Analisis Tes Pemutusan Jaringan dan Generator Pada Microgrid
SKRIPSI
ANALISIS TES PEMUTUSAN JARINGAN DAN GENERATOR PADA
MICROGRID
(Aplikasi Pada Interkoneksi Big Kinmen Island Dan Small Kinmen
Island – Taiwan)
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh
MOSES ODILLO ROSEVELT SINAGA
NIM : 130402103
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Pengurangan emisi gas karbon adalah tujuan utama setiap industri saat ini
yang mendorong penggunaan sumber daya terbarukan sebagai penghasil listrik di
daerah terpencil dimana jaringan listrik belum tersedia. Terdapat 14 generator, 6
solar cell dan 2 turbin angin di Pulau Kinmen Besar yang terletak di Taiwan yang
menyediakan listrik ke dua pulau tersebut. Sementara itu, Pulau Kinmen Kecil
hanya dioperasikan oleh pembangkit kecil. Penelitian ini bertujuan untuk
menganalisis kestabilan tegangan dari jaringan pulau Kinmen besar ketika terjadi
pemutusan di salah satu pembangkit dan di salah satu jaringan. Melalui simulasi
dengan MATLAB, disimpulkan bahwa sistem tenaga listrik pada pulau Kinmen
besar tidak mampu menopang beban pulau kinmen kecil sepenuhnya sehingga 6
generator diesel yang ada pada Pulau Kinmen Kecil masih sangat dibutuhkan untuk
memenuhi beban yang ada pada Pulau Kinmen Kecil. Pada percobaan pemutusan
jaringan gabungan dua pulau Kinmen ditunjukkan bahwa waktu pertama kali
terjadinya tegangan re-striking ialah 93,7 μ detik, frekuensi setelah pemutusan
sebesar ,
�, dan tegangan re-striking rata-rata sebesar 397 x 103 KV. Pada
percobaan pemutusan generator gabungan dua pulau Kinmen ditunjukkan bahwa
waktu pertama kali terjadinyan tegangan re-striking ialah 32,8 μdetik, frekuensi
setelah pemutusan sebesar ,
x 103 KV.
�, dan tegangan re-striking rata-rata sebesar 567
Kata kunci : Pemutusan jaringan; Interkoneksi; Kestabilan tegangan;
MATLAB-simulink; Generator Diesel
i
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, maka
skripsi ini telah disusun dalam rangka memnuhi kewajiban penulis sebagai salah
satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dalam penelitian ini, penulis ingin
menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Orang Tua tercinta,
Ayahanda Ir.Alex Ferdinandus Sinaga dan Ibunda Johanna Westenberg Munthe
yang telah begitu banyak memberikan pengorbanan untuk membesarkan, mendidik,
memberikan kasih saying, cinta, bimbingan dan semanggat kepada penulis. Penulis
juga mengucapkan terimakasih untuk abang, kakak, dan adik tercinta, Michael
Mario Rapdear Sinaga, S.T, Raisa Grace Marella Sinaga, S.E, dan Anastasia
Beatrice Sinaga yang selalu memberikan dorongan dan semangat pada penulis.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bimbingan dan
pengarahan dari berbagai pihak. Oleh karena itupada kesempatan kali ini penulis
ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan
Dosen Wali penulis yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya
untuk memberi bantuan,bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama
penyusunan skripsi ini. Terima kasih sebesar-besarnya penulis ucapkan
untuk beliau.
2. Bapak Muhammad Safril,S.T, M.T. dan Bapak Ir. Syamsul Amien, M.Si.
selaku Dosen Penguji
ii
Universitas Sumatera Utara
3. Bapak Dr. Ir. Fahmi, S.T., M.Sc., IPM. selaku Ketua Departemen Teknik
Elektro USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzi, M.T. selaku Sekretaris
Departemen Teknik Elektro FT USU
4. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
5. Teman-teman yang sering berkumpul di laboratorium konversi energy
listrik yang selalu memberi masukan, dan berdiskusi untuk membantu
penulis yaitu Ryan Pratama Siregar, Dona Tiara Lubis, Fachri Maulana,
Akbar Maulana Nasution, Muhammad Faisal, Aidil Bahari, Alvi Handika
Siregar, dan Muhammad Hanafi.
