Pengaturan Output Generator Induksi dengan Static Synchronous Compensator (STATCOM) pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin

(1)

67 Universitas Sumatera Utara

(2)

68 68 68 Universitas Sumatera Utara

(3)

69 69 69 Universitas Sumatera Utara

(4)

70 70 70 Universitas Sumatera Utara

(5)

71 71 71 Universitas Sumatera Utara

(6)

72 72 72 Universitas Sumatera Utara

(7)

73 73 73 Universitas Sumatera Utara

(8)

74 74 74 Universitas Sumatera Utara

(9)

75 75 75 Universitas Sumatera Utara

(10)

76 76 76 Universitas Sumatera Utara

(11)

77 Transfromasi Clarke dan Park

Transformasi Clark

a b

α β

Gambar 4.42Vektor α dan β

Transformasi Clark digunakan untuk mentransformasikan

arus stator dari system tiga fasa (a,b,c) ke sistem dua fasa orthogonal

(α,β). Ruang vektor dapat dipresentasikan dalam dua sumbu tegak lurus (α,β), dengan asumsi bahwa sumbu a dan sumbu α mempunyai arah vector yang sama seperti terlihat pada Gambar 2.15.Maka secara

matematis transformasi Clarke dapat dirumuskan sbb:

Rumus untuk arus pada motor induksi 3 fasa dalam bentuk dua phasa

atau α dan β.

= ( cos 0 − cos 60 − cos 60) = − − …….(2.17)

= ( cos 90 + cos 30 − cos 30) = √ − √ …….(2.18)

Lalu kita menambahkan arus nol

= ( + + )………(2.19)

Sehingga dalam bentuk matriks menjadi

(12)

78 =

⎣ ⎢ ⎢

⎡ 1 − −

0 √ −√

⎦ ⎥ ⎥ ⎤

= ……….(2.20)

Invers dari adalah

= ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 0 − _√ − − _√ _⎦⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ………..(2.21)

Lalu kita mengalikan invers matriks dengan matriks dasarnya

= ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 0 − _√ − − _√ _⎦⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢

⎡ 1 − −

0 √ −√

⎦ ⎥ ⎥ ⎤

= 1 0 00 1 0

0 0 1 …………(2.22)

Sehingga dengan mengalikan persamaan (2.20) dengan (2.21) kita mendapatkan

nilai =

= 1 − −

0 √ −√ ……….…(2.23) Maka rumus

= − − = − ( + ) ………(2.24)

= √ − √ ……….(2.25) Dalam sistem yang setimbang jumlah dari arus 3 fasa adalah 0

+ + = 0………...(2.26)

+ = − ……….(2.27)

Dengan menstubtitusikan persamaan (2.26) dan (2.27) kita mendapatkan

(13)

= − ( + = − {− } = = ………..(2.28)

= √ { − } = _√ { − }……….…..(2.29) Maka untuk persamaan rumus tegangan dan

= ……….. ………(2.30) = _√ ……….………..….(2.31)

Transformasi Park

Ɵ c

Gambar 4.43 Transformasi Park dalam bidang vektor

Transformasi park digunakan untuk mentrasnformasikan bentuk

orthogonal (α,β) kedalam bentuk bidang putar atau sistem dua fasa (d,q). Besar sudut antara d dan q adalah 90°. Hal tersebut dapat kita

lihat pada gambar 2.16. Transformasi park dapat dirumuskan sebagai

berikut :

Untuk rumus arus transformasi park

i = i cos θ + i sin θ ………….………..(2.32) i = −i sin θ + i cos θ ……….(2.33)

(14)

80 Jika posisi vector α dan d sama maka θ = 0maka persamaan (2.32) dan (2.33) menjadi

i = i ………..………(2.34)

i =_√ ………..….(2.35)

Nilai tegangan d dan q adalah

= ………(2.36) =_√ ………..………(2.37)

(15)

65 DAFTAR PUSTAKA

1. Trapp, J.G. Farret, F.A. Fernandes, F.T. Correa, L.C, “Variable Speed Wind Turbine Using Squirrel Cage Induction Generator with Reduced Converter Power Rating for Stand Alone Energy System”, IEEE/IAS International Conference On, 2012, 10th

2. Hammons, T.J. 2009. Renewable Energy. In-tech: India

3. Chapman, J.Stephen. 2005. Electric Machinery Fundamentals. Fourth

Edition, McGraw-Hill: New York

4. Rashid, H.Muhammad. 2001. Power Electronics Handbook. Academic Press: London

5. Ned Mohan, Tore.M.Uneland, William.P.Robbins. 2003. Power Electronic

Converters, Application and Design. John Wiley and Sons, Inc: USA

6. Hart,W.Daniel. 2011. Power Electronic. McGraw-Hill: NewYork

7. Z. Chen, Joseph.M.Guerreo, F. Blaabjerg, “A Review of the State of the Art of Power Electronic of the Wind Turbines”, IEEE Transactions On Power Electronics, vol 24, no. 8, August 2009

8. Watthana Suebkinom dan Bunlung Neammanee, “An Implementation of Field Oriented Controlled SCIG of Variable Speed Wind Turbine”, 4244-8756-1/11/$26.00, IEEE, 2011

9. Yue Zhao, Libao Shi, Liangzhong Yao, “Real Time Simulation on Wind Power System Dynamic Incorporating STATCOM”, 978-1-4799-2522-3/13/$31, IEEE, 2013

10. Sonam Singh, A.N Tiwari, “Voltage and Frequency Controller for Self Excited Induction Generator in Micro Hydro Power Plant: Review”, IJARECE, vol 2, Issue 2, 2013

11. Pradeep Kumar, Niranjan Kumar, A.K.Akella, “Dinamyc Performance of STATCOM on the Induction Generator based Wind Farm”, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Jamshedpur, Jharkhand 8831014, India

12. Yazdani Amirnaser, Iravani Reza. 2010. Voltage Sourced Converters in

Power Systems Modelling, Control, and applications. John Wiley and Sons,

Inc: USA

(16)

66 13. Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar Dasar Mesin Listrik. Djambatan: Jakarta 14. Sun, Tao. 2004. Power Quality of Grid-Connected Wind Turbine with DFIG

and Their Interaction with the Grid. Aalborg. Aalborg Universitet: Denmark

15. Niraj Danidhariya, Kaumil B Shah, “Control Strategy on Doubly Fed Induction Generator Using PSIM”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering

16. Lingling Fan, Subbaraya Yuvarajam, “Modelling and Control of A Doubly Fed Induction Wind Turbine Generator” , North Dakota State University, Fargo, ND 58105

(17)

BAB III

METODE PENELITIAN

III.1 Tempat dan Waktu

Penelitian akan dilaksanakan di laboratorium konversi energi Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. Penelitian akan dilaksanakan setelah seminar proposal telah disetujui. Lama penelitian direncanakan dua bulan.

III.2 Data dan Peralatan

Data yang diperlukan dalam penelitian ini adalah data kecepatan angin. Peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini ialah program komputer untuk simulasi yakni software PSIM 9.0

III.3 Pelaksanaan Penelitian

Pelaksanaan penelitian ini dilakukan dengan memodelkan sistem pembangkit listrik tenaga angin yang terhubung ke grid dengan sistem kontrolnya. Kemudian dilakukan pengambilan data kecepatan angin beberapa daerah terkhusus di Sumatera Utara terlebih dahulu. Data kecepatan angin kemudian dimasukkan ke sistem yang dimodelkan untuk dianalisis pengaruhnya. Untuk merubah kecepatan generator, pada PSIM dapat dilakukan penggantian jumlah pasang kutub generator induksi untuk mendapatkan perubahan putaran yang signifikan

III.4 Variabel Yang Diamati

Variabel-variabel yang diamati dalam penelitian ini ialah:

• Tegangan dan frekuensi generator induksi

• Daya Aktif generator induksi

• Daya Reaktif generator induksi

• Kecepatan putar generator

(18)

III.5 Prosedur Penelitian

Prosedur penelitian dilakukan dengan melakukan tahapan-tahapan berikut:

