut :

_ 1 ( )pv pv pv r T STC

STC

GP f P T T

G

pvP merupakan daya keluaran dari Panel surya, pvf merupakan derating

faktor, _pv rP merupakan daya rating keluaran panel surya, G merupakan radiasi

sinar matahari, T merupakan suhu pada panel surya, STCG dan STCT merupakan

radiasi sinar matahari dan suhu pada kondisi pengujian standar, dan T merupakan

koefisien suhu panel surya. Selain dari beberapa faktor tersebut terdapat beberapa

faktor yang dapat mempengaruhi daya keluaran dari panel surya yaitu kemiringan

panel terhadap arah matahari (tilt angle).

2.1.2 Pemodelan Matematik Pembangkit Listrik Tenaga Bayu

Sistem pembangkit turbin angin terdiri dari turbin angin, gearbox, generator

sinkron magnet permanen (PMSG), rectifier AC / DC 3 fase AC / DC dan konverter

boost DC-DC yang terhubung ke bus DC. DC-DC boost konverter topologi yang

digunakan di sini mirip dengan sistem pembangkit tenaga surya. DC / DC boost

converter dioperasikan oleh kontrol MPPT untuk mengekstraksi daya maksimum

dari sistem pembangkit angin.

Pembangkit listrik tenaga angin memiliki karakteristik tersendiri yang

direpresentasikan dengan kurva daya keluaran – kecepatan angin. Energi yang

dihasilkan oleh turbin angin dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya jenis

turbin angin, kecepatan angin, letak turbin angin, sapuan area baling – baling, berat

jenis air dan efisiensi mesin. Selain itu secara fisik ada batasan daya yang dapat

dikonversi oleh turbin angin dari angin sebesar 59,3 % (disebut batas bets). Dari

beberapa faktor tersebut, Model dari pembangkit listrik tenaga angin dapat

dinyatakan dalam persamaan matematik daya keluaran sebagai berikut.

| 13

3

0 ( )

1. . . ( ). . . ( )

2( )

. ( )

0 ( )

c

w c WT c r

WT

rated WT r c

r f

v t v

A v t N v v t vP t

P N v v t v

v t v

WTP merupakan daya keluaran dari PLTB (kW), WTN merupakan jumlah unit

turbin angin, v merupakan kecepatan angin (m/s), A merupakan sapuan area baling

– baling, merupakan berat jenis air, w dan c merupakan efisiensi mesin.

2.1.3 Fuel Cell

Fuel cell adalah sebuah alat yang menggunakan bahan bakar sebagai

masukannya dan memproduksi listrik sebagai keluarannya. Dalam artian yang lebih

spesifik fuel cell adalah sebuah alat yang mengkonversi bahan bakar secara

kontinyu menjadi listrik dan panas dengan cara reaksi elektrokimia. Reaktan yang

biasanya digunakan dalam sebuah sel bahan bakar adalah hidrogen di sisi anoda

dan oksigen di sisi katoda (sebuah sel hidrogen). Biasanya, aliran reaktan mengalir

masuk dan produk dari reaktan mengalir keluar. Sehingga operasi jangka panjang

dapat terus menerus dilakukan selama aliran tersebut dapat dijaga

kelangsungannya.

Sel bahan bakar adalah jenis sel yang berbeda dari sel umum lainnya. Sel

menyimpan energi listrik dalam sistem tertutup kimia sementara sel bahan bakar

menghasilkan listrik dengan mengkonsumsi bahan bakar. Sel bahan bakar mirip

dengan baterai, tetapi berbeda karena dia dirancang untuk dapat diisi

terusreaktannya yang terkonsumsi yaitu dia memproduksi listrik dari penyediaan

bahan bakar hidrogen dan oksigen dari luar. Hal ini berbeda dengan energi internal

dari baterai. Sebagai tambahan, elektroda dalam baterai bereaksi dan berganti pada

saat baterai diisi atau dibuang energinya, sedangkan elektroda sel bahan bakar

adalah katalitik dan relatif stabil.

Prinsip kerja dari fuel cell dimulai dari air dielektrolisis menghasilkan

hidrogen dan oksigen. Seperti yang sudah dinyatakan diatas, bahan bakar sel secara

kontras merupakan suatu elektrokimia yang menghasilkan listrik dan panas dari

hidrogen dan oksigen.

| 14

Gambar 2.2 Proses Elektrolisis

Bahan bakar sel menghasilkan listrik dan panas pada saat yang sama. Bahan

bakar sel pada dasarnya terdiri dari tiga lapisan unit yaitu kutub tempat

masuknya bahan bakar (anoda), sebuah lapisan elektrolit, dan kutub tempat

masuknya udara (katoda). Sehingga tegangan dan arus yang dibutuhkan

diperoleh dengan membangun atau menyusun jumlah sel dan konfigurasi stak.

Gambar 2.3 Proses Kerja Fuel Cell

Untuk menghasilkan listrik pada bahan bakar sel, gas hidrogen diarahkan

menuju kutub anoda dan akan bereaksi secara kimiawi, menghasilkan ion

hidrogen (H+) dan ion elektron (e-), kemudian pada sisi katoda, oksigen atau

udara yang disediakan akan mengalami reaksi reduksi yang akan menghasilkan

| 15

air (H2O), kombinasi dari oksigen dengan ion hidrogen yang melewati sebuah

elektrolit dan elektron berpindah ke konduktor luar, pada saat itu aliran elektron

luar membentuk arus yang menghasilkan listrik. Rekasi-reaksi yang terjadi pada

elektroda adalah sebagai berikut:

Reaksi Anoda: 2H2 4e- + 4H+

Reaksi katoda: 4e- + 4H+ + O2 2H2O

Reaksi Keseluruhan: 2H2 + O2 → 2H2O + panas + listrik

2.1.4 Electrolyzer

Electrolizer adalah alat elektrokimia untuk mengubah energi hidrogen

menjadi energi listrik. Ia bekerja dengan dua elektroda, elektrolit dan oksidan.

Mekanisme elektrolisis PEM memisahkan air yang disebabkan oleh reaksi

elektrokimia antara dua elektroda. Electrolizer terhubung ke bus DC menggunakan

buck converter. Dalam hal ini, electrolizer memiliki 2 fungsi untuk sistem hybrid

ini. Yang pertama digunakan sebagai perangkat penyimpanan yang menghemat

daya berlebihan yang dihasilkan oleh pembangkit listrik terbarukan dalam bentuk

hidrogen. Yang kedua, Electrolizer digunakan sebagai bagian dari strategi kontrol

tegangan konstan ketika tegangan lebih terjadi pada sistem. Untuk menambahkan

electrolizer pada sistem hybrid, electrolizer telah dimodelkan seperti yang

ditunjukkan pada gambar 2.4.