6. Teman-teman The Real Man penulis yang sering memberikan masukan dan
inspirasi kepada penulis yaitu Ade Rahmat Aprillian, Fajri Mardiansyah,
Fahmi Hardiono, dan Muhammad Syawal.
7. Teman-teman seperjuangan tugas akhir dengan tema energi terbarukan yang
tidak kenal lelah berdiskusi untuk saling membantu dan mengajari yaitu
Kemal Syafrizal Arun, Arifin, Taufik Alfajri Zulhelmi, dan Juliansyah
Harahap hingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik
8. Teman-teman laboratorium Sistem Tenaga yaitu Chairul Ash Shiddiq,
Jackson Lokinanta, Ribel Nainggolan, Johannes Simorangkir, Basado
Saragih, Febriant Leocesio, Kevin, Martin Manurung, Ade Juanda,
Christian Siahaan dan Bahtra Tambun,
9. Teman-teman stambuk 2013 lainnya: Astri Irtanti, Nurullah Salim, Sari
Manna Simanjuntak , Maria Sukatendel, Ingrid Juniar, Van Basti, Andrian,
iii
Universitas Sumatera Utara
Ericson, dan teman- teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satupersatu.
10. Semua abang-kakak senior, terkhusus abang-kakak senior yang mau berbagi
pengalaman dan motivasi kepada penulis
11. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis
ucapkan terima kasih
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu
diharapkan saran dan kritik yang membangun untuk skripsi ini. Penulis berharap
semoga skripsi ini dapat memberikan sumbangsih dalam pengembangan ilmu
pengetahuan yang berguna bagi fakultas, bangsa dan negara.
Medan, 14 Agustus 2017
Penulis,
Moses Odillo Rosevelt Sinaga
NIM: 130402103
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ..................................................................................................... i
KATA PENGANTAR ................................................................................. ii
DAFTAR ISI ................................................................................................ v
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ viii
DAFTAR TABEL ....................................................................................... ix
BAB I ............................................................................................................ 1
Latar Belakang .............................................................................. 1
Rumusan Masalah ......................................................................... 2
Tujuan Penelitian .......................................................................... 2
Batasan Masalah............................................................................ 3
Manfaat Penelitian ........................................................................ 3
2.
BAB II .................................................................................................. 4
Lokasi Pulau Kinmen .................................................................... 4
Photovoltaic .................................................................................. 5
Prinsip Kerja Photovoltaic ............................................................ 7
Faktor Pengoperasian Photovoltaic............................................. 10
v
Universitas Sumatera Utara
Rangkaian Ekivalen Photovoltaic ............................................... 11
Turbin Angin ............................................................................... 13
Sistem Konversi Energi Angin.................................................... 14
Karakteristik Turbin Angin ......................................................... 16
Maximum Power Point Tracking ................................................ 17
Microgrid .................................................................................... 18
Pengamanan Sistem Tenaga Listrik ............................................ 19
3.
BAB III............................................................................................... 26
Tempat dan Waktu ...................................................................... 26
Data dan Peralatan....................................................................... 26
Pelaksanaan Penelitian ................................................................ 26
Variabel yang Diamati ................................................................ 30
Prosedur Penelitian...................................................................... 30
4.
BAB IV ............................................................................................... 33
Umum.......................................................................................... 33
Model Rangkaian ........................................................................ 33
Data dan Diagram Simulasi ....................................................... 34
Pemutusan jaringan dan generator pada pulau Kinmen .............. 37
Hasil dan Simulasi ...................................................................... 38
Perhitungan Rating Circuit Breaker ............................................ 38
vi
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu (V-t) Pada Saat Sistem
Berjalan Normal .......................................................................... 39
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu (V-t) Pada Saat Sesudah
Terjadi Pemutusan ....................................................................... 40
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu (V-t) Saat Pemutusan
Jaringan Pada Gabungan Dua Pulau dan Pulau Kinmen Besar .. 41
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu(V-t) Saat Pemutusan
Generator Pada Gabungan Dua Pulau dan Pulau Kinmen Besar 44
5.