1. Memodelkan Sistem pembangkitan listrik tenaga angin yang terhubung ke grid

2. Memodelkan sistem kontrol untuk generator induksi yang terhubung ke grid

3. Simulasi sistem dengan memasukkan kecepatan angin dan melihat hasil output keluaran generator, kemudian merubah kecepatan angin dan melihat hasil output keluaran generator

4. Untuk mendapatkan perubahan kecepatan generator induksi yang

signifikan, melakukan perubahan jumlah pasang kutub generator induksi pada data parameter generator induksi

5. Melakukan analisis terhadap hasil yang didapatkan dari simulasi diatas 6. Bila hasil masih jauh dari yang diharapkan, periksa kembali sistem

pembangkitan dan sistem kontrol

(19)

Diagram alir berikut menunjukkan alur prosedur penelitian:

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

= + +

= 1

√3( + + )

= −

(27)

= −

(28)

= −

(29)

(30)

(31)

Berikut ini da dan juga kece dapat dilihat - P dan Q (daya

Gambar 4.2 Grafik out daya gen

- V dan f (tegan

(b)

daya aktif dan reaktif yang dihasilkan, tegangan d cepatan putar generator, untuk gambar yang l at pada lampiran:

daya aktif dan reaktif)

k output daya generator dan kotak dialog pengukur enerator

gangan dan frekuensi)

(a)

(b)

gan dan frekuensi g lebih jelas

gukuran output

(b)

(32)

(33)

37 • Simulasi juml

Gambar 4.6 Kotak di - P dan Q yang di

Gambar 4.7 Grafik out daya gen

umlah kutub n = 6

ak dialog parameter mesin induksi dengan jumla

ng dihasilkan

k output daya generator dan kotak dialog pengukur enerator pada suatu titik plot waktu

umlah kutub n = 6

gukuran output

(34)

(35)

(36)

- P dan Q yang di

Gambar 4.12 Grafik out pada sua

- Tegangan yan

ng dihasilkan:

ik output daya generator dan pengukuran output suatu titik plot waktu

ang dihasilkan:

(a)

(b)

(c)

put daya generator

(37)

(38)

42 • Simulasi jum

Gambar 4.16 Kota - P dan Q yang di

Gambar 4.17 Grafik out daya pa

umlah kutub n = 12

otak dialog parameter generator induksi jumlah kut

ng dihasilkan

ik output daya generator dan kotak dialog pengukur pada suatu titik plot waktu

lah kutub n = 12

ngukuran output

(39)

(40)

(41)

- P dan Q yang di

Gambar 4.22 Grafik out suatu ti - Tegangan dan f

Gambar 4.23 Grafik t penguku

ng dihasilkan

ik output daya generator dan pengukuran output u titik plot waktu

an frekuensi yang dihasilkan

(a)

(b)

(c)

ik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa ukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot w

put daya pada

n 1 phasa, (c) grafik ot waktu

(42)

(43)

IV.2 Simulasi Perubah Pada simulasi ini, kut dilakukan perubahan dengan beberapa kece kecepatan angin. Dat BMKG wilayah I daer

• Kecepatan an Data ini sama 12 m/s, pada si

• Kecepatan

Gambar 4.26 Grafik out generat

- Tegangan dan f

ubahan Kecepatan Angin

kutub mesin induksi pada kondisi n = 6 pole an jumlah kutub namun pembangkitan tena kecepatan angin yang berbeda sesuai data yang

ata kecepatan angin berdasarkan pada data ka daerah tuntungan dan sekitarnya.

angin 12 m/s (pada September 2013 dan Feb ma dengan data pada jumlah kutub n = 6 pada ke da simulasi dan tabel sebelumnya

atan angin 10 m/s

ik output generator dan kotak dialog pengukura rator pada suatu titik plot

an frekuensi yang dihasilkan

(a)

pole dan tidak lagi enaga angin diuji g dipilih dari data kantor pengamat

Februari 2015) da kecepatan angin

ukuran otuput

(44)

(45)

Gambar 4.29 K

• Simulasi kece

Gambar 4.30 Grafik out suatu titi

- Tegangan dan f

4.29 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output

ecepatan angin = 16 m/s

ik output daya dan kotak dialog pengukuran out u titik plot waktu

an frekuensi yang dihasilkan

put generator

n output daya pada

(46)

(47)

Gambar 4.33 K

• Simulasi kece

Gambar 4.34 Grafik out daya pada

- Tegangan dan f

4.33 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output ecepatan angin = 20 m/s

fik output daya generator dan kotak dialog peng pada suatu titik plot waktu

an frekuensi yang dihasilkan

put generator

ngukuran output

(48)

(49)

Gambar 4.37 K

• Simulasi kece

Gambar 4.38 Grafik out daya ge

- Tegangan dan f

4.37 Kotak dialog pengukuran nilai rata rata output ecepatan angin 4 m/s

ik output daya generator dan kotak dialog pengukur generator pada suatu titik plot

an frekuensi generator

put generator

ngukuran output

(50)

(51)

(52)

BAB V

HASIL DAN PEMBAHASAN

V.1 Sampel Hasil Simulasi Perubahan Jumlah Kutub Tabel 5.1 Sampel data hasil simulasi perubahan jumlah kutub

Jumlah Kutub (n) Daya Aktif /P (kW) Daya Reaktif/Q (kVar) Tegangan 1 (Volt) Putaran Generator (Nr)

n = 4 1,07 -3,68 285,89 1.848 rpm

n = 6 6,14 -2,85 285,68 1.329 rpm

n = 8 5,68 -2,89 284,72 1.013 rpm

n = 12 2,86 -3,75 287,45 635 rpm

n = 2 -1,69 -4,15 287,45 2.369 rpm

V.2 Analisis Hasil Simulasi Perubahan Jumlah Kutub V.2.1 Analisis Frekuensi

• Frekuensi Rotor

Frekuensi rotor dihitung berdasarkan pada kecepatan putaran rotor berdasarkan persamaan 2.4 :

= ₁₂₀.

- p = 4, = 1848

= 1848 4_{120 = 61,6}

- p = 6, = 1329

=1329 6_{120 = 66,45}

- p = 8, = 1012

=1012 8_{120 = 67,46}

(53)

- p = 12, = 635

=635 12_{120 = 63,5}

- p = 2, = 2369

=2369 2_{120 = 39,4}

• Frekuensi Stat Grafik frekuensi sebuah sumber denga sebuah sumber dengan t

Gambar 5.1 Banyaknya gelom gelombang. Pada gam rentang 0,2s-0,4s, 0,4s yang terbentuk berjum induksi adalah sama de

• Dari hasil pe dihasilkan oleh frekuensi rotor

• Pada jumlah kut yang berarti k menyebabkan

635

=635 12_{120 = 63,5}

2369

=2369 2_{120 = 39,4}

tator

nsi rotor yang terbentuk dibandingkan dengan gan tegangan 220 Volt, 50 Hz. Berikut ini gam gan tegangan 220 Volt, 50 Hz:

ar 5.1 Grafik tegangan sebuah sumber 220 V, 50 H gelombang yang terbentuk untuk setiap selang w

ambar simulasi tegangan jumlah kutub n = 2, 0,4s-0,6s, 0,6s-0,8s (kondisi steady state) gelom berjumlah 10. Dengan demikian frekuensi out

a dengan frekuensi sistem grid.

perhitungan diatas dapat dilihat bahwa oleh generator (frekuensi stator) stabil pada besa otor yang berubah-ubah

h kutub p = 2, frekuensi rotor lebih kecil dari ti kecepatan medan putar stator lebih besar bkan generator berubah menjadi motor

57 =635 12_{120 = 63,5}

=2369 2_{120 = 39,4}

ngan grafik frekuensi gambar dari grafik

, 50 Hz

ng waktu adalah 10 2, 4, 6, 8, 12 pada lombang tegangan output generator

frekuensi yang besaran 50 Hz pada

ri frekuensi stator r dari rotor yang

(54)