Gambar 2.4 Elektrolisis PEM untuk Proses Produksi Hidrogen

| 16

Gambar 2.5 Model Rangkaian Ekivalen dari Electrolyzer PEM Tunggal

2.2 Desain Sistem Kendali

Dalam hal ekonomi, untuk memanfaatkan sumber energi yang ada,

Photovoltaic dan WTGS harus dapat menghasilkan daya maksimum. Jadi kontrol

MPPT diperlukan. Sedangkan tegangan bus DC akan berubah sesuai dengan

perubahan daya yang masuk sistem dan keluar dari sistem. Untuk mengatasinya,

sel bahan bakar dan elektrolyzer memiliki peran untuk menjaga tegangan bus DC

stabil.

2.2.1 Desain Kontrol MPPT untuk PV dan Generator Tenaga Angin

Kontrol MPPT adalah teknik kontrol yang berupaya menghasilkan daya yang

selalu bernilai maksimum. Konsep dasar kontrol MPPT adalah dengan melacak titik

daya maksimum generator. Tegangan dan arus keluaran generator diukur dan

diproses oleh pengontrol menggunakan algoritma MPPT untuk menghasilkan

sinyal kontrol PWM. Sinyal kontrol PWM ini akan digunakan untuk memicu

sakelar elektronik pada konverter. Dalam hal ini, Incremental Conductance (IC)

telah dipilih untuk algoritma teknik kontrol MPPT. Konduktansi tambahan adalah

salah satu metode kontrol MPPT yang memiliki kesalahan steady state minimum

dan respon cepat untuk mencapai nilai konvergensi. Selain itu, pengontrol akan

menyesuaikan sinyal PWM untuk menambah atau mengurangi tegangan operasi

pada modul array PV dan pembangkit turbin angin hingga mencapai titik daya

maksimum (MPP). Hasilnya dapat mencapai nilai maksimum ketika turunan daya

(dP) sehubungan dengan arus (I) atau tegangan (V) adalah nol. Diagram alur kontrol

IC MPPT variable step ditunjukkan pada Gambar 2.6.

Useful power

Vi

DC

eref

Excess

potential loss

Heat loss

I

| 17

Gambar 2.6 Algoritma Variable Step Incremental Conductance

2.2.2 Desain Kontrol Constant Voltage

Kontrol tegangan konstan adalah teknik kontrol yang digunakan untuk

mempertahankan tegangan konstan sesuai dengan tegangan referensi. Konsep dasar

dari kontrol tegangan konstan adalah untuk mengatur sinyal PWM dengan

mengukur perbedaan tegangan yang diukur dengan tegangan referensi sebagai

sinyal input kontrol PI. Tegangan output konverter diukur dan diumpankan ke

controller. Kemudian kontroller akan mengeluarkan sinyal PWM untuk menjaga

voltase output konverter tetap.

Konsep dasar dalam mengatur tegangan bus DC dalam sistem hybrid ini

dibagi menjadi 2 kondisi, yaitu dengan meningkatkan tegangan ketika tegangan bus

DC diukur ketika mengalami tegangan di bawah dan mengurangi tegangan bus DC

yang diukur ketika tegangan lebih terjadi. Di bawah kondisi tegangan terjadi ketika

start

∆V = V(k) – V(k-1); ∆I = I(k) – I(k-1)

∆P = P(k) – P(k-1);

Step = N*|∆P/∆V|

∆V = 0 ?

∆P/∆V = 0 ? ∆I = 0 ?

∆P/∆V > 0 ? ∆I > 0 ?

D(k)=D(k-1)

-Step

D(k)=D(k-1)

+Step

D(k)=D(k-1)

-Step

D(k)=D(k-1)

+Step

yesyes

yes

no

return

yes yes

no

no no

no

Update

V(k-1)=V(k),I(k-1)=I(k)

D(k)=D(k-1) D(k)=D(k-1)

| 18

daya total yang dihasilkan oleh pembangkit energi terbarukan lebih kecil dari daya

beban. Sedangkan kondisi tegangan lebih terjadi ketika daya total yang dihasilkan

oleh energi terbarukan bernilai lebih besar daripada daya beban.

2.3 Studi Hasil Penelitian Sebelumnya (State of the Art)

Desain dari sistem pembangkit listrik hibrida yang terdiri dari Surya-Angin-

Hidrogen, yang diusulkan untuk aplikasikan di daerah terisolair (pulau) yang ada di

Wilayah Indonesia Timur, ditunjukkan pada Gambar 2.7, dimana daya output dari

PV, WT serta FC ketiganya terhubung pada bus DC dan selanjutnya terhubung pada

bus AC setelah melalui Inverter 3 fasa.

dimana,

Photovoltaic : pembangkit listrik tenaga surya

Wind Turbine : pembangkit listrik tenaga angin

Fuel Cell : pembangkit listrik tenaga sel bahan bakar (hydrogen)

Pada penelitian sebelumnya, sistem pembangkitan listrik hibrida energi surya

(photovoltaic), energi angin (wind turbine) dan sel bahan bakar (Fuel Cell)

mempunyai fokusan yaitu meraih efisiensi pembangkitan yang tinggi dengan

kendali tegangan. Hasil yang telah dicapai adalah pembangkit listrik hibrida

berhasil memperoleh efisiensi yang tinggi dengan mengatur daya yang dihasilkan

sama dengan daya yang dibutuhkan oleh beban (PET = PBeban) dengan menggunakan

sistem kendali tegangan konstan berbasis fuzzy logic controller. Kontrol tegangan

konstan adalah teknik kontrol yang digunakan untuk mempertahankan tegangan

konstan sesuai dengan tegangan referensi. Konsep dasar dari kontrol tegangan

konstan adalah untuk mengatur sinyal PWM dengan mengukur perbedaan tegangan

yang diukur dengan tegangan referensi sebagai sinyal input kontrol PI. Tegangan

output konverter diukur dan diumpankan ke controller. Kemudian kontroller akan

mengeluarkan sinyal PWM untuk menjaga voltase output konverter tetap. Pada

prinsipnya, apabila sistem mengahsilkan daya yang berlebih, maka margin

tegangan tersebut akan digunakan untuk suplai daya ke electrolyzer guna

menghasilkan hidrogen. Apabila sistem menghasilkan daya yang kurang dari

beban, maka fuel cell akan membantu suplai daya dengan bahan dasar hidrogen

yang dihasilkan oleh electrolyzer.

| 19

Namun pada penelitian sebelumnya terjadi masalah kualitas daya listrik yang

rendah pada daerah yang letaknya sangat jauh dari pembangkit. Sistem kelistrikan

tersebut masih belum memenuhi standard IEEE yaitu level tegangan yang diizinkan

adalah 110% untuk overvoltage dan 90% untuk undervoltage. Begitu pula dengan

frekuensi masih belum memenuhi standard IEEE dengan batas toleransi ±5%.