BAB V ................................................................................................ 49
Kesimpulan ................................................................................. 49
Saran ............................................................................................ 50
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 51
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Lokasi Denah Pulau Kinmen ..................................................... 4
Gambar 2.2 Hubungan antara sel surya, modul, panel, dan array ................. 6
Gambar 2.3 Kondisi Semikonduktor Masih Terpisah ................................... 8
Gambar 2.4 Kondisi pada Saat Kedua Semikonduktor Tersambung ............ 8
Gambar 2.5 Kondisi pada Saat Elektron Bersatu dengan Hole ..................... 8
Gambar 2.6 Kondisi pada Saat Timbulnya Medan Listrik Internal............... 9
Gambar 2.7 Proses terjadinya cahaya matahari menjadi listrik ..................... 9
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Photovoltaic ............................................ 11
Gambar 2.9 Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin................................. 14
Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Daya Pada Turbin Angin ...................... 16
Gambar 2.11 Kurva Karakteristik Cp .......................................................... 17
Gambar 2.12 Alur Sistem Topologi Pada Microgrid................................... 19
Gambar 2.13 Hubungan generator dalam sebuah pusat listrik .................... 21
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................................... 30
Gambar 4.1 Model Rangkaian Simulasi Sistem Tenaga Pada Pulau Kinmen
................................................................................................ 34
Gambar 4.2 Model Rangkaian Simulasi Pulau Kinmen Besar .................... 35
Gambar 4.3 Model Rangkaian Simulasi Pulau Kinmen Kecil .................... 35
Gambar 4.4 Rangkaian Generator Pada Wilayah Tarshan Dan Xia-Xin .... 36
Gambar 4.5 Letak Breaker Diantara Bus 2202 Dan Bus 2203 .................... 37
Gambar 4.6 Letak Breaker Pada Turbin Angin ........................................... 37
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Sistem Tenaga Pada Pulau Kinmen Besar .......................... 34
Tabel 4.2 Data Sistem Tenaga Pada Pulau Kinmen Kecil........................... 35
Tabel 4.3 Data generator pada wilayah Tarshan dan Xia-xin ..................... 36
ix
Universitas Sumatera Utara
ANALISIS TES PEMUTUSAN JARINGAN DAN GENERATOR PADA
MICROGRID
(Aplikasi Pada Interkoneksi Big Kinmen Island Dan Small Kinmen
Island – Taiwan)
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh
MOSES ODILLO ROSEVELT SINAGA
NIM : 130402103
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Pengurangan emisi gas karbon adalah tujuan utama setiap industri saat ini
yang mendorong penggunaan sumber daya terbarukan sebagai penghasil listrik di
daerah terpencil dimana jaringan listrik belum tersedia. Terdapat 14 generator, 6
solar cell dan 2 turbin angin di Pulau Kinmen Besar yang terletak di Taiwan yang
menyediakan listrik ke dua pulau tersebut. Sementara itu, Pulau Kinmen Kecil
hanya dioperasikan oleh pembangkit kecil. Penelitian ini bertujuan untuk
menganalisis kestabilan tegangan dari jaringan pulau Kinmen besar ketika terjadi
pemutusan di salah satu pembangkit dan di salah satu jaringan. Melalui simulasi
dengan MATLAB, disimpulkan bahwa sistem tenaga listrik pada pulau Kinmen
besar tidak mampu menopang beban pulau kinmen kecil sepenuhnya sehingga 6
generator diesel yang ada pada Pulau Kinmen Kecil masih sangat dibutuhkan untuk
memenuhi beban yang ada pada Pulau Kinmen Kecil. Pada percobaan pemutusan
jaringan gabungan dua pulau Kinmen ditunjukkan bahwa waktu pertama kali
terjadinya tegangan re-striking ialah 93,7 μ detik, frekuensi setelah pemutusan
sebesar ,
�, dan tegangan re-striking rata-rata sebesar 397 x 103 KV. Pada
percobaan pemutusan generator gabungan dua pulau Kinmen ditunjukkan bahwa
waktu pertama kali terjadinyan tegangan re-striking ialah 32,8 μdetik, frekuensi
setelah pemutusan sebesar ,
x 103 KV.