V.2.2 Analisis Tegangan

Berdasarkan simulasi, tegangan yang terbentuk pada setiap perubahan kutub mengalami perubahan yang kecil. Tegangan yang dihasilkan diambil dari data kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output tegangan pada setiap simulasi. Berdasarkan simulasi, nilai tegangan yang dihasilkan untuk tegangan 1 phasa ialah berada pada kisaran 285 - 286,55 Volt. Untuk tegangan tiga phasa cukup dengan mengalikan dengan √3 karena tegangan tiga phasa yang terbentuk ialah tegangan 3 phasa seimbang. Apabila dibandingkan dengan tegangan referensi atau tegangan grid, maka error tegangan yang timbul ialah:

= − ( 100% )

= 4, = 285,89 − 220₂₂₀ 100% = 29,95% = 6, = 285,68 − 220₂₂₀ 100% = 29,85% = 8, = 284,72 − 220₂₂₀ 100% = 29,45% = 12, =287,45 − 220₂₂₀ 100% = 30,65%

= 2, = 287,45 − 220₂₂₀ 100% = 30,65%

Dari hasil error, dapat dilihat bahwa pada setiap perubahan kutub perubahan error tegangan hanya sedikit saja berkisar 1% - 1,5%. Hal ini menunjukkan bahwa STATCOM berusaha mempertahankan tegangan keluaran generator pada besaran yang tetap dengan referensinya adalah tegangan grid.

Error tegangan yang timbul diakibatkan oleh harmonisa tegangan yang mengakibatkan penghitungan nilai rataan tidak akurat. Berikut ini gambar harmonisa yang terbentuk apabila diamati melalui osiloskop dari PSIM:

(55)

(56)

dikatakan bahwa kecepatan putar 12 m/s untuk generator jumlah kutub n = 2, belum mampu mensupai daya.

Dari grafik daya aktif dan reaktif, dapat kita lihat bahwa pada jumlah kutub 4, 6, 8, 12, 2 pada rentang waktu 0 sekon sampai 0,2 sekon dan 0,2 sekon sampai 0,4 sekon memiliki fluktuatif yang besar. Ketika sudah diatas 0,4 sekon, daya yang dihasilkan sudah normal, terlihat dari grafik yang mulai merata. Adapun fluktuatif grafik daya disebabkan oleh pengaturan tegangan dan frekuensi keluaran generator agar berada pada nilai yang tetap yang sesuai dengan tegangan dan frekuensi grid yakni 220 V untuk tegangan dan 50 Hz untuk frekuensi yang dilakukan oleh STATCOM. STATCOM mengatur daya aktif dan reaktif agar tegangan dan frekuensi yang dihasilkan tetap konstan sesuai dengan sistem grid.

V.3 Sampel Hasil Simulasi Perubahan Kecepatan Angin

Pada simulasi perubahan kecepatan angin, jumlah kutub mesin tidak diubah-ubah lagi. Pada analisis ini dipilih jumlah kutub n = 6. Untuk kecepatan angin, diambil beberapa sampel kecepatan angin dari data kecepatan angin

Tabel 5.2 Sampel data hasil simulasi perubahan kecepatan angin

Kecepatan Angin (m/s) Daya Aktif /P (kW) Daya Reaktif/Q (kVar) Tegangan 1 (Volt) Putaran Generator (Nr)

10 2,47 -3,02 286,55 740 rpm

12 6,14 -2,85 285,68 1.329 rpm

16 16,65 -3,06 286,23 1.084 rpm

20 31,03 -4,07 286,23 1.160 rpm

4 -2,75 -1,38 286,23 648,6 rpm

V.3.1 Analisis Frekuensi

• Frekuensi rotor

= ₁₂₀.

- = 10 = 740

= 740 6_{120 = 37}

(57)

- = 12 = 1329

=1329 6_{120 = 66,45}

- = 16 = 1084

=1084 6_{120 = 54,2}

- = 20 = 1160

=1160 6_{120 = 58}

- = 4 = 684,6

=684,6 6_{120 = 34,23}

• Frekuensi stator

Untuk pembahasan frekuensi stator adalah sama dengan pembahasan pada analisis frekuensi stator pada simulasi perubahan kutub. Hal ini diakibatkan gelombang tegangan yang terbentuk adalah sama. Maka dapat dikatakan bahwa frekuensi stator juga bernilai 50 Hz.

V.3.2 Analisis Tegangan

Berdasarkan simulasi, tegangan yang terbentuk pada setiap perubahan kecepatan angin mengalami perubahan yang kecil. Tegangan yang dihasilkan diambil dari data kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output tegangan pada setiap simulasi. Berdasarkan simulasi, nilai tegangan yang dihasilkan untuk tegangan 1 phasa ialah berada pada kisaran 285,5 - 286,55 Volt. Untuk tegangan tiga phasa cukup dengan mengalikan dengan √3 karena tegangan tiga phasa yang terbentuk ialah tegangan 3 phasa seimbang. Apabila dibandingkan dengan tegangan referensi atau tegangan grid, maka error tegangan yang timbul ialah:

= − ( 100% )

(58)

62 = 10 / , =286,55 − 220₂₂₀ 100% = 30,25%

= 12 / , =285,68 − 220₂₂₀ 100% = 29,85% = 16 / , =286,23 − 220₂₂₀ 100% = 30,10% = 20 / , =286,23 − 220₂₂₀ 100% = 30,65% = 4 / , =286,23 − 220₂₂₀ 100% = 30,65%

V.3.3 Analisis Daya Aktif dan Daya Reaktif

Pada kecepatan angin 10m/s, 12m/s, 16m/s, 20m/s generator mensuplai daya aktif bernilai positif dan daya reaktif bernilai negatif yang berarti generator mensuplai daya aktif dan reaktif. Daya aktif paling besar yang disuplai yakni saat kecepatan angin 20 m/s yakni 20 kW. Semakin tinggi kecepatan angin, semakin besar daya yang dihasilkan Pada kondisi sebelum steady state dibawah 0,1 sekon, dapat dilihat bahwa ada kondisi dimana daya aktif bernilai negatif dan daya reaktif bernilai positif. Hal ini merupakan suatu kondisi dimana generator pada starting menyerap daya dari grid atau dengan kata lain dijalankan sebagai motor induksi. Pada kecepatan angin 4 m/s terlihat bahwa daya aktif yang dihasilkan bernilai minus/ dibawa nol pada rentang waktu steady state. Kecepatan putar rotor yakni 648,6 rpm. Hal ini menunjukkan bahwa generator harus diputar lebih cepat untuk dapat menghasilkan daya bukan sebaliknya mengkonsumsi daya dari grid.

Dari grafik daya aktif dan reaktif, dapat kita lihat bahwa pada kecepatan angin 10 m/s, 12 m/s, 16 m/s, pada rentang waktu 0 sekon sampai 0,4 sekon, grafik tidak merata, berfluktuatif besar. Untuk kecepatan angin 20 m/s pada

(59)

rentang waktu 0 sekon sampai 0,2 sekon, grafik tidak merata dan berfluktuatif besar. Setelah diatas 0,4 sekon, grafik daya aktif dan reaktif mulai merata. Adapun fluktuatif grafik daya disebabkan oleh pengaturan tegangan dan frekuensi keluaran generator agar berada pada nilai yang tetap yang sesuai dengan tegangan dan frekuensi grid yakni 220 V, 50 Hz yang dilakukan oleh STATCOM. STATCOM mengatur daya aktif dan reaktif agar tegangan dan frekuensi yang dihasilkan tetap konstan sesuai dengan sistem grid

V.4 Analisis Kinerja STATCOM Terhadap Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Berdasarkan simulasi perubahan jumlah kutub dan perubahan kecepatan angin, respon STATCOM terhadap perubahan kecepatan prime mover (rotor speed) adalah sudah baik. Hal ini dapat dilihat dari grafik tegangan dan grafik daya. Berdasarkan grafik tegangan, dapat dianalisis bahwa ketika terjadi perubahan kecepatan prime mover (rotor speed), tegangan masih tetap pada besaran konstan (285 Volt) dan frekuensi 50 Hz. Dari grafik daya, dapat dilihat bahwa ketika terjadi perubahan kecepatan putar generator (rotor speed), timbul fluktuasi daya, namun setelah 0,4 sekon grafik daya mulai merata pada suatu nilai. Dengan demikian untuk setiap perubahan kecepatan putar prime mover, STATCOM merespon dengan mengatur daya aktif dan reaktif yang masuk ke rotor agar tegangan dan frekuensi keluaran dari generator stabil pada nilai yang sesuai dengan sistem grid (220V, 50 Hz). Namun pada simulasi ini, masih terdapat error tegangan yang besar, dapat dilihat dari analisis tegangan.