Begitu pula terjadi tingkat harmonisa yang tinggi karena banyaknya penggunaan

komponen elektronika daya dalam sistem.

Gambar 2.7 Blok diagram system kelistrikan pembangkit PV-Wind Turbine-Fuel

Cell

2.3.1 Desain Optimal Kapasitas

Pada dasarnya, simulasi strategi operasi yang optimal berisi aliran daya dalam

rangka untuk memasok energi listrik permintaan beban. Di sini konsep dasar

strategi sistem operasi dapat dijelaskan hal-hal berikut.

| 20

1. Jika PRen (t) = PL (t), dalam hal ini seluruh daya listrik yang dihasilkan oleh

sumber-sumber energi terbarukan disuplai ke beban.

2. Jika PRen(t) > PL (t), surplus daya dikonsumsi oleh electrolyzer untuk

memproduksi hydrogen (H2) sebagai bahan bakar sel bahan bakar. Namun, jika

daya output kelebihan melebihi kapasitas nilai electrolyzer, maka kelebihan

daya output akan dibuang melalui ballast load.

3. Jika PRen(t) < PL (t), ketidak cukupan daya untuk beban akan ditanggung oleh

sel bahan bakar dengan memanfaatkan hydrogen yang diproduksi oleh

electrolyzer.

PRen adalah PPV + PWT + PFC

dimana;

PRen = pembangkitan energi terbarukan

PPV = pembangkitan photovoltaic

PFC = pembangkit sel bahan bakar

2.3.2 Desain Sistem Kendali

Pada sistem kendali daya disini, diterapkan teknik kecerdasan buatan berbasis

Fuzzy Logic Controller (FLC). Ada 2 (dua) buah FLC yang digunakan yaitu: FLC

1 (pertama) untuk mengendalikan kecepatan generator pada turbin angin sehingga

daya output akan maksimum dan FLC 2 (kedua) untuk mengendalikan buck-boost

pada sel bahan bakar sehingga diperoleh kesetimbangan daya dan tegangan maupun

frekuensi sistem tetap terjaga konstan pada harga nominalnya. Pada kendali ini

digunakan fuzzy logic controller karena kita dapat mudah dalam penentuan batasan

– batasan dalam membership function, sensing tegangan sistem, kapasitas sel bahan

bakar dan duty-cycle untuk penyulut PWM.

Pembangkit listrik dari energy surya dan energi angin merupakan pembangkit

utama yang akan terus memberikan daya pada sistem. Kondisi beban yang fluktuatif

akan berpengaruh pada sistem, dimana hal ini akan mempengaruhi kestabilan

tegangan dan frekuensi sistem. Untuk mengatasi hal tersebut, pada sistem ini

dimanfaatkan pembangkit sel bahan bakar, yang akan menyuplai daya pada sistem

apabila besar daya beban (PL) lebih besar daripada daya yang dibangkitkan oleh

energy surya (PPV) dan turbin angin (PWT). Namun sebaliknya, apabila besar daya

beban (PL) lebih kecil daripada daya yang dibangkitkan oleh pembangkit energi

| 21

surya (PPV) dan turbin angin (PWT), pada sistem ini dimanfaatkan electrolyzer.

Electrolyzer dengan mendapatkan catu daya listrik berfungsi untuk proses

elektrolisa, yaitu menguraikan air (H2O) menjadi hidrogen (H2) dan oksigen,

dimana hidrogen ini akan disimpan pada tangki hidrogen untuk kemudian

digunakan sebagai bahan bakar dari pembangkit sel bahan bakar.

MulaiMulai

V (Tegangan) PSbb (Kapasitas Sel bahan bakar)

V < 300 Volt

30 % < PSbb < 100 %Ya

Tidak

Selesai

Discharge

Tidak

Ya

V < 300 Volt

PSbb < 30 %Selesai

300 < V < 328 Volt

30 % < PSbb < 100 % Ya

Tidak

Selesai

Ya

300 < V < 328 Volt

PSbb < 30 %Selesai

Tidak

328 < V < 500 Volt

30 % < PSbb < 100 %Ya

Tidak

Selesai

ChargeYa

328 < V < 500 Volt

PSbb < 30 %

Selesai

Selesai

Tidak

328 < V < 500 Volt

30 % < PSbb < 100 %

Ya

Charge

Selesai

Tidak

Gambar 2.8 Diagram alir sistem kendali kesetimbangan daya pada pembangkit

listrik hibrida

| 22

2.4 Peta Jalan Penelitian (Road Map)

Gambar 2.9 Peta Jalan (Road Map) Penelitian Selama 3 Tahun

| 23

Pada Tahun pertama penelitian ini akan berfokus pada perbaikan kualitas

level tegangan pada sistem kelistrikan pulau terpencil dengan integrasi pembangkit

listrik hibrida antara energi surya (photovoltaic) – energi angin (wind turbine) – sel

bahan bakar (fuel cell). Tahun pertama akan dimulai dengan pengkajian sistem

kelistrikan pada penelitian sebelumnya untuk mendapatkan output program aliran

daya. Lalu akan dilanjutkan dengan perancangan dan simulasi sistem kendali

tegangan berbasis fuzzy logic control dengan data primer tegangan yang didapat

langsung dari sistem kelistrikan pulau terpencil.

Pada tahun kedua perbaikan kualitas daya listrik akan lebih berfokus pada

parameter frekuensi dan faktor daya. Penggalian data dilakukan untuk mendapatkan

data primer kualitas frekuensi dan faktor daya dari sistem kelistrikan pulau

terpencil. Setelah didapatkan data maka akan dilakukan perancangan beserta

simulasi optimasi sistem kendali frekuensi dan faktor daya.

