Pengaturan Pembebanan PLTMH dengan Menggunakan Electronic Load Controller Berbasis Kendali Logika Fuzzy
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro merupakan pembangkit listrik
tenaga air yang menghasilkan kapasitas daya yang kecil, yaitu berkisar dibawah
100 kW. Kapasitas PLTMH juga dijelaskan dalam Peraturan Menteri Energi dan
Sumber Daya Mineral Republik Indonesia No. 2 Tahun 2012 Tentang Petunjuk
Teknis Penggunaan Dana Alokasi Khusus Bidang Listrik Pedesaan Tahun
Anggaran 2012, Pasal 1 Ayat 2 menyatakan bahwa “Pembangkit Listrik Tenaga
Mikro Hidro, selanjutnya disingkat PLTMH adalah suatu pembangkit listrik skala
kecil dengan kapasitas di bawah 1 MW yang menggunakan tenaga air sebagai
sumber energinya, seperti dari saluran irigasi, sungai, atau air terjun alam, dengan
cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air”. Ilustrasi PLTMH
dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1].
Gambar 2.1 Bagan sebuah PLTMH
4
Universitas Sumatera Utara
Tenaga air merupakan sumber tenaga listrik terpenting setelah tenaga uap
atau panas. Hampir 30% dari seluruh tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat-pusat
listrik tenaga air. Total potensi teoritis PLTMH di Indonesia adalah sekitar 493
MW dengan tingkat pemanfaatan saat ini baru mencapai sekitar 21 MW atau
hanya sekitar 4% dari potensi yang ada. Dengan demikian, masih cukup banyak
potensi yang saat ini belum dimanfaatkan, atau bahkan belum tereksplorasi
dengan baik [2].
PLTMH memerlukan dua hal pokok, yaitu debit air dan ketinggian jatuh
(head) air untuk menghasilkan tenaga untuk memutar turbin. Perhitungan energi
listrik yang dibangkitkan dapat dinyatakan secara umum sebagai Persamaan 2.1
[3]:
Dimana:
= . . . ℎ.
(2.1)
P = daya (watt)
Q = debit air (m3/s)
ρ = kepadatan air (1000 kg/ m3)
h = Jarak tinggi air (head) (m)
g = konstanta percepatan gravitasi (9,8 m/s3)
= Perkalian efisiensi turbin dan generator
Tenaga jatuh air akan menggerakkan turbin air, lalu turbin air menggerakkan
generator dan generator menghasilkan energi listrik. Proses ini merupakan proses
5
Universitas Sumatera Utara
konversi energi, menyerap energi dari bentuk ketinggian dan aliran, dan
menyalurkan tenaga dalam bentuk listrik. Energi yang digunakan tidaklah semua
dapat digunakan, karena ada energi yang hilang ketika proses konversi terjadi
Ilustrasi alur kerja PLTA secara umum dapat dilihat pada Gambar 2.2 [4].
Gambar 2.2 Alur kerja pembangkit listrik tenaga air secara umum
Berdasarkan pada Gambar 2.2, dapat dijelaskan komponen dan alur kerja
pembangkit listrik tenaga air secara umum, yaitu:
1. Air ditampung pada dam atau biasa disebut dengan bendungan.
Bendungan dilengkapi dengan pipa intake (pintu air) yang berguna
sebagai tempat mengalirnya air dari bendungan menuju turbin.
Bendungan juga perlu dilengkapi dengan dan saringan sampah untuk
mencegah masuknya kotoran atau endapan lumpur.
2. Air dari dam dialirkan oleh pipa menuju turbin air. Diameter pipa juga
sudah ditentukan agar dapat mengeluarkan debit air sesuai perhitungan.
Saluran ini dibuat dengan konstruksi beton dan berjarak sedekat mungkin
6
Universitas Sumatera Utara
ke turbin untuk menghemat panjang pipa. Pipa aliran air ini biasanya
disebut pipa pesat (penstock).
3. Air yang dialirkan menggerakkan turbin air. Aliran air akan memutar
runner dan menghasilkan energi kinetik yang akan memutar poros
turbin.
Energi kinetik tadi disalurkan menuju generator dengan cara
menyambungkan (kopel) turbin terhadap rotor generator. Rotor generator
yang nantinya akan menginduksikan listrik ke stator.