(60)

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

VI.1 KESIMPULAN

• Dari penelitian diperoleh bahwa pada perubahan kecepatan prime mover (kecepatan angin), tegangan dan frekuensi dijaga konstan yakni 285 V, 50 Hz

• Dari penelitian diperoleh bahwa STATCOM melakukan pengaturan terhadap daya aktif dan daya reaktif generator induksi pada rotor untuk menjaga tegangan dan frekuensi output generator konstan dan untuk daya aktif dan reaktif yang dihasilkan, diatur oleh STATCOM sampai pada nilai yang tetap (konstan)

• STATCOM sesuai digunakan pada pembangkitan tenaga angin terlihat dari respon STATCOM terhadap perubahan kecepatan angin dengan melakukan pengaturan pada rotor generator induksi untuk disesuaikan dengan kecepatan angin untuk menghasilkan tegangan danfrekuensi yang tetap

VI.2 SARAN

• Pada penelitian ini, gelombang yang dihasilkan memiliki harmonisa yang besar. Kedepannya penelitian dapat dilanjutkan untuk mengurangi harmonisa

• Penelitian dapat dilanjutkan dengan menggunakan mesin yang berbeda dan sistem kontol yang berbeda.

• Penelitian dapat dilanjutkan dengan menambahkan pengaturan pitch control tubin angin

(61)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Pembangkit Listrik Tenaga Angin memberikan banyak keuntungan seperti bersahabat dengan lingkungan (tidak menghasilkan emisi gas), tersedia dalam banyak variasi rating (mulai dari kW sampai MW), mudah untuk dihubungkan ke grid yang ada, lahan turbinnya dapat digunakan untuk fungsi yang lain (seperti areal sawah, ladang, rumah tempat tinggal), tidak membutuhkan bahan bakar [2].

Sistem dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin yang mengkonversi tenaga angin menjadi tenaga mekanik yang kemudian energi mekanik dikonversi menjadi energi listrik dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.1 Sistem dasar pembangkit listrik tenaga angin

Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox[2]. Daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin angin adalah [2]:

= 1₂ (, ) … … … . (2.1)

= … … … . . (2.2)

Dimana adalah kerapatan udara, adalah luas area pemutar turbin, adalah kecepatan angin dan (_{,β) adalah koefisien efisiensi turbin angin yang}

(62)

5 



(, )

)

(63)

)

  

(64)

7 Turbin angin horizontal lebih banyak digunakan pada sistem pembangkit. Desain dari turbin ini banyak dan tersedia dalam banyak rating (Mulai dari 50 kW sampai 1,8 MW).

II.1.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap (Fix Speed Wind Turbine/ FSWT) Pada kasus turbin angin kecepatan tetap, kecepatan turbin angin ditetapkan pada suatu besaran yang tetap (fix) melalui frekuensi dari grid. Generator yang terhubung ke grid hanya mengijinkan error kecepatan yang kecil dari nilai nominal. Kecepatan sangat berpengaruh ke fluktuasi kecepatan angin[4]. Turbin angin dikopel melalui sebuah gearbox ke generator induksi. Turbin angin ini berputar relatif pada kecepatan rendah. Gearbox digunakan untuk meningkatkan kecepatan rotor mesin agar sesuai dengan kecepatan sinkron mesin. Pada turbin angin kecepatan tetap, generator induksi dihubungkan langsung ke grid. Frekuensi dari generator tergantung pada frekuensi grid. Sebuah generator induksi memerlukan daya reaktif sehingga sistem turbin angin dengan kecepatan tetap dilengkapi dengan kapasitor kompensasi shunt. Gambar berikut menunjukkan pembangkitan turbin angin kecepatan tetap [12]:

Gambar 2.5 Skematik diagram pembangkit tenaga angin kecepatan tetap Pembangkitan tenaga angin kecepatan tetap secara struktur mudah dan sederhana. Akan tetapi, agar kecepatan rotor konstan, fluktuasi kecepatan angin dan daya turbin langsung ditransfer ke mesin induksi dan menghasilkan output daya dan tegangan yang fluktuatif. Hal ini merupakan subyek dari mesin dan drive trainnya untuk mengatasi tekanan mekanik dan listrik yang berlebihan. Apalagi jika grid tidak memadai seperti pada instalasi sistem tenaga angin jarak jauh, fluktuasi akan menyebabkan perubahan tegangan. Sebuah kekurangan yang juga

Gear Box Generator Induksi G R I D Bank Kapasitor

(65)

8 terlihat dari sistem tenaga angin kecepatan tetap adalah kemampuan menangkap energi yang relatif sedikit dan faktor kapasitas yang rendah

II.1.4 Turbin Angin Kecepatan Berubah (Variable Speed Wind Turbine/ VSWT)

Turbin angin kecepatan berubah tidak langsung dihubungkan ke grid. Perangkat Elektronika Daya digunakan sebagai penghubung (interface) antara turbin dan grid. Output pembangkit tenaga angin dapat berupa tegangan dan frekuensi yang berubah-ubah (Variable Voltage Variable Frequency) yang tidak sesuai dengan sistem grid. Operasi kecepatan berubah ubah (variable speed) menghasilkan peningkatan penangkapan energi dengan mempertahankan rasio kecepatan sudu terhadap kecepatan angin mendekati nilai optimum[4]. Berikut ini jenis-jenis pembangkitan tenaga angin variable speed dengan menggunakan mesin yang berbeda [12]:

(a) (b) (c) Gear Box Generator Induksi rotor sangkar G R I D AC/DC/AC Power Converter Gear Box Generator Induksi rotor belitan G R I D AC/DC/AC Power Converter Gear Box Permanent magnet synchronous motor G R I D AC/DC/AC Power Converter

(66)

9 Gambar 2.6 Skematik diagram pembangkit tenaga angin variable speed dengan (a) generator induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c) permanent magnet synchronous motor

Pada gambar 2.6 a frekuensi mesin dan kecepatan rotor diatur oleh sistem power electronic converter yang juga memampukan aliran daya aktif dari mesin variable frequency ke grid constant frequency. Pada gambar 2.6 b power electronic converter mengatur frekuensi dan eksitasi dari rangkaian rotor mesin. Stator mesin langsung dihubungkan ke grid sehingga frekuensi sinkron langsung dipengaruhi frekuensi grid. Akan tetapi kecepatan rotor dapat divariasikan tergantung pengaturan dari frekuensi rotor. Pada gambar 2.6 c, prinsip kerjanya sama dengan gambar 2.6 a, sistem power elektronic converter mengatur frekuensi rangkaian eksitasi stator untuk mengijinkan variable speed rotor. Perbedaan gambar 2.6 a dan c ialah pada gambar 2.6 c gearbox dapat dieliminasi jika digunakan mesin sinkron kecepatan rendah. Mesin sinkron dapat berupa tipe pengontrolan medan atau tipe magnet permanent.

• Perbedaan Pembangkitan tenaga angin kecepatan tetap dan kecepatan berubah

Perbedaan diantara constant speed dan variable speed pembangkitan tenaga angin dapat dijelaskan melalui (_{). Pada kecepatan tetap (constant speed), tidak ada} kontrol  _ketika _{tidak dapat divariasikan. Akibatnya}  _{merupakan fungsi} kecepatan angin dan (_{) tidak dapat diatur sampai nilai maksimum. Hasilnya,} turbin tidak optimal menghasilkan daya (nonoptimum) pada rentang kecepatan angin yang bervariasi. Akan tetapi jika diatur pada proporsinya terhadap kecepatan angin ,  _{dapat dijaga konstan sampai menuju} _{optimum untuk} memaksimalkan . Maka pada setiap kecepatan angin berbeda, daya turbin diasumsikan pada nilai maksimum akibat nilai yang dimaksimalkan.