�, dan tegangan re-striking rata-rata sebesar 567
Kata kunci : Pemutusan jaringan; Interkoneksi; Kestabilan tegangan;
MATLAB-simulink; Generator Diesel
i
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, maka
skripsi ini telah disusun dalam rangka memnuhi kewajiban penulis sebagai salah
satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dalam penelitian ini, penulis ingin
menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Orang Tua tercinta,
Ayahanda Ir.Alex Ferdinandus Sinaga dan Ibunda Johanna Westenberg Munthe
yang telah begitu banyak memberikan pengorbanan untuk membesarkan, mendidik,
memberikan kasih saying, cinta, bimbingan dan semanggat kepada penulis. Penulis
juga mengucapkan terimakasih untuk abang, kakak, dan adik tercinta, Michael
Mario Rapdear Sinaga, S.T, Raisa Grace Marella Sinaga, S.E, dan Anastasia
Beatrice Sinaga yang selalu memberikan dorongan dan semangat pada penulis.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bimbingan dan
pengarahan dari berbagai pihak. Oleh karena itupada kesempatan kali ini penulis
ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan
Dosen Wali penulis yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya
untuk memberi bantuan,bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama
penyusunan skripsi ini. Terima kasih sebesar-besarnya penulis ucapkan
untuk beliau.
2. Bapak Muhammad Safril,S.T, M.T. dan Bapak Ir. Syamsul Amien, M.Si.
selaku Dosen Penguji
ii
Universitas Sumatera Utara
3. Bapak Dr. Ir. Fahmi, S.T., M.Sc., IPM. selaku Ketua Departemen Teknik
Elektro USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzi, M.T. selaku Sekretaris
Departemen Teknik Elektro FT USU
4. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
5. Teman-teman yang sering berkumpul di laboratorium konversi energy
listrik yang selalu memberi masukan, dan berdiskusi untuk membantu
penulis yaitu Ryan Pratama Siregar, Dona Tiara Lubis, Fachri Maulana,
Akbar Maulana Nasution, Muhammad Faisal, Aidil Bahari, Alvi Handika
Siregar, dan Muhammad Hanafi.
6. Teman-teman The Real Man penulis yang sering memberikan masukan dan
inspirasi kepada penulis yaitu Ade Rahmat Aprillian, Fajri Mardiansyah,
Fahmi Hardiono, dan Muhammad Syawal.
7. Teman-teman seperjuangan tugas akhir dengan tema energi terbarukan yang
tidak kenal lelah berdiskusi untuk saling membantu dan mengajari yaitu
Kemal Syafrizal Arun, Arifin, Taufik Alfajri Zulhelmi, dan Juliansyah
Harahap hingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik
8. Teman-teman laboratorium Sistem Tenaga yaitu Chairul Ash Shiddiq,
Jackson Lokinanta, Ribel Nainggolan, Johannes Simorangkir, Basado
Saragih, Febriant Leocesio, Kevin, Martin Manurung, Ade Juanda,
Christian Siahaan dan Bahtra Tambun,
9. Teman-teman stambuk 2013 lainnya: Astri Irtanti, Nurullah Salim, Sari
Manna Simanjuntak , Maria Sukatendel, Ingrid Juniar, Van Basti, Andrian,
iii
Universitas Sumatera Utara
Ericson, dan teman- teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satupersatu.
10. Semua abang-kakak senior, terkhusus abang-kakak senior yang mau berbagi
pengalaman dan motivasi kepada penulis
11. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis
ucapkan terima kasih
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu
diharapkan saran dan kritik yang membangun untuk skripsi ini. Penulis berharap
semoga skripsi ini dapat memberikan sumbangsih dalam pengembangan ilmu
pengetahuan yang berguna bagi fakultas, bangsa dan negara.
Medan, 14 Agustus 2017
Penulis,
Moses Odillo Rosevelt Sinaga
NIM: 130402103
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ..................................................................................................... i
KATA PENGANTAR ................................................................................. ii
DAFTAR ISI ................................................................................................ v
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ viii
DAFTAR TABEL ....................................................................................... ix
BAB I ............................................................................................................ 1
Latar Belakang .............................................................................. 1
Rumusan Masalah ......................................................................... 2
Tujuan Penelitian .......................................................................... 2
Batasan Masalah............................................................................ 3
Manfaat Penelitian ........................................................................ 3
2.