Pada tahun ketiga fokus utama dari penelitian ini adalah untuk membuat

prototipe dari sistem kendali perbaikan kualitas daya untuk integrasi pembangkit

listrik hibrida antara energi surya (photovoltaic) – energi angin (wind turbine) – sel

bahan bakar (fuel cell). Lalu dilakukan pengujian dan optimasi sistem kendali di

sistem kelistrikan pulau terpencil agar sistem dapat dievaluasi.

| 24

BAB 3

METODE PENELITIAN

Durasi penelitian desain perbaikan kualitas daya listrik sistem kelistrikan

pembangkit hibrid PV-Wind Turbine diusulkan selama tiga tahun. Di setiap tahun

terdapat tahapan-tahapan penelitian untuk mendapatkan desain kendali tegangan

dan frekuensi berbasis fuzzy logic control.

| 25

3.1 Metode Penelitian dan Capaian pada tahun Pertama

Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian tahun pertama

Pada Gambar 3.1. adalah diagram alir metode pelaksanaan penelitian pada

tahun pertama. Jadwal kegiatan selama penelitian beserta indikator capaian dan

luaran pada tahun pertama tertera pada tabel 3.1.

| 26

Pengumpulan data potensi energi matahari dan potensi angin serta level

tegangan diambil dari pulau terisolir. Desain kendali level tegangan menggunakan

basis fuzzy logic dengan harapan output level tegangan berada diantara 105 % dan

90 % dari tegangan nominal.

Tabel 3.1 Jadwal penelitian dan indikator capaian penelitian tahun ke 1

Kegiatan Waktu

(Bulan ke;) Indikator Capaian

Studi pustaka desain rancangan

sistem kendali kualitas

tegangan berdasarkan standard

IEEE dan PLN

1 – 3

Referensi yang berhubungan dengan

topik penelitian dan sistem kendali

tegangan.

Mengkaji rancangan sistem

Kelistrikan Standalone dengan

Sistem Hybrida Photovoltaic-

Wind Turbine– Fuel Cell pada

penelitian sebelumnya

2

Program aliran daya rancangan sistem

kelistrikan dengan integrasi surya-

angin-hidrogen.

Menggali data level tegangan

bus pada sistem kelistrikan

dengan pembangkit hibrida

PV-Wind Turbine.

3 – 4 Data – data untuk input pada simulasi

sistem kendali tegangan

Merancang sistem kendali

tegangan untuk perbaikan

kualitas tegangan pada

pembangkit hibrida PV-Wind

Turbine.

5 – 6

Desain sistem kendali level tegangan

pada system rancangan kelistrikan

dengan integrasi surya - angin.

Simulasi sistem kendali

tegangan dengan daya beban,

dan kondisi irradiance, dan

kecepatan angin yang berubah-

ubah

6

1. Luaran Wajib ke 1; Publikasi

pada Seminar Internasional

IEEExplore (pada

ISEMANTIC 2020)

| 27

2. Luaran Tambahan Jurnal

Nasional ter-Akreditasi SINTA

2, tentang Peningkatan kualitas

level tegangan sesuai dengan

standard yang ditetapkan IEE

(pada JRE Unsyiah)

Pembuatan Laporan Kemajuan 6 Dihasilkannya; laporan kemajuan, log-

book dan luaran penelitian.

Analisis hasil dan kesimpulan 7 – 8

Luaran wajib ke 2;

- Artikel pada Jurnal

Internasional ter-index Scopus

Pembuatan Laporan Akhir 9

Dihasilkannya; laporan akhir, log-book

dan laporan keuangan serta luaran

penelitian th. ke 1.

| 28

BAB 4

KONTROL TEGANGAN PADA SYSTEM HYBRID

(PHOTOVOLTAIC - WIND TURBINE - FUEL CELL)

Kontrol strategi pada sistem energi terbarukan tenaga hybrid Photo-voltaic

dan Wind-power bertujuan, dalam memaksimalkan kesetimbangan tegangan.

Strategi kontrol tegangan sangat perlu dirancang terutama saat terjadinya perubahan

beban yang berbeda-beda, jika tidak dilakukan maka akan berpengaruh kepada

kesetimbangan daya yang diberikan ke beban dan bisa mengakibatkan rusaknya

peralatan yang digunakan. Sumber energi matahari dan angin memberikan

pengaruh yang besar terhadap kestabilan kualitas dari tegangan yang diberikan

karena sifat energi terbarukan ini yang bersifat fluktuatif.

Pemanfaatan energi terbarukan menjadi semakin penting dari sudut pandang

konservasi lingkungan ditambah lagi dengan menipisnya bahan bakar fosil.

Instalasi pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya semakin banyak

digunakan dalam beberapa aplikasi off grid dikarenakan banyaknya daerah yang

sulit dijangkau oleh jaringan grid sehingga sistem off grid merupakan solusi yang

ditawarkan.

Energi yang dihasilkan oleh tenaga surya dan angin memiliki kekurangan,

tenaga matahari dan angin sangat bergantung pada iklim. Misalnya tidak mungkin

kita mengandalkan teknologi sel surya sebagai sumber energi tiap waktu dalam

kondisi cahaya yang berbeda ditambah lagi prilaku perubahan beban konsumen

yang berubah-ubah

Mengatasi masalah ini, penggunaan energi yang berbeda telah diusulkan [1].

Peneliti mengusulkan teknik penggunaan dua jenis sumber energi yang berbeda

sehingga dapat saling melengkapi. Sistem energi hybrid dengan kontrol yang tepat

memiliki potensi besar dalam memberikan kesetimbangan daya. Namun, masalah

utama dalam menggunakan sumber energi surya adalah mengatasi karakteristik

keluaran daya energi surya yang fluktuatif yang disebabkan oleh bervariasinya suhu

dan radiasi dari matahari.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengusulkan pengoptimalan daya sistem

hybrid energi surya dan turbin angin yang akan digunakan dengan baterai dan

| 29

perangkat pengkondisian sinyal saat terjadinya perubahan beban. Baterai akan

digunakan sebagai penyimpanan energi saat daya keluaran hybrid berlebih yang

kemudian akan digunakan kembali pada saat daya keluaran hybrid kurang dari

kebutuhan beban. Perangkat pengkondisian sinyal pada penelitian ini menggunakan

5 buah converter daya yaitu; 1 buah AC to DC converter, 2 buah DC-DC Boost

converter, 1 bidirectional converter, 1 DC-AC bidirectional buck boost converter.