(67)

10 II.2 Generator Induksi

Generator induksi merupakan alat untuk mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik dalam bentuk ggl (gaya gerak listrik) yang menerapkan prinsip motor induksi (induksi elektromagnet). Besarnya ggl yang dihasilkan diberikan dalam persamaan:

= . . ∅ … … … (2.3)

Dimana merupakan ggl yang dihasilkan, merupakan konstanta, merupakan kecepatan putar generator, ∅ merupakan besarnya fluks magnet yang dihasilkan. Dari perumusan diatas dapat dilihat bahwa putaran generator berpengaruh terhadap ggl yang dihasilkannya.

II.2.1 Prinsip Kerja Generator Induksi

Generator induksi bekerja dengan menerapkan prinsip medan putar pada belitan stator maupun rotornya. Medan putar rotor menginduksi stator sehingga pada stator timbul ggl induksi. Timbulnya medan putar dilakukan dengan menghubungkan tegangan 3 phasa pada belitan stator. Kecepatan medan putar stator diberikan dalam persamaan berikut [13]:

=120 … … … . . (2.4)

Dimana merupakan kecepatan putar stator, adalah frekuensi jala-jala, P adalah jumlah kutub. Medan putar stator akan memotong batang konduktor rotor sehingga pada kumparan rotor (medan) timbul tegangan induksi (gaya gerak listrik) sebesar:

= 4,44. . . ∅ … … … . (2.5)

Dimana merupakan tegangan induksi pada saat rotor berputar, adalah frekuensi putaran rotor, ialah jumlah lilitan rotor, ∅ merupakan fluksi yang menginduksi rotor. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl akan menghasilkan arus. Adanya arus dalam medan magnet menimbulkan gaya pada rotor. Bila kopel (torsi) mula yang dihasilkan oleh gaya tersebut pada

(68)

11 rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Dari penjelasan diatas terlihat bahwa syarat timbulnya tegangan induksi haruslah ada perbedaan kecepatan relatif (slip) antara kecepatan medan putar stator (Ns) dan kecepatan putar rotor (Nr) [13]. Slip dapat dirumuskan sebagai berikut:

=

………(2.6)

Dimana Ns adalah kecepatan putaran stator dan Nr adalah kecepatan putaran rotor. Sebagai catatan bahwa rotor berputar pada kecepatan sinkron pada slip = 0 dan rotor pada keadaan stationary (seimbang /tetap/ belum berjalan) pada slip = 1. Semua motor dalam kecepatan normal/ bekerja dalam keadaan normal, slipnya berada pada kedua limit tersebut.

Jika rotor diputar lebih cepat dari stator (slip bernilai negatif) maka arah induksi akan berubah. Induksi akan terjadi dari rotor ke stator sehingga pada stator timbul ggl induksi. Dengan demikian mesin induksi telah berfungsi sebagai generator karena menghasilkan ggl pada statornya.

II.2.2 Karakteristik Mesin Induksi

Berdasarkan karakteristik torsi mesin induksi, motor induksi dapat difungsikan sebagai generator induksi. Berikut gambar dari karakteristik torsi mesin induksi:

Gambar 2.7 Karakteristik mesin induksi pada grafik torsi vs speed/ torsi vs slip Generator

Motor

Speed Slip

-100 0 100

2.0 0

200 -1.2 Torsi

(Nm)

(69)

12 Dari gambar diatas, sebuah motor induksi yang diputar melebihi kecepatan sinkronnya oleh prime mover eksternal, menyebabkan arah torsi induksi berbalik dan motor ini berfungsi sebagai generator. Sebagai sebuah generator, sebuah mesin induksi memiliki keterbatasan. Karena tidak memiliki rangkaian pembangkit medan (eksitasi), generator induksi tidak dapat menghasilkan daya reaktif. Pada prakteknya, generator ini membutuhkan daya reaktif dan sebuah sumber daya reaktif eksternal harus dihubungkan untuk pembangkitan medan magnet stator. Sumber daya reaktif eksternal juga harus mengontrol tegangan terminal generator. Keuntungan dari generator induksi ialah konstruksinya sederahana, ekonomis (biaya perawatan murah), rating kilowatt (rating output) tersedia dalam skala kecil dan tidak harus diputar pada kecepatan tetap [3] dan[8]. Selama kecepatan rotor lebih besar dari kecepatan stator pada system tenaga dimana mesin ini terhubung, mesin akan berfungsi sebagai generator. Hal ini menyebabkan generator induksi sesuai dan banyak dipakai pada pembangkit energy terbarukan seperti tenaga angin dan tenaga mikrohidro. Karena tidak ada pengaturan pada generator, maka power factor correction (koreksi factor daya) disediakan oleh kapasitor dan tegangan terminal generator dikontrol oleh system control eksternal. [3]

Untuk menghasilkan tegangan pada terminal generator, eksitasi harus disediakan. Oleh sebab itu generator induksi dapat bekerja pada dua sistem yakni sistem grid (PLN) dan sistem terisolasi. Pada sistem grid, generator akan mengambil daya reaktif dari grid sedangkan pada sistem terisolasi, harus ada eksitasi untuk generator seperti kapasitor bank. Sistem generator dengan kapasitor eksitasi disebut sebagai generator induksi penguatan sendiri.Berikut ini gambar dari generator induksi penguat sendiri:

Gambar 2.8 Skema generator induksi penguat sendiri (SEIG), Self Excited Induction Generator Generator Induksi L O A D Kapasitor

(70)

13 II.2.3 Generator Induksi Masukan Ganda (Double Fed Induction

Generator/DFIG)

Generator induksi masukan ganda adalah generator induksi rotor belitan dimana rangkaian rotor terhubung ke grid melalui device elektronika daya. Kemampuan untuk mensuplai/ menyerap daya ke/ dari rotor menyebabkan generator beroperasi pada kecepatan sub synchronous dan super synchronous sementara tegangan dan frekuensi pada terminal stator dijaga konstan[14]. Oleh sebab itu DFIG sering digunakan pada pembangkitan frekuensi konstan, kecepatan variabel. Berikut ini rangkaian ekivalennya:

Vs Vr/s Rs Rr/s Rm jXm Is Ir Io Er

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen generator induksi masukan ganda

Pada rangkaian ekivalen diatas Vs adalah tegangan stator [V], Vr adalah tegangan rotor [V], Er adalah emf (electric motive force) atau gaya gerak listrik (ggl) [V], Is adalah arus stator [A], Ir adalah arus rotor [A], Rs adalah tahanan stator [Ω ], Rr adalah tahanan rotor [Ω }, Xs adalah reaktansi stator [Ω ], Xs adalah reaktansi rotor [Ω ], Rm adalah rugi rugi pemagnetan [Ω ], Xm ialah reaktansi pemagnetan [Ω ], s adalah slip generator.

Dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff untuk rangkaian diatas dapat dirumuskan persamaan sebagai berikut:

= + − … … … (2.7)

= + − … … … . … . (2.8)

= −( + ). … … … . (2.9)

(71)

= + … … … (2.10)

Rangkaian ekuivalen ini, berdasarkan perhitungan tegangan dan arus, hanya dapat diaplikasikan pada analisis steady state DFIG (double fed induction generator).

