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

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 2.1Sistem 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}







(, )

)

c

)

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 2.5Skematik 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

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

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.

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

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

Generator Motor

Speed Slip

-100 0 100

2.0 0

200 -1.2 Torsi

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

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 2.9Rangkaian 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)

= + (2.10)

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)

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 2.10Skematik 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)

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 2.11Skematik 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

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

II.6 Diagram Alir Sistem Kontrol STATCOM

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 2.10Skematik 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)

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 2.11Skematik 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].

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