Untuk mendapatkan daya keluaran maksimum energi surya menggunakan metode

MPPT yang diaplikasikan pada boost converter, sedangkan untuk mengatur

tegangan DC Bus melalui pengaturan charging-discharging baterai melalui

bidirectional buck-boost converter.

Baterai memiliki dua parameter yang tidak boleh diabaikan agar batrai dapat

mencapai lifetime yang diharapkan, yaitu tegangan (maksimum tegangan saat

charging dan minimum tegangan saat discharging) dan arus (besar arus saat

charging) [2] [3]. Adanya batasan tersebut dan sistem PV yang menggunakan

MPPT, maka akan muncul keadaan dimana baterai tidak mampu lagi untuk

menambah kapasitas penyimpanan atau membahayakan bagian lifetime baterai bila

menampung besarnya arus charging.

Pada sistem ini, kelebihan daya yang dihasilkan akan berakibat pada naiknya

tegangan DC Bus. Keadaan ini akan membahayakan komponen atau peralatan pada

sisi beban dan perangkat pengkondisian sinyal. Oleh sebab itu, menerapkan dua

mode pada boost converter yaitu MPPT dan Control DC Bus sangat dibutuhkan

untuk menjaga kestabilan dari tegangan.

4.1.Kontrol Tegangan Pada System Hybrid (Photovoltaic - Wind Turbine -

Fuel Cel) Menggunakan Manajemen Penyimpanan Baterai

4.1.1 Studi Pustaka

Baterai

Apabila beban memiliki karakteristik yang berbeda dengan daya hybrid yang

dihasilkan, maka diperlukan komponen penyimpanan energi guna menyimpan

energi saat sistem kelebihan daya dan mensuplai daya saat sistem kekurangan daya.

Ada banyak jenis baterai yang sering digunakan untuk aplikasi energi terbarukan

seperti: Lead Acid, Ni-Cd, Ni-MH, Lion, dan Li-Polymer, tetapi baterai yang

| 30

memiliki karakteristik terbaik untuk aplikasi energi terbarukan dan dapat digunakan

untuk skala kecil sampai besar adalah batrai Li-ion [4] [5].

Pemodelan baterai dapat dimodelkan menjadi pemodelan eksperimental. Pada

penelitian ini pemodelan menggunakan rangkaian ekivalen yang mengacu pada

pemodelan Sherperd seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1. Besarnya V_Batt

(Battery Terminal Voltage) bergantung dari besarnya OCV (Open Circuit Voltage),

Arus baterai (I_Batt), dan implementasi internal baterai. Persamaan untuk tegangan

terkontrol ditunjukkan oleh persamaan 1.

Dimana: OCV = E0 – K 𝑄

𝑄−∫ ib dt + A exp (-B∫ib dt) (1)

E0 = Tegangan konstan battery (V)

K = Tegangan Polarisasi (V)

Q = Kapasitas Battery (Ah)

A = Amplitudo daerah eksponensial (V)

B = konstanta waktu invers daerah eksponensial (Ah -1 )

Gambar 4.1. Rangkaian pengganti Baterai [5]

| 31

Gambar 4.2. Karakteristik discharging Baterai Li-ion [6]

Gambar 4.2. Merupakan karakteristik discharge adalah karakteristik pada saat

baterai mengalami discharging. Parameter untuk persamaan 1 dapat dicari dalam

tiga daerah kurva, yaitu daerah full charge, daerah eksponensial, dan daerah

nominal. Konstanta A, B, dan K berturut-turut ditunjukkan oleh persamaan 2,3, dan

4.

𝐴 = 𝐸𝑓𝑢𝑙𝑙𝐸𝑒𝑥𝑝 (2)

𝐵 =3

𝑄𝑒𝑥𝑝

(3)

K= 𝐸0 − 𝐾 +

𝐴(exp(−𝐵𝑄𝑛𝑜𝑚)−1 )]𝑄−𝑄𝑛𝑜𝑚

𝑄𝑛𝑜𝑛

(4)

Efull tegangan baterai saat terisi penuh, sedangkan Enom adalah tegangan baterai saat

kondisi esksponensial [7]

Strategi Manajemen energi

Sistem yang digunakan untuk meyuplai beban seperti pada Gambar 4.4. dan

memiliki persamaan seperti persamaan 5. Namun dengan penambahan peralatan

| 32

penyimpanan energi maka persamaan akan berubah menjadi 6 pada saat PGen lebih

dari PLoad dan persamaan 7 pada PGen kurang dari PLoad [8]

𝑃𝑝𝑣 = 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑

(5)

𝑃𝑝𝑣 = 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 + 𝑃𝐵𝑎𝑡𝑡

(6)

𝑃𝑝𝑣 = 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 − 𝑃𝐵𝑎𝑡𝑡 (7)

Persamaan 5, 6 dan 7 memiliki constraint yaitu tidak mempertimbangkan

adanya losses pada converter yang digunakan dan effisiensi pada PGen dan baterai

diasumsikan memiliki nilai 100%. Apabila mempertimbangkan losses dari

converter yang digunakan dan adanya derating factor pada PGen dan baterai, maka

persamaan 6, berubah menjadi persamaan 8, pada saat PGen lebih dari PLoad dan

persamaan 7 berubah menjadi persamaan 9 pada saat PGen kurang dari PLoad [1] .

𝜂𝑝𝑣𝑓𝑝𝑣𝑃𝑝𝑣

= 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 + 𝜂𝐵𝑖𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝜂𝐵𝑎𝑡𝑡𝑃𝐵𝑎𝑡𝑡

(8)

𝜂𝑝𝑣𝑓𝑝𝑣𝑃𝑝𝑣

= 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 − 𝜂𝐵𝑖𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝜂𝐵𝑎𝑡𝑡𝑃𝐵𝑎𝑡𝑡

(9)

Daya luaran sel surya akan berbeda pada setiap wilayah karena disetiap wilayah

terdapat perbedaan radiasi matahari. Pada daerah yang sama juga memungkinkan

terjadi perbedaan radiasi matahari dengan perbedaan sudut pemasangan sel surya

[9][10].

| 33

Gambar 4.3. Kurva Karakteristik Sel Surya Musim Panas

Pada penulisan ini, kurva karakteristik seperti ditunjukan Gambar 4.3.

didapat dengan melakukan sampling data setiap 15 menit, kemudian disajikan

dalam daya rata-rata selama satu jam. Daya luaran rata-rata maksimum panel surya

terjadi antara jam 12.00 sampai 13.00. Data pengukuran daya maksimum yang

dibangkitkan panel surya memiliki nilai maksimum sebesar 0,864 dari rating

maksimum panel surya yang terpasang. Pengukuran daya luaran panel surya

dilakukan setelah converter, sehingga nilai yang didapat sudah dikalikan dengan

effisiensi boost converter dan rating panel surya.