• Prinsip Kerja

Untuk sebuah generator induksi rotor belitan dimana rotornya dihubung singkat, tegangan pada rotor adalah nol, hubungan antara torsi elektromagnetik dan arus rotor dapat diberikan dalam persamaan[14]:

= . ∅ . … … … (2.11)

Dimana T adalah torsi elektromagnetik [Nm], adalah koefisien torsi, ∅ fluks magnetik celah udara per phasa [Wb], arus aktif rotor. Arus aktif pada rotor dapat dihitung melalui persamaan berikut [14]:

+ ( ) . + ( )

+ ( ) … … … . (2.12)

Dimana s adalah slip generator. Berdasarkan persamaan (2.11) agar tegangan stator generator induksi dan torsi beban dijaga konstan, arus aktif pada rangkaian rotor dijaga pada nilai konstan[14]:

≈ = … … … . … (2.13)

Ketika tegangan eksternal diberikan pada rangkaian rotor, arus aktif pada rangkaian rotor menjadi[14]:

= + ′= ′… … … . (2.14)

Dimana adalah slip generator setelah tegangan ′diberikan pada rotor

(72)

15 Oleh sebab itu, adalah mungkin untuk mengontrol kecepatan generator dengan mengatur besar tegangan yang diberikan pada rotor, sementara torsi elektromagnetik dijaga tetap konstan.

Tidak seperti generator induksi rotor sangkar, dimana rotornya dihubung singkat, DFIG memiliki terminal pada rotornya. Rotor diberi masukan variabel frekuensi ( ) dan variabel tegangan tiga phasa yang dibangkitkan oleh konverter PWM. Tegangan AC pada rotor akan membangkitkan flux dengan frekuensi selama rotor belum berputar (standing still). Ketika rotor diputar oleh kecepatan

medan putar rotor dengan tegangan yang diinjeksikan pada rotor akan memiliki frekuensi + . Ketika kecepatan angin berubah, kecepatan rotor akan berubah dan untuk menghasilkan frekuensi 50 Hz, frekuensi injeksi ke rotor juga harus dirubah[16].

II.3 Static Synchronous Compensator

Static Synchronous Compensator adalah sebuah shunt controller yang digunakan untuk meregulasi tegangan dengan membangkitkan/ menyerap daya reaktif[11]. Schematic diagram dari sebuah STATCOM dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 2.10 Skematik diagram dari STATCOM

Pada sistem transmisi, STATCOM digunakan untuk meningkatkan kapasitas transmisi daya, untuk mengatur tegangan/ sudut stabilitas, atau untuk meredam mode osilasi. Pada sistem distribusi, STATCOM terutama digunakan untuk pengaturan tegangan, akan tetapi dapat juga digunakan untuk mensuplai daya aktif ke beban pada kasus blackout jika dilengkapi dengan sistem penyimpan energi seperti baterai. STATCOM dapat juga digunakan untuk penyeimbang jaringan distribusi dengan mengkompensasi beban tak seimbang. Pada tugas akhir ini,

Sistem Grid

VSC (Voltage Source Converter)

Penyimpan energi (Kapasitor)

(73)

16 STATCOM dilengkapi dengan sistem kontrol daya aktif dan reaktif untuk mengatur output generator induksi[11].

II.3.1 Prinsip Operasi Dasar STATCOM

Ketika sistem tegangan turun, STATCOM membangkitkan daya reaktif (STATCOM kapasitif). Ketika sistem tegangan naik, STATCOM menyerap daya reaktif (STATCOM induktif). Variasi dari daya reaktif dilakukan oleh VSC (Voltage Source Converter) yang terhubung ke sekunder trafo. VSC menggunakan devais elektronika daya untuk mengatur tegangan V2 dari sumber tegangan DC. Prinsip kerja STATCOM dijelaskan oleh gambar (2.11) menunjukkan transfer daya aktif dan reaktif antara sumber V1 dan sumber V2. Pada operasi kondisi steady state, tegangan V2 yang dibangkitkan VSC adalah pada fasa yang sama dengan V1 (beda fasa = 0), agar hanya daya reaktif yang mengalir (P=0). Jika V2 lebih rendah dari V1, Q mengalir dari V1 ke V2 (STATCOM menyerap daya reaktif). Sebaliknya, apabila V2 lebih tinggi dari V1, Q mengalir dari V2 ke V1 (STATCOM menghasilkan daya reaktif) [11].

Power System (V1) VSC Voltage Source Converter (V2) Induktor

Transfer P dan Q

Gambar 2.11 Skematik sistem kerja STATCOM

= sin … … … . (2.15)

= ( − cos )… … … . (2.16)

II.3.2 VSC (Voltage Source Converter)

Turbin angin kecepatan berubah (Variable Speed wind turbine) dengan konverter elektronika daya mampu mengontrol output daya aktif dan daya reaktif [7]. Konverter sumber tegangan (Voltage Source Converter) pada tugas akhir ini

(74)

17 Universitas Sumatera Utara

(75)

18 Universitas Sumatera Utara

(76)

19 II.5 Skematik Total Sistem

P ri m e M o v e r (T u rb in A n g in ) P e rh itu n g a n P (D a y a A k tid ) d a n Q (D a y a R e a k tif

Gambar 2.16 Skematik Total Sistem

(77)

20 II.6 Diagram Alir Sistem Kontrol STATCOM

Gambar 2.17 Diagram alir sistem kontrol STATCOM

(78)

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Pembangkit Listrik Tenaga Angin merupakan solusi baru pembangkit listrik alternative. Indonesia merupakan negara yang memiliki daerah pertanian yang luas yang memiliki potensi hembusan angin yang besar karena tidak ada halangan berupa pohon maupun bangunan. Selain itu Indonesia juga memiliki wilayah pantai yang banyak yang memiliki potensi angin yang besar untuk membangkitkan tenaga listrik. Untuk wilayah pedalaman yang belum terjangkau oleh jaringan listrik dan sulit dijangkau oleh jaringan listrik bahkan puluhan tahun kemudian belum dijangkau oleh jaringan listrik (daerah terisolir), tenaga angin merupakan salah satu solusi untuk menjadikan pembangkit dan jaringan tersendiri di wilayah tersebut. Pembangkit Listrik Tenaga Angin juga dapat dihubungkan ke grid (jaringan listrik PLN) untuk memasok daya aktif ke grid dan menyerap sebagian daya reaktif grid. Tenaga mikrohidro, biomassa dan energy matahari dapat juga dijadikan solusi lainnya. Sistem kelistrikan yang akan dikembangkan di daerah terisolir jaringan listrik diharapkan juga memiliki kualitas, kehandalan, ekonomis dan manajemen yang baik. Jika dilakukan dengan pembangkit listrik dengan bahan bakar, maka biaya yang diperlukan juga tidak sedikit. Di samping itu untuk bahan bakar minyak, batubara dan gas, merupakan bahan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui. Suatu saat jumlahnya akan habis. Diperlukan juga transportasi untuk mengangkut bahan bakar.

Permasalahan pada turbin angin yakni kecepatan angin yang berfluktuatif. Untuk hal ini telah dilakukan penelitian berupa pengaturan pitch angle (β) yakni pengaturan sudut bilah turbin. Melalui persamaan daya yang dihasilkan turbin, pengaturan ini dapat mengatur daya yang dihasilkan turbin melalui karakteristik koefisien energi angin (Cp). Untuk lebih memaksimalkan daya yang dibangkitkan turbin angin maka dilakukan pengaturan output generatornya.

(79)

2 Dengan pengaturan ini, nilai Cp dibuat setinggi mungkin, dan daya yang dihasilkan turbin sebesar mungkin untuk disuplai ke grid. Pengaturan output pembangkit ke grid dilakukan di generator induksi. Dengan demikian pengaturan pitch angle (β) difungsikan untuk menghasilkan nilai Cp yang sebesar-besarnya sehingga energi angin dimanfaatkan seefektif mungkin.

Pengaturan output generator induksi pada tugas akhir ini dilakukan untuk daya aktif dan daya reaktif yang dihasilkan generator induksi. Generator induksi pada pengoperasiannya, tidak dapat menghasilkan daya reaktif. Static Synchronous Compensator pada tugas akhir ini berfungsi sebagai pengatur dan penyuplai daya reaktif ke generator induksi. Melalui STATCOM, generator menngambil daya reaktif dari grid dan menyuplai daya reaktif ke grid.