4. Energi listrik yang dihasilkan generator mengalir menuju transmission
line untuk dialirkan menuju konsumen. Biasanya, sebelum menuju
transmission line, listrik yang dihasilkan generator masuk ke trafo stepup. Trafo step-up menaikkan tegangan listrik, yang bertujuan untuk
menghindari rugi – rugi pada transmisi listrik menuju konsumen.
Pada umumnya, PLTMH dibangun dengan sistem run off river, tidak dengan
kolam tandu (reservoir) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam
yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan
tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river
lebih ekonomis dibandingkan dengan sistem reservoir yang memerlukan
bendungan yang besar dan area genangan yang luas.
Penggunaan PLTMH memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan.
Beberapa kelebihan yang didapat pada pembangunan PLTMH, yaitu sebagai
berikut:
7
Universitas Sumatera Utara
1. Ramah lingkungan, karena menggunakan energi terbarukan, yaitu air.
Setelah air digunakan untuk menggerakkan turbin, air dibuang dan
dialirkan menuju sungai kembali. Air yang dibuang tidak bersifat polutan.
2. Dapat menyediakan listrik pada desa-desa yang susah dijangkau,
khususnya pada desa-desa yang memiliki aliran sungai didekatnya.
3. Pemeliharaannya mudah dan murah.
4. Dapat menggantikan ketergantungan masyarakat terhadap energi fossil,
contohnya yang sering digunakan masyarakat adalah mesin diesel
(genset).
Namun, dari beberapa kelebihannya, terdapat beberapa kekurangan dari
PLTMH, yaitu:
1. Ada PLTMH yang dapat langsung menggunakan aliran sungai (run off
river) sebagai penggerak turbinnya, tergantung kepada debit air sungai
tersebut. Tetapi, apabila tidak mencukupi debitnya, maka haruslah
dibangun bendungan, yang mana menambah biaya pembangunan PLTMH.
2. Sumber pembangkit PLTMH adalah air. Apabila musim kemarau, maka
sumber air akan berkurang, sehingga efisiensi generator berkurang.
3. Jika jumlah pelanggan melebihi kemampuan PLTMH, maka kualitas
listrik yang dihasilkan PLTMH akan menurun, dan lagi dapat
membahayakan peralatan listrik.
8
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sistem Kendali Daya pada PLTMH
Sistem kendali daya merupakan hal yang sangat penting dalam PLTMH.
Adapun fungsi dari sistem kendali daya pada PLTMH adalah sebagai berikut [5]:
1. Agar tegangan tetap konstan pada berbagai kondisi perubahan beban.
Tegangan konstan bertujuan untuk menyelamatkan peralatan sumber
tegangan dan beban pada sisi konsumen dan juga untuk kenyamanan
pengguna
energi
listrik.
Alat
yang
biasa
digunakan
untuk
menyeimbangkan tegangan adalah AVR (Automatic Voltage Regulator).
2. Membentuk frekuensi yang konstan pada berbagai kondisi dan perubahan
beban. Frekuensi konstan digunakan untuk menyelamatkan peralatan
mekanik pada sisi pembangkit, menyelamatkan peralatan dari perubahan
gerak pada sisi konsumen, dan menyelamatkan peralatan dari overload
pada saat kecepatan rendah.
3. Menjaga agar tidak ada kecepatan lebih pada saat beban kecil untuk
menyelamatkan peralatan mekanik pada sisi pembangkit. Intinya adalah
untuk menjaga sistem elektrik dan mesin agar selalu berada pada daerah
kerja yang diperbolehkan.
Ada beberapa jenis sistem kendali daya pada PLTMH. Umumnya, sistem
kendali daya pada PLTMH dibagi 2 macam:
1. Kontrol daya yang dapat membuat frekuensi generator tetap konstan
adalah:
a. ELC (Electronic Load Controller)/DLC (Digital Load Controller) pada
generator sinkron
b. Pada generator asinkron disebut IGC (Induction Generator Controller)
9
Universitas Sumatera Utara
Pengontrolan dengan menggunakan ELC bertujuan agar besar daya
yang dibangkitkan oleh generator selalu sama dengan daya yang diserap
oleh konsumen ditambah dengan daya yang dibuang ke beban (ballast),
dengan demikian