Gambar 4.4. Diagram Blok Sistem Secara Keseluruhan.

0200400600800

10001200

P (

WA

TT)

PERIODE

Daya Luaran PV

| 34

4.1.2. Metode

4.1.2.1.Desain Boost Converter

Gambar 4.5. Rangkaian Pengganti Boost Converter

𝑉𝑃𝑉 = 𝐿 𝑑𝑖

𝑑𝑡

(10)

𝐿. ΔI = 𝑉𝑝𝑣𝑡𝑜𝑛

(11)

𝑉𝑝𝑣 + L∆𝐼

𝑡𝑜𝑓𝑓= 𝑉𝑑𝑐 𝑏𝑢𝑠

(12)

Apabila persamaan 11 disubsitusikan dengan persamaan 12 maka akan menjadi:

𝑉𝑝𝑣 = − 𝑉𝑝𝑣 𝑡𝑜𝑛

𝑡𝑜𝑓𝑓 + 𝑉𝑑𝑐 𝑏𝑢𝑠)

(13)

𝑉𝑑𝑐 𝑏𝑢𝑠 = 𝑉𝑝𝑣 ( 1 + 𝑡𝑜𝑛

𝑡𝑜𝑓𝑓 ) (14)

| 35

Apabila ton adalah Duty Cycle (D) dikalikan periode (T) dan toff adalah (1-D)*T,

maka akan menjadi persamaan 15

.

𝑉𝑑𝑐 𝑏𝑢𝑠 = 𝑉𝑝𝑣 1

1−𝐷 )

(15)

4.1.2.2. Desain Bidirectional Converter

Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.4, baterai akan terhubung dengan sistem

melalui bidirectional converter. Rangkaian bidirectional converter ditunjukkan

pada Gambar 6.

Gambar 4.6. Rangkaian Bidirectional Converter

Mode discharging baterai, Converter akan beroperasi sebagai boost converter

dengan memberikan D tertentu pada saklar semikonduktor 1 (S1) dan membuat

Saklar semikonduktor 2 (S2) tidak bekerja (off) sehingga memiliki fungsi yang

sama seperti dioda. Mode discharging bidirectional converter ditunjukan pada

Gambar 4.7. Aliran arus pada mode ini adalah dari VBatt menuju VDc Bus.

| 36

Gambar 4.7. Mode Discharging Bidirectional Converter

4.1.2.3. MPPT dan Control DC Bus

1. Metode MPPT

Metode MPPT akan dilakukan pada dua kemungkinan keadaan.

Kemungkinan yang pertama yaitu saat Pload lebih dari PGen. Pada keadaan

ini Pload akan disuplai dari PGen ditambah PBaterai. Keadaan berikutnya adalah

saat PGen lebih dari PLoad sehingga kelebihan daya akan ditransfer ke baterai

dengan syarat besarnya ICharging kurang dari IChargingmax.

2. Metode Control DC Bus

Metode konrtol DC Bus dijalankan agar sistem tidak membangkitkan 100%

dari potensi energi yang dimiliki. Hal ini dilakukan untuk menstabilkan

tegangan, dengan tetap mempertimbangkan kesehatan dari baterai.

| 37

Gambar 4.7. Flowchart Metode Control Strategi

| 38

Start

Run

If Vdc > 325

Charging Baterai

If Vdc < 290

Discharging Baterai

Iref = Ich

Iref = Idch

Yes

No

Yes

No

No

Return

Gambar 8. Flowchart Uncontrol

Start

Run

If Vdc > 325

Charging Baterai

If Vdc < 290

Discharging Baterai

Yes

No

Yes

No

No

Iref=P_load + P -gen/Vout

Iref=P_load – P -gen/Vout

Return

Gambar 9. Flowchart PI

| 39

Start

Run

If Vdc > 325

Charging Baterai

If Vdc < 290

Discharging Baterai

Yes

No

Yes

No

No

Iref=Iref+step

Iref=Iref-Step

Return

Gambar 10. Flowchart PI Modifikasi

4.1.3. Hasil dan Pembahasan

4.1.3.1. Panel Surya (Photovoltaic)

Modul panel surya yang digunakan pada penelitian ini ditunjukan oleh

Tabel 1. Modul terdiri dari 72 Cell PV dengan daya maksimum 1260 W

pada radiasi 600 W/m2 pada Vmpp 52,49 V dan Impp 24,01 A. Modul yang

digunakan pada penelitian ini menggunakan solar module (physical mode).

Kecepatan angin 12 m/s.

Tabel 4.1. Parameter Modul PV

Short Circuit Current (ISC) 25,44 A

Open Circuit Voltage (Voc) 66 V

Voltage at maximum power point

(Vmpp)

52,49 V

Current at maximum power point

(Impp)

24,01 A

Maximum Power (Pmax) 1260,16 W

Series Resistance (Rs) 0,006988 Ω

| 40

Parallel Resistance (Rp) 415,405 Ω

Ideality Factor 1,3

Temperature Reference 25 °C

Jumlah Cell 72

4.1.3.2. Boost Converter

Boost converter akan didesain mendekati daya maksimum PV sebesar 1250

W. Dengan mengatur frekuensi switching pada nilai 50kHz dan tegangan

referensi pada nilai 311 V, maka menggunakan persamaan 15 duty cycle

berkisar pada nilai 0,83 sehingga t on adalah 16,6x10-6. Apabila

menginginkan nilai ∆I sebesar 0,1 A, mengacu pada persamaan 13 nilai L

minimal adalah 8,72 mH. Dengan tidak adanya suatu induktor murni, maka

pemilihan nilai L yang terlalu besar akan mengakibatkan losses yang cukup

besar.