Generator induksi merupakan solusi pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin karena harganya murah, biaya perawatan murah, konstruksi sederhana, tanpa eksitasi DC dan tidak harus diputar pada kecepatan tetap. Hal ini sangat cocok untuk kecepatan angin yang berfluktuatif karena generator tidak harus diputar padaa kecepatan tetap. Adanya slip pada prinsip kerja generator menyebabkan putaran di stator dapat diatur. Generator induksi yang digunakan pada penulisan tugas akhir ini ialah mesin induksi rotor belitan yang difungsikan sebagai generator induksi.

I.2 Perumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah:

1. Bagaimana pengaruh STATCOM terhadap kondisi tegangan dan frekuensi output generator induksi dalam kondisi terhubung ke grid ketika terjadi perubahan putaran (fluktuatif prime mover)

2. Bagaimana pengaruh pengaturan static synchronous compensator terhadap kondisi daya katif dan daya reaktif output generator induksi saat dihubungkan ke grid dalam kondisi perubahan putaran (fluktuatif prime mover)

3. Bagaimana pengaruh pengaturan static compensator terhadap pembangkitan listrik tenaga angin

(80)

3 I.3 Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah:

1. Mengetahui pengaruh penggunaan STATCOM terhadap tegangan dan frekuensi output yang dihasilkan generator dalam kondisi terhubung ke sistem grid dan kondisi perubahan putaran prime mover

2. Mengetahui pengaruh penggunaan STATCOM terhadap kondisi daya aktif dan daya reaktif generator induksi dalam kondisi terhubung ke grid dan kondisi perubahan putaran prime mover

3. Mengetahui apakah pengaturan static compensator sesuai untuk pembangkit listrik tenaga angin.

I.4 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dalam tugas akhir ini ialah:

1. Pengaturan output generator induksi dengan static compensator (STATCOM) dilakukan dengan software simulasi PSIM

2. Switching device untuk pengaturan dengan static compensator dilakukan dengan system Pulse Width Modulation (PWM)

3. Generator induksi yang digunakan ialah generator induksi rotor lilit

4. Pembahasan STATCOM dan sistem kontrol hanya pada alur kerjanya/ sistem kerjanya, tidak membahas lebih dalam ke perhitungannya

5. Pembangkit Listrik Tenaga Angin pada tugas akhir ini merupakan Pembangkit Listrik Tenaga Angin yang terhubung ke sistem Grid

6. Pembahasan harmonisa hanya sampai tahap bentuk sinyal gelombang yang dihasilkan.

I.5 Manfaat

Dari penulisan tugas akhir ini, diharapkan dapat diketahui suatu cara untuk mengkonversi energi angin menjadi energi listrik secara simulasi dan metode untuk memfungsikan mesin induksi sebagai generator induksi secara simulasi. Hasil penelitian diharapkan menjadi pertimbangan dalam perencanaan pembangunan pembangkit listrik tenaga angin.

(81)

ABSTRAK

Energi angin merupakan energi terbarukan yang dapat digunakan untuk suplai tambahan kebutuhan energi listrik. Pada wilayah persawahan dan tepi pantai, energi angin memiliki potensi yang besar dalam memberi tambahan suplai daya kebutuhan energi listrik Pemanfaatan energi angin memiliki kendala pada kecepatan angin yang berubah-ubah yang menyebabkan frekuensi dan tegangan output pembangkitan tidak stabil. Generator induksi merupakan salah satu solusi karena tidak harus diputar pada kecepatan tetap. Pada tugas akhir ini, penulis membahas pengaturan output generator induksi dengan static synchronous compensator pada pembangkit listrik tenaga angin. Melalui pengaturan ini, akan diuji output generator induksi berupa tegangan, frekuensi, daya aktif, dan daya reaktif. Metode yang digunakan ialah dengan mengubah jumlah kutub generator induksi dan perubahan kecepatan angin. Penelitian diakukan dengan menggunakan software simulasi PSIM. Hasil yang didapat ialah, STATCOM mampu mempertahankan keluaran tegangan pada 285 Volt dan frekuensi pada 50 Hz pada kondisi perubahan kecepatan angin dan perubahan jumlah kutub generator induksi.

Kata Kunci: Static Synchronous Compensator (STATCOM)

(82)

PENGATURAN OUT SYNCHRONOUS COMPE

Diajukan untuk memenuhi

Departemen Tekni

DEPA

UNIVER

TUGAS AKHIR

UTPUT GENERATOR INDUKSI DENGAN PENSATOR (STATCOM) PADA PEMBANG

TENAGA ANGIN

nuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarj

eknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi L

Oleh:

Riswanta Sembiring NIM : 110402073

EPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

IVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2016

AN STATIC NGKIT LISTRIK

n sarjana (S1) pada

i Listrik

(83)

(84)

ABSTRAK

Kata Kunci: Static Synchronous Compensator (STATCOM)

(85)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmatNya yang diberikanNya kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Pengaturan Output Generator Induksi Dengan Static Synchronous Compensator (STATCOM) Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin”. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orangtua yang telah membesarkan penulis, saudara kandung penulis dan kepada semua yang memberi perhatian dan dukungannya hingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

Selama masa perkuliahan sampai penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis mendapat dukungan, bimbingan, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberi bantuan,bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. Terima kasih sebesar-besarnya penulis ucapkan untuk beliau

2. Ibu Syska Yana, ST, MT dan bapak Ir. Eddy Warman, MT selaku Dosen Penguji 3. Bapak Ir. Sihar. P. Panjaitan, MT selaku Dosen Wali penulis

4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro USU dan Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU

5. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

6. Para asistan Laboratorium Konversi Energi dan Laboratorium Analisis Sistem Tenaga yang telah memberi banyak masukan

7. Teman-teman stambuk 2011: Marluhut, Tiddaucy, Analbert, Frederik, Anriadi, Andri Simamora, Josua, Vero, Emir, Memory, Dedi, Riko, Josia, Guntur, Rizky, Ricky, Putra, Trendy, Ronni,Toni, Sandro, Dedi, Syahlan, Fikri, Andreas dan teman-teman lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu

8. Saudara Emir Lutvi Pahlevi dalam membantu penulis memperoleh data 9. BMKG Tuntungan atas penyediaan data yang dibutuhkan penulis

(86)

iii

10. Semua abang-kakak senior, terkhusus abang-kakak senior yang mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis

11. Ayah, ibu, serta abang, kakak dan adik penulis yang sudah memberi dukungannya 12. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis ucapkan terima

kasih

Medan, 12 Desember 2015 Penulis,

Riswanta Sembiring

(87)

Daftar Isi

Halaman

ABSTRAK………. i

KATA PENGANTAR………... ii

Daftar Isi………. iv

Daftar Gambar……… vi

Daftar Tabel……… x

I. PENDAHULUAN………... 1

I.1 Latar Belakang……….. 1

I.2 Perumusan Masalah………... 2

I.3 Tujuan………. 3

I.4 Batasan Masalah……….. 3

I.5 Manfaat……… 3

II. TINJAUAN PUSTAKA………... 4

II.1 Pembangkit Listrik TenagaAngin……… 4

II.1.1 Karakteristik Turbin Angin……… 5

II.1.2 Jenis TurbinAngin………. 6

II.1.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap (Fix Seed Wind Turbine/ FSWT…...7

II.1.4 Turbin Angin Kecepatan Berubah (Variable Seed Wind Turbine/ VSWT…...8

II.2 Generator Induksi………. 10

II.2.1 Prinsip Kerja Generator Induksi………. 10

II.2.2 Karakteristik Mesin Induksi……… 11

II.2.3 Generator Induksi Masukan Ganda (Double Fed Induction Generator/ DFIG………13

II.3 Static Synchronous Compensator (STATCOM)……… 15

II.3.1 Prinsip Operasi Dasar STATCOM………. 15

II.3.2 VSC (VoltageSource Converter)………16

II.4 Diagram Blok Sistem Kerja STATCOM……….18

II.4.1 Pengaturan Tegangan………...18

II.4.2 Pengaturan Frekuensi………18

(88)