BAB II .................................................................................................. 4
Lokasi Pulau Kinmen .................................................................... 4
Photovoltaic .................................................................................. 5
Prinsip Kerja Photovoltaic ............................................................ 7
Faktor Pengoperasian Photovoltaic............................................. 10
v
Universitas Sumatera Utara
Rangkaian Ekivalen Photovoltaic ............................................... 11
Turbin Angin ............................................................................... 13
Sistem Konversi Energi Angin.................................................... 14
Karakteristik Turbin Angin ......................................................... 16
Maximum Power Point Tracking ................................................ 17
Microgrid .................................................................................... 18
Pengamanan Sistem Tenaga Listrik ............................................ 19
3.
BAB III............................................................................................... 26
Tempat dan Waktu ...................................................................... 26
Data dan Peralatan....................................................................... 26
Pelaksanaan Penelitian ................................................................ 26
Variabel yang Diamati ................................................................ 30
Prosedur Penelitian...................................................................... 30
4.
BAB IV ............................................................................................... 33
Umum.......................................................................................... 33
Model Rangkaian ........................................................................ 33
Data dan Diagram Simulasi ....................................................... 34
Pemutusan jaringan dan generator pada pulau Kinmen .............. 37
Hasil dan Simulasi ...................................................................... 38
Perhitungan Rating Circuit Breaker ............................................ 38
vi
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu (V-t) Pada Saat Sistem
Berjalan Normal .......................................................................... 39
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu (V-t) Pada Saat Sesudah
Terjadi Pemutusan ....................................................................... 40
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu (V-t) Saat Pemutusan
Jaringan Pada Gabungan Dua Pulau dan Pulau Kinmen Besar .. 41
Karakteristik Tegangan Terhadap Waktu(V-t) Saat Pemutusan
Generator Pada Gabungan Dua Pulau dan Pulau Kinmen Besar 44
5.
BAB V ................................................................................................ 49
Kesimpulan ................................................................................. 49
Saran ............................................................................................ 50
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 51
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Lokasi Denah Pulau Kinmen ..................................................... 4
Gambar 2.2 Hubungan antara sel surya, modul, panel, dan array ................. 6
Gambar 2.3 Kondisi Semikonduktor Masih Terpisah ................................... 8
Gambar 2.4 Kondisi pada Saat Kedua Semikonduktor Tersambung ............ 8
Gambar 2.5 Kondisi pada Saat Elektron Bersatu dengan Hole ..................... 8
Gambar 2.6 Kondisi pada Saat Timbulnya Medan Listrik Internal............... 9
Gambar 2.7 Proses terjadinya cahaya matahari menjadi listrik ..................... 9
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Photovoltaic ............................................ 11
Gambar 2.9 Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin................................. 14
Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Daya Pada Turbin Angin ...................... 16
Gambar 2.11 Kurva Karakteristik Cp .......................................................... 17
Gambar 2.12 Alur Sistem Topologi Pada Microgrid................................... 19
Gambar 2.13 Hubungan generator dalam sebuah pusat listrik .................... 21
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................................... 30
Gambar 4.1 Model Rangkaian Simulasi Sistem Tenaga Pada Pulau Kinmen
................................................................................................ 34
Gambar 4.2 Model Rangkaian Simulasi Pulau Kinmen Besar .................... 35
Gambar 4.3 Model Rangkaian Simulasi Pulau Kinmen Kecil .................... 35
Gambar 4.4 Rangkaian Generator Pada Wilayah Tarshan Dan Xia-Xin .... 36
Gambar 4.5 Letak Breaker Diantara Bus 2202 Dan Bus 2203 .................... 37
Gambar 4.6 Letak Breaker Pada Turbin Angin ........................................... 37
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Sistem Tenaga Pada Pulau Kinmen Besar .......................... 34
Tabel 4.2 Data Sistem Tenaga Pada Pulau Kinmen Kecil........................... 35
Tabel 4.3 Data generator pada wilayah Tarshan dan Xia-xin ..................... 36
ix
Universitas Sumatera Utara