rancang bangun smart grid-connected bi

EN-64 0776: Riza dkk.

RANCANG BANGUN SMART GRID-CONNECTED BI-DIRECTIONALINVERTER BERKAPASITAS 10 KW 3-FASA UNTUK ENERGI

TERBARUKAN DENGAN PENGENDALI BERBASIS GENERALPURPOSE CONTROLLER

Riza∗, Eka Rakhman Priandana, Hani Yuniarto Eko Cahyono, dan Ferdy Armansyah

Badan Pengkajian dan Penerapan TeknologiJl. MH. Thamrin 8, Jakarta Pusat 10340

Telepon (021) 3169754

∗e-Mail: [email protected]

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Makalah ini menjelaskan mengenai desain dan rancang bangun Smart Grid-connected Bidirectional Inverter (SGBI).SGBI merupakan pengintegrasian dari DC/AC-AC/DC converter (bidirectional inverter), DC/DC converter (charge controller),hybrid energy management system, Remote Terminal Unit untuk kendali genset-power factor correction-circuit breaker, smartgrid system, dan weather station data logging dengan antarmuka LCD touchscreen. SGBI ini dikontrol oleh sebuah pengen-dali berbasis General Purpose Controller (GPC KP-2010-0951) sebagai bagian dari difusi teknologi kegiatan program insentifsebelumnya. Selain GPC controller terdapat beberapa PCB modul data accuisition dan fungsi kontrol tambahan. Fungsi dasardari modul-modul penyusun SGBI telah dilakukan pengujian dan berfungsi dengan baik. Komunikasi data antar modul jugatelah diverifikasi. Diharapkan SGBI ini dapat diaplikasikan pada area terpencil yang jauh dari feeder PLN. Tujuan desainini adalah untuk memenuhi pencapaian target pembangunan nasional 2014 sesuai program SINAS: Pengembangan TeknologiSistem dan Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Surya dengan indikator keberhasilan tersedianya inverter lokal dan tersedianyasistem pembangkit tenaga matahari berkapasitas 100kW atau lebih.

Kata Kunci: desain, SGBI, GPC, micro grid

I. PENDAHULUANSmart Grid-Connected Bi-Directional Inverter (SGBI)

adalah perangkat multi sistem yang terintegrasi antaraGrid-Connected Bi-Directional Inverter 3-fasa, BatteryCharge Regulator (BCR), Multiple Genset Remote Sys-tem, Power Factor Correction And Load Sensing Net-work System, Weather Station Data Logging System,serta Real-Time Monitoring System dengan koneksi in-ternet. Disebut ”Smart” karena SGBI menggunakansebagian dari algoritma Smart Grid, yakni algoritmauntuk menilai kondisi beban pada jaringan kemudianmenyesuaikan kebutuhannya dengan suplai energi hy-brid (renewable dan fosil) secara real-time hingga terca-pai kondisi yang optimal.

Untuk merealisasikannya, SGBI membutuhkan duakomponen utama yakni General Purpose Controller(GPC) dan industrial PC. GPC merupakan salah satuhasil perekayasaan BPPT (KP-2010-0951), yakni berupamodul sistem kendali mutakhir berbasis FPGA (FieldProgrammable Gate Array) yang diimplementasikan

sebagai pengendali utama SGBI. Sedangkan industrialPC merupakan komputer standar industri dengan layarsentuh yang digunakan sebagai perangkat antarmukamanusia-mesin dan sistem pentransmisi data.

Hasil keluaran yang diharapkan dari SGBI ini adalahmampu menyuplai daya listrik ke jala-jala hingga 10kW dengan tegangan stabil di 220 Vrms, frekuensistabil di 50±0.5 Hz, efisiensi inverter >95%, danTotal Harmonic Distortion <5% pada mode StandAlone maupun Grid Connected. Selain itu, inverterjuga dapat berfungsi sebagai pengisi baterai denganmengimpor daya dari jala-jala. Kemudian BCRnyamampu mengirim energi listrik secara optimal ke bat-erai 280V/1000Ah dari enam kanal sumber energi ter-barukan dengan menggunakan algoritma MaximumPower Point Tracking (MPPT). Sistem ”Smart” SGBIdidesain untuk mampu mengendalikan maksimal de-lapan buah genset untuk bersinkronisasi dengan in-verter, mampu mengkoreksi power factor beban hingga0.99 lag dan mendeteksi kondisi beban dari delapan

Prosiding InSINas 2012

0776: Riza dkk. EN-65

jaringan berbeda melalui koneksi protokol MODBUSRS485 full-duplex. Sistem data logging Weather Stationmampu menyediakan informasi lingkungan dan cuacayang diakuisisi bersamaan dengan parameter SGBI un-tuk selanjutnya dikirim ke sistem monitoring real-timemelalui koneksi internet TCP/IP.