II.5 Skematik Total Sistem………..19

II.6 Diagram Alir Sistem Kontrol STATCOM………20

III. METODEPENELITIAN……….21

III.1 Tempat dan Waktu………. 21

III.2 Bahan dan Peralatan……….21

III.3 Pelaksanaan Penelitian……….21

III.4 Variabel yang Diamati……….21

III.5 Prosedur Penelitian………..22

III.6 Pemodelan Sistem di Software PSIM………. 24

III.6.1 Pemodelan Sistem KontrolSTATCOM……… 29

III.6.2 Pemodelan Sistem Kontrol Grid……… 30

IV. SIMULASI………. 34

IV.1 Simulasi Perubahan Kutub Mesin Induksi………. 34

IV.2 Simulasi Perubahan Kecepatan Angin………47

V. HASIL DAN PEMBAHASAN………. 56

V.1 Sampel Hasil SimulasiPerubahan Kutub………... 55

V.2 Analisis Hasil Simulasi Perubahan Jumlah Kutub……… 56

V.2.1 AnalisisFrekuensi……….. 56

V.2.2Analisis Tegangan……… 58

V.1.3 Analisis Daya Aktif dan Daya Reaktif………59

V.3 Sampel Hasil Simulasi Perubahan Kecepatan Angin……… 60

V.3.1 AnalisisFrekuensi……….. 60

V.3.2 Analisis Tegangan……….. 61

V.2.3 Analisi Daya Aktif dan Daya Reaktif……… 62

V.4 Analisis Kinerja STATCOM Terhadap Pembangkit Listrik Tenaga Angin……….. 63

VI. KESIMPULAN DAN SARAN VI.1 KESIMPULAN……….. 61

VI.2SARAN……….. 61

Daftar Pustaka………62 LAMPIRAN

(89)

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Sistem dasar pembangkit listrik tenaga angin……….. 4

Gambar 2.2 kurvac hasil dari variasi kecepatan angin……… 5

Gambar 2.3 Turbin angin vertikal……… 5

Gambar 2.4 Turbin angin horizontal……… 6

Gambar 2.5 Skematik diagram pembangkit tenaga angin kecepatan tetap………. 7

Gambar 2.6 Skematik diagram pembangkit tenaga angin variable speed dengan (a) generator induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c) permanent magnet synchronous motor……….. 8

Gambar 2.7 Karakteristik mesin induksi pada grafik torsi vs speed/ torsi vs slip……….. 11

Gambar 2.8 Skema generator induksi penguat sendiri (SEIG), Self Excited Induction Generator……….... 12

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen generator induksi masukan ganda……….. 13

Gambar 2.10 Skematik diagram dari STATCOM……….…. 15

Gambar 2.11 Skematik sistem kerja STATCOM……….….. 16

Gambar 2.12 Voltage Source Converter 3 phasa……….…. 17

Gambar 2.13 Sinyal referensi sinusoidal dan sinyal carrier segitiga……….…… 18

Gambar 2.14 Blok diagram pengaturan tegangan……….……….. 18

Gambar 2.15 Blok diagram pengaturan frekuensi……….….. 18

Gambar 2.16 Skematik Total Sistem……… 19

Gambar 2.17 Diagram alir sistem kontrol STATCOM……… 20

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian……… 22

Gambar 3.2 Turbin angin pada PSIM 9.0……… 23

Gambar 3.3 Kotak dialog parameter turbin angin………... 23

Gambar 3.4 Model mesin induksi rotor belitan pada PSIM………... 24

Gambar 3.5 Kotak dialog parameter mesin induksi rotor belitan………... 25

Gambar 3.6 Model static synchronous compensator (STATCOM)………... 25

Gambar 3.7 Model Grid Side Converter……… 26

Gambar 3.8 Model sistem grid……….. 26

Gambar 3.9 Kotak dialog parameter sistem grid……… 27

Gambar 3.10 Skematik pembangkitan tenaga angin pada PSIM……….. 28

Gambar 3.11 Model sistem kontrol STATCOM……… 29

(90)

vii

Gambar 3.12 Model sistem kontrol grid………...….. 30

Gambar 3.13 Model kontrol tegangan DC………...….. 30

Gambar 3.14 Model transformasi abc-αβ………...…... 31

Gambar 3.15 Model pengontrol arus α………..………… 31

Gambar 3.16 Model pengontrol arus β……….….... 32

Gambar 4.1 Kotak dialog parameter mesin induksi dengan jumlah kutub n =4….……. 33

Gambar 4.2 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya generator………..…… 34

Gambar 4.3 (a) Grafik Tegangan 3 phasa, (b) Grafik tegangan 1 phasa, (c) Kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu……..…. 35

Gambar 4.4 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………..……. 35

Gambar 4.5 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator………..….. 35

Gambar 4.6 Kotak dialog parameter mesin induksi dengan jumlah kutub n = 6……..… 36

Gambar 4.7 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya generator pada suatu titik plot waktu………..…. 37

Gambar 4.8 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot………. 37

Gambar 4.9 (a) Grafik kecepatan putar generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………..…. 38

Gambar 4.10 Pengukuran nilai rata-rata output generator………..…. 38

Gambar 4.11 Kotak dialog parameter mesin induksi jumlah kutub n = 8…………..….. 38

Gambar 4.12 Grafik output daya generator dan pengukuran output daya generator pada suatu titik plot waktu……….… 39

Gambar 4.13 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukutan tegangan1 phasa pada suatu titik plot waktu………..… 40

Gambar 4.14 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata dari output generator………..…. 40

Gambar 4.15 Grafik kecepatan generator dan kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………..…. 40

Gambar 4.16 Kotak dialog parameter generator induksi jumlah kutub n = 12……….... 41

Gambar 4.17 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output daya pada suatu titik plot waktu………... 41

Gambar 4.18 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu………..… 42

(91)

viii

Gambar 4.19 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran

kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………... 43 Gambar 4.20 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator………. 43 Gambar 4.21 Kotak dialog parameter mesin induksi jumlah kutub n = 2……… 43 Gambar 4.22 Grafik output daya generator dan pengukuran output

daya pada suatu titik plot waktu……….. 44 Gambar 4.23 Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa,

(c) grafik pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu……... 45 Gambar 4.24 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran

kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………. 45 Gambar 4.25 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator……… 46 Gambar 4.26 Grafik output generator dan kotak dialog pengukuran output

generator pada suatu titik plot………. 47 Gambar 4.27 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak

dialog pengukuran tegangan pada suatu titik plot waktu………... 47 Gambar 4.28 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran

kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………. 48 Gambar 4.29 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator……… 48 Gambar 4.30 Grafik output daya dan kotak dialog pengukuran output daya

pada suatu titik plot waktu………. 48 Gambar 4.31 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak

dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu………. 49 Gambar 4.32 (a) Grafik kecepatan generator, (b) kotak dialog pengukuran

kecepatan generator pada suatu titik plot waktu………. 50 Gambar 4.33 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator……… 50 Gambar 4.34 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran

output daya pada suatu titik plot waktu……….. 50 Gambar 4.35 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) Kotak

dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot waktu………… 51 Gambar 4.36 (a) Grafik kecepatan putar generator, (b) kotak dialog pengukuran

kecepatan generator pada suatu titik plot waktu……….. 52 Gambar 4.37 Kotak dialog pengukuran nilai rata rata output generator………. 52 Gambar 4.38 Grafik output daya generator dan kotak dialog pengukuran output

daya generator pada suatu titik plot………. 52

(92)

Gambar 4.39 (a) Grafik tegangan 3 phasa, (b) grafik tegangan 1 phasa, (c) kotak

dialog pengukuran tegangan 1 phasa pada suatu titik plot………. 53

Gambar 4.40 (a) Grafik kecepatan putar generator, (b) kotak dialog pengukuran kecepatan generator pada suatu titik plot………... 54

Gambar 4.41 Kotak dialog pengukuran nilai rata-rata output generator……… 54

Gambar 4.42Vektor α dan β……….. 79

Gambar 4.43 Transformasi Park dalam bidang vektor……….. 80

(93)

Daftar Tabel

Tabel 5.1 Sampel data hasil simulasi perubahan jumlah kutub……….56 Tabel 5.2 Sampel data hasil simulasi perubahan kecepatan angin………60