4.1.3.3. Bidirectional Converter

Bidirectional converter memiliki 2 mode operasi dan 1 mode perintah

memutuskan aliran daya, yaitu mode charging, mode discharging, dan

mode off. Algoritma dari ketiga mode tersebut ditunjukan oleh Gambar

4.11. Pola switching dari S1 dan S2 ditunjukan oleh Gambar 4.12. Mode

Charging ataupun discharging sama-sama menggunakan control arus yakni

menggunakan arus sebagai feedback dan referensi.

| 41

Gambar 4.11 Algoritma Control Bidirectional Converter

(a)(a) (b)

(c)

Gambar 4.12. Pola Switching S1 dan S2 pada 2 Mode Bidirectional

| 42

4.1.3.4. Baterai

Penelitian ini menggunakan baterai dengan karakteristik seperti yang

ditunjukan pada Tabel 4.2. Baterai memiliki tegangan maksimum pengisian

100,5685 V, Sehingga Baterai akan berhenti charging saat tegangan 100 V.

Tabel 4.2 Parameter Baterai

Parameter Baterai

Nominal Voltage 86.4 V

Rated Capacity 128 Ah

SOC % 70%

No of Series 1

No of Parallel 4

Fully Charged

Voltage

100,5685

V

Cut Off Voltage 64,8 V

4.1.3.5. MPPT dan Control DC Bus

Skema MPPT P & O pada penelitian ini ditunjukan oleh Gambar 4.13.

Gambar 4.13 MPPT dengan P & O

| 43

MPPT dan Control DC Bus akan bekerja secara bergantian.

Algoritma untuk menentukan kondisi dimana mode MPPT atau mode

kontrol DC Bus yang akan bekerja ditunjukan oleh Gambar 14. Apabila

baterai sudah mencapai fully charged, maka bidirectional akan off sehingga

mode boost converter akan beralih ke control DC Bus untuk tetap dapat

mempertahankan tegangan DC Bus bernilai 314 V. Pada mode Control DC

Bus PGen yang awalnya dalam kondisi maksimum akan dipaksa turun sama

dengan daya beban sehingga tegangan DC Bus akan terjaga pada nilai

toleransi yang diijinkan.

Icharge/dis

DC_Charge/Dis

(a) Unkontrol

(b) PI

(c) PI Modifikasi

Gambar 14. Pemodelan Teknik Control DC Bus

| 44

Gambar di atas merupakan kategori pemodelan yang dilakukan guna

mendapatkan hasil daya dan tegangan yang optimum. Dari ketiga pemodelan di atas

di dapatkan hasil yang optimum menggunakan pemodelan PI dengan modifikasi.

Gambar 15 menampilkan hasil dari keadaan simulasi

P_Baterai P_Beban P_PV_ACT P_TurbinAngin

P_Baterai P_Beban P_PV_ACT P_TurbinAngin

P_Baterai P_Beban P_PV_ACT P_TurbinAngin

Gambar 15. Keadaan Simulasi

Pada Gambar 15. mensimulasikan kedalam 2 kondisi, kondisi pertama yakni saat

Pload 442.8 kurang dari Pgen yakni 1071.7 sehingga baterai kondisi charging.

Kemudian saat t=1s kondisi berubah menjadi Pload 1616 lebih besar dari Pgen

| 45

sehingga baterai discharging. Kondisi ini menunjukkan keseimbangan daya beban

dan daya pembangkitan pada ketiga model kontrol.Terdapat perbedaan pada

tegangan AC yang dihasilkan dari masing-masing control seperti ditunjukkan pada

Gambar 16.

V_Beban

V_Beban

(a) Unkontrol

(b) PI

(c) PI Modifikasi

Waktu (s)

Waktu (s)

Waktu (s)

V_BebanV_Beban

Gambar 16. Tegangan Keluaran Awal

| 46

V_Beban

V_Beban

Waktu (s)

(a) Unkontrol

(c) PI Modifikasi

Waktu (s)

(b) PI

Waktu (s)

Waktu (s)

V_Beban

Waktu (s)

V_Beban

V_Beban

V_Beban

Waktu (s)

V_Beban

Gambar 17. Tegangan Saat Kondisi Peralihan

| 47

Gambar 17. Menunjukkan kondisi setelah t=1s beban diperbesar melebihi

kapasitas pembangkitan, saat itu terjadi perubahan pola dari baterai menjadi

discharging. Pada beberapa cycle berikutnya Vmaks akan berosilasi seperti

gambar 18.

V_Beban

Waktu (s)

Waktu (s)

Waktu (s)

(a) Unkontrol

(b) PI

(c) PI Modifikasi

Waktu (s)

V_Beban

Waktu (s)V_Beban

V_Beban

V_Beban

Waktu (s)V_Beban

Gambar 18. Saat Beban Melebihi Kapasitas Pembangkitan

| 48

Berdasarkan pada Gambar 18. Sistem tanpa kontrol osilasi terendah dari

Vmaks berada pada nilai 283,0 V. Nilai tersebut di bawah batas yang diizinkan

Kondisi PI osilasi terendah dari Vmaks berada pada nilai 288,9 V. Nilai tersebut

masih dalam batas yang diizinkan. Kondisi PI modifikasi osilasi terendah dari

Vmaks berada pada nilai 290,9 V. Nilai tersebut masih dalam batas yang diizinkan.

V_Beban

V_Beban

(c) PI Modifikasi

Waktu (s)

(b) PI

V_Beban

Waktu (s)

Waktu (s)

Waktu (s)

(a) Unkontrol

V_Beban

V_Beban

Waktu (s)

| 49

Gambar 19. Tegangan Saat Kondisi Steady State

Gambar 19 menunjukkan kondisi steady state dimana pada sistem tanpa

kontrol ada beberapa cycle memang nilai tegangan berada di atas toleransi yang

dizininkan, tetapi pada beberapa cycle yang lain tegangan kembali turun

sehingga Tegangan RMS total pada saat discharge berada sedikit di bawah batas

toleransi. Vmaks tertinggi tercatat pada nilai 287,5 V. Sistem PI pada saat t =

1,26 s Tegangan kembali stabil, dengan Vmaks berada pada nilai 291,5 V

sedangkan pada kontrol PI modifikasi saat t = 1.2 s tegangan kembali stabil

dengan Vmaks berada pada nilai 297,5 Volt.

| 50

BAB 5.

KESIMPULAN (SEMENTARA)

Hasil dari penelitian menunjukkan power balance antara daya sistem pada

panel surya-turbin angin dan baterai. Balance antara baterai dan beban sangat

penting untuk menjaga agar tegangan beban sesuai dengan standar PLN yakni

berada pada nilai toleransi +5% dan -10%

| 51

| 52

DAFTAR PUSTAKA

[1] L. Xu, X. Ruan, C. Mao, B. Zhang, and Y. Luo, “An improved optimal sizing

method for the wind-solar-battery hybrid power system,” IEEE Trans.

Sustain. Energy, vol. 4, no. 3, pp. 774–785, 2013.

[2] S. Ananda, N. Lakshminarasamma, V. Radhakrishna, M. S. Srinivasan, P.

Satyanarayana, and M. Sankaran, “Generic Lithium-ion battery model for

energy balance estimation in spacecraft,” Proc. 2018 IEEE Int. Conf. Power

Electron. Drives Energy Syst. PEDES 2018, pp. 1–5, 2018.

[3] K. C. Bae, S. C. Choi, J. H. Kim, C. Y. Won, and Y. C. Jung, “LiFePO4

dynamic battery modeling for battery simulator,” Proc. IEEE Int. Conf. Ind.

Technol., pp. 354–358, 2014.

[4] Y. M. Mendi, “Flexible energy-saving solution: An assessment of energy

storage systems for photovoltaics & benefits to the grid-connected systems,”

EEEIC 2016 - Int. Conf. Environ. Electr. Eng., 2016.

[5] A. H. Ranjbar, A. Banaei, A. Khoobroo, and B. Fahimi, “Online estimation

of the state of charge in li-ion batteries using impulse response concept,”

IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3, no. 1, pp. 360–367, 2012.

[6] C. F. Abe, J. B. Dias, P. Poggi, and B. Pillot, “Combining Identification and

Translation Methods of the Single-Diode Model to Compute the Average

Temperature of Photovoltaic Modules from the Open-Circuit Voltage,”

IEEE J. Photovoltaics, vol. 9, no. 5, pp. 1398–1404, 2019.

[7] F. Ding, P. Li, B. Huang, F. Gao, C. Ding, and C. Wang, “Modeling and

simulation of grid-connected hybrid photovoltaic/battery distributed

generation system,” 2010 China Int. Conf. Electr. Distrib. CICED 2010, pp.

1–10, 2010.

[8] S. Almazrouei and A. Hamid, “Energy Management for Large-Scale Grid

Connected PV-Batteries System,” 2017 Int. Renew. Sustain. Energy Conf.,

pp. 1–5.

| 53

[9] D. T. Cotfas, P. A. Cotfas, C. Samoa, and D. Ursutiu, “Energy balance for

different positions of photovoltaic panels,” pp. 12–15, 2012.

[10] K. Plachta, “Autonomous tracking controller for photovoltaic systems using

global positioning system,” 2018 IEEE Int. Conf. Environ. Electr. Eng. 2018

IEEE Ind. Commer. Power Syst. Eur. (EEEIC / I&CPS Eur., pp. 1–5, 2018.

[11] Ahmed, T., Nishida, K. Dan Nakaoka, M., 2006, “Advanced Control of

PWM Converter with Variable Speed Induction Generator”, IEEE Industry

Application, Vol. 42, No. 4, hal 934 – 945.

[12] Senjyu, 2008, Sensor-less maximum power point tracking control for wind

generation system with squirrel cage induction generator, Elseiver renewable

energy, Vol.3, 1-6

[13] Tanrioven M, Alam MS., 2006, Reliability modeling and analysis of stand-

alone PEM fuel cell power plant, Renewable Energy, 31:915-33.

[14] D. Manolakos, G. Papadakis, D. Papantonis, S. Kyritsis, 2001, A simulation-

optimisation programme for designing hybrid energy systems for supplying

electricity and fresh water through desalination to remote areas, Energy 26,

679-704

[15] Phillipe Venne Jr, Eng, M.Sc., Amadou Doudou Diop, Ph.D., Jean-Francois

Methot P.Eng., Ph.D., 2005, New approach for regulating the voltage of an

off-grid wind turbine equipped with a self excited induction generator

without storage, International Conference Wind Energy and Remote

Regions, Magdalen Island.

[16] Sorin Ioan Deaconu, Gabriel Nicolae Popa, Iosif Popa, 2007, Induction

generator with rotor winding and static frequncy converter for micro

hydroelectric power plants or wind power station with variable speed, 6th

International Conference on Electromechanical and Power Systems,

Chisinau, Rep. Moldova.

[17] C.A. Nwosu, G.C. Asomba, C.U. Ogbuka, 2008, Comunity-based

independent power plant; a case for renewable energy resources, The pasific

| 54

journal of science and technology, Vol. 4, Number 2.

[18] Hugo Morais, Peter Kadar, Pedro Faria, Zita A. Vale, H.M. Khodr, 2010,

Optimal scheduling of a renewable micro grid in an isolated load area using

mixed-integer linier programing, Renewable Energy, 35 151-156

[19] Holmes, D. G., Lipo T. A., 2003, Pulse Width Modulation for Power

Converter, John Wiley & Son, Ltd., West Sussex.

[20] Soedibyo, Heri Suryoatmojo, Imam Robandi and Moch. Ashari, 2012,

Optimal Design of Fuel-cell, Wind and Micro-hydro Hybrid System using

Genetic Algorithm, Jurnal TELKOMNIKA, Vol. 10, No. 4.

[21] S.K. Jain, P. Agrawal and H.O. Gupta, 2002, Fuzzy logic controlled shunt

active power filter for power quality improvement, IEE Proceeding, vol 149,

No.5

[22] S.K. Khadem, M. Basu and M.F. Conlon, 2010, Power Quality in Grid

Connected Renewable Energy System: Role of Custom Power Device,

International Conference on Renewable Energies and Power Quality

[23] Carrasco, Bialasiewicz, Guisado, León, 2006, Power-Electronic Systems for

the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey, IEEE

Transactions On Industrial Electronics, Vol. 53, No. 4

[24] Singh, Khadkikar, Chandra, Varma, 2011, Grid Interconnection of

Renewable Energy Sources at the Distribution Level With Power-Quality

Improvement Features Ieee Transactions On Power Delivery, Vol. 26, No. 1

[25] Liang, 2016, Emerging Power Quality Challenges Due to Integration of

Renewable Energy Sources, IEEE Transactions on Industry Applications

[26] Mohod, Aware, 2010, A STATCOM-Control Scheme for Grid Connected

Wind Energy System for Power Quality Improvement, IEEE Systems

Journal, Vol. 4, No. 3

[27] M. Boutoubat, Mokrani, Machmoum, 2013, Control of a wind energy

conversion system equipped by a DFIG for active power generation and

| 55

power quality improvement, Elsevier

| 25