Rancang bangun SGBI ini diharapkan mampumemenuhi pencapaian target pembangunan nasional2014 sesuai program SINAS: Pengembangan TeknologiSistem dan Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Surya de-ngan indikator keberhasilan tersedianya inverter lokaldan tersedianya sistem pembangkit tenaga matahariberkapasitas 100kW atau lebih.

Permasalahan yang ditemui sebagai ide untukmendesain SGBI ini adalah:

1. SGBI belum pernah dibuat untuk dikomersilkansebelumnya. Jika ada, hanya berupa sistem skalamikro yang didesain untuk kebutuhan bahan studi.Untuk skala industri, desain lokal belum pernahada.

2. Jika ada produk sejenis yang telah diinstal, kesuli-tan yang ditemui adalah after sales service yangharus mendatangkan teknisi dari vendor. Sup-plier kadang harus mengganti satu modul padahalterkadang hanya disebabkan oleh kerusakan kom-ponen tertentu.

3. Produk sejenis belum ada yang mengintegrasikansistem smart grid.

II. METODOLOGIDalam rancang bangun SGBI ini kami melakukan

hal-hal sebagai berikut:

1. Studi literatur

2. Desain konseptual

3. Desain rinci

4. Prototyping dan assembling.

5. Verifikasi dan validasi

III. HASIL DAN PEMBAHASANKonsep desain perangkat keras SGBI adalah seperti

yang digambarkan pada GAMBAR 1. Bagian-bagian darihardware SGBI adalah sebagai berikut:

1. Inverter bidirectional 3-fasa.[1]

2. Battery charge regulator,[2] berfitur algoritma Max-imum Power Point Tracking.[3]

3. Sistem grid-connected.[4]

4. Trafo isolasi.

5. Battery bank.

6. Sistem proteksi: circuit breaker, anti-islanding,emergency, dan alarm.

7. Data acquisition[5] dan multi interface board.

8. Pengendali General Purpose Controller.

9. Industrial PC dengan LCD touchscreen untuk Hu-man Machine Interface (HMI).

GAMBAR 1: Konsep hardware SGBI

SGBI dirancang supaya dapat diimplementasi padamicro grid. Dimana konsep micro grid[7] yang diran-cang seperti yang ditunjukkan pada GAMBAR 2. Dalammicro grid, selain SGBI terdapat pula: Genset, Powerfactor correction, Circuit breaker. Ketiganya dikenda-likan penuh oleh SGBI melalui Remote Terminal Unit(RTU)[8] yang dihubungkan melalui jaringan komu-nikasi RS-485.[9] Protokol yang digunakan adalahMODBUS[10] yang cocok untuk peralatan industri. De-sain rinci yang telah dilakukan antara lain:

1. Desain hardware,

(a) Desain rangkaian elektronika,

(b) Desain komponen listrik,

(c) Desain mekanikal, serta

(d) Layout dan wiring.



GAMBAR 2: Konsep Micro Grid

2. Desain firmware, dan

3. Desain software.

Desain rangkaian elektronika terbagi menjadi:

1. Desain PCB Transformer. Berfungsi sebagai trans-ducer tegangan AC, frekuensi dan fasa dari jala-jala.

2. Desain PCB Multi Interface Circuit 1 (MIC1) seba-gai pengakuisisi data dari PCB Transformer dantransducer tegangan DC.

3. Desain PCB MIC2 sebagai transducer dan pen-gakuisisi data arus DC.

4. Desain PCB MIC3 sebagai transducer dan pen-gakuisisi data suhu komponen, modul dan cubicle.

5. Desain PCB MIC4 sebagai pengakuisisi data daritransducer arus AC dan power factor.

6. Desain PCB Relay sebagai driver contactor, localcircuit breaker, dan cooler fan.

7. Desain PCB Motherboard sebagai tempat GPC di-pasang untuk mengolah data dari seluruh PCBMIC.

Sinyal kendali GPC diteruskan ke bagian PCB Relay,Inverter Driver dan Chopper Driver. Sedangkan sinyalkomunikasi diteruskan ke HMI dan RTU. Lebih jelas-nya, diagram hubungan antar PCB ditunjukkan olehGAMBAR 3.

GAMBAR 3: Koneksi PCB

GAMBAR 4: SLD Wiring SGBI

Sebagai informasi, bagian yang berwarna merahdidesain sendiri dan diproses di dalam negeri, sedang-kan yang lain menggunakan barang impor, termasukGPC. GPC hasil penelitian KP-2010-0951[11] tidak da-pat digunakan karena resource-nya terbatas, sehinggaharus diganti dengan kapasitas yang sesuai untuk de-sain SGBI.

Selain PCB yang digunakan SGBI, kami juga mende-sain PCB untuk RTU genset, power factor correction,[12]



GAMBAR 5: Wiring Sistem Proteksi SGBI

dan circuit breaker. Desain komponen listrik yang diha-silkan antara lain:

1. Desain trafo isolasi 10kW 3-fasa 4 kawat.

2. Common mode choke 3-fasa.

3. Filter L-C.

Untuk mengetahui berapa nilai komponen listrikyang dibutuhkan, kami melakukan pendekatan melaluisimulasi PSPICE, MATLAB dan SIMULINK. Untuk de-sain mekanikal, kami menggunakan AUTOCAD dalammenghitung dimensi cubicle yang dibutuhkan. Un-tuk layout, wiring dan sistem proteksi SGBI, dijelaskanpada GAMBAR 4 dan GAMBAR 5.

Komponen proteksi yang digunakan antara lain:

1. Fuse

2. No fuse breaker.

3. Contactor 3-fasa.

4. Movistor.

Komponen sensor yang digunakan SGBI antara lain:

1. Trafo stepdown untuk tegangan AC danfrekuensi/fasa.

2. Rangkaian pembagi tegangan dengan impedansitinggi untuk tegangan DC.

3. Shunt untuk arus DC.

4. Transducer untuk arus AC dan power factor.

5. IC LM335Z untuk sesnsor suhu.

Untuk mengakuisisi sinyal analog, kami mengguna-kan ADC MAX1202 8-channel, 12-bit SAR 133 kSpS, SPIinterface yang kompatibel dengan GPC.

Selama mendesain kami menggunakan alat-alatukur sebagai berikut:

1. AVO meter.

2. Function Generator.

3. Oscilloscope 500 MSPS.

4. Logic Analyzer 100 MHz.

5. Power Quality Analyzer.

6. LCR meter.

7. Infrared thermometer scanner.

GPC yang digunakan untuk pengendali SGBI adalahOpal Kelly XEM6010[13] sebagai pengganti GPC hasilpenelitian KP-2010-0951 seperti yang ditunjukkan padaGAMBAR 6. Sedangkan konfigurasi hardware GPC OpalKelly XEM6010 ditunjukkan oleh GAMBAR 7.

GAMBAR 6: GPC Opal Kelly XEM6010

GAMBAR 7: Konfigurasi Hardware XEM6010

Desain firmware terdiri dari empat bagian, yakni:

1. Konfigurasi RTL GPC.

2. Firmware mikrokontroler RTU remote genset.

3. Firmware mikrokontroler RTU Power Factor Cor-rection.

4. Firmware mikrokontroler RTU Circuit Breaker.



GAMBAR 8: Konfigurasi RTL GPC SGBI

GAMBAR 9: Firmware RTU Remote Genset

Konfigurasi RTL GPC (GAMBAR 8) yang dipro-gramkan yakni berupa skematik dan program VHDLFPGA terdiri dari:

1. Microblaze core processor.[14]

2. Grid frequency reader and ADPLL.[15]

3. Memory controller.

4. Data acquisistion.

5. Bidirectional inverter and 3-phase PWM generator.

6. Safety and fault tolerant system.[16]

7. Charge Regulator, MPPT, and chopper PWM gen-erator.

8. Digital output (indicators, alarms, relays and con-tactors).

9. Digital input (emergency button, relay feedback,and switches).

10. USB2.0 Interface to HMI.

11. MODBUS Interface to RTU.

Firmware mikrokontroller RTU remote genset dide-sain seperti yang dijelaskan GAMBAR 9 dan mikrokon-troller RTU power factor correction didesain sepertiyang dijelaskan GAMBAR 10.

GAMBAR 10: Firmware RTU Remote Genset

Sedangkan firmware mikrokontroller RTU circuitbreaker didesain seperti yang dijelaskan GAMBAR 11.

GAMBAR 11: Firmware RTU Circuit Breaker

Desain software HMI SGBI berupa tampilan sepertiSCADA[17] yang dapat diakses langsung dilokasi atausecara remote melalui koneksi internet. HMI SGBI di-instal di fanless industrial PC dengan sistem operasiWindows. Adapun konsep menu HMI dijelaskan padaGAMBAR 12.

Hasil-hasil desain rinci yang telah dilakukan adalahsebagai berikut:

1. Hardware PCB

(a) PCB motherboard.

(b) PCB AC voltage transducer.

(c) PCB voltage data acquisition.

(d) PCB DC current data acquisition.

(e) PCB temperature data acquisition.

(f) PCB AC current and power factor data acqui-sition.

(g) PCB RTU remote genset.

(h) PCB RS-485 repeater.



GAMBAR 12: Software Menu HMI SGBI

2. Firmware RTL GPC (GAMBAR 13).

3. Software.

4. Elektrikal (trafo) (GAMBAR 14)

5. Mekanikal (GAMBAR 15∼GAMBAR 16).

Semua modul-modul penyusun SGBI, PCB-PCByang telah dijelaskan diatas serta komponen-komponenlainnya dirakit dalam 3 kubikel. Kubikel pertama untukpenempatan rectifier, Chopper dan kontaktor-kontaktorinput. Kubikel dua untuk penempatan inverter, modul-modul kontroller dan data acquisition dan kontaktoroutput. Sedangkan kubikel 3 untuk penempatan trafostep up dan LC Filter. Setelah di-assembly, maka hasil-nya adalah seperti yang ditunjukkan GAMBAR 15 danGAMBAR 16.

GAMBAR 13: RTL GPC

GAMBAR 14: Desain mekanikal dan penempatan trafo

IV. KESIMPULANTelah dilakukan kegiatan pengembangan Rancang

Bangun Smart Grid-Connected Bi-Directional InverterBerkapasitas 10 kW 3-fasa 220/380 V, 50 Hz. Perangkatpengendali menggunakan General Purpose ControllerOpal Kelly XEM6010 berbasis Xilinx Spartan6 LX45.



GAMBAR 15: SGBI Tampak Depan

GAMBAR 16: Bagian dalam SGBI

Fitur dasar dari sistem kontroller SGBI telah dilaku-kan pengujian, demikian juga untuk rangkaian utamaInverter dengan IGBT sebagai komponen utamanya.Modul-modul penyusun SGBI telah dilakukan pengete-san. Komunikasi data antar PCB board dan modul-modul lain juga telah dites dengan hasil baik.

SARANPada pengembangan selanjutnya diharapkan sistem

SGBI dapat diuji/diverifikasi dan diimplementasikan

pada sistem jaringan micro grid.Masih terdapat kekurangan pada komponen induk-

tif yaitu filter dan trafo. Komponen yang digunakansaat ini masih cepat panas dan losses tegangan yang re-latif tinggi.

DAFTAR PUSTAKA[1] E. Koutroulis, J. Chatzakis, K. Kalaitzakis,

N.C. Voulgaris, Bidirectional, Sinusoidal, High-Frequency Inverter DesignE University Of Crete,Greece, 2001.

[2] N. Mohan, W. P. Robbin, and T. Undeland, PowerElectronics: Converters, Applications, and De-signE 2nd ed. New York: Wiley, 1995.

[3] David Sanz Morales, Maximum Power PointTracking For Photovoltaic ApplicationsE AaltoUniversity, 2010.

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Grid connection[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Data acquisition[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Weather station[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Distributed

generation#Microgrid[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Remote Terminal

Unit[9] http://en.wikipedia.org/wiki/RS-485

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Modbus[11] Sarjono, General Purpose ControllerE Program In-

sentif KP-2010-0951, BPPT, 2010.[12] http://en.wikipedia.org/wiki/

Power factor#Active PFC[13] Opal Kelly Inc., SEM-6010 User’s ManualE 2010.[14] Xilinx, MicroBlaze Processor Reference Guide Em-

bedded Development Kit 13.4E 2012.[15] Texas Instrument, 4HC297 Digital Phase-Locked

Loop FiltersE March 1988.[16] Barry W. Johnson, The Design and Analysis of

Fault Tolerant Digital SystemsE Addison Wesley,ISBN-13: 978-0201075700

[17] http://en.wikipedia.org/wiki/ SCADA


rancang bangun smart grid-connected bi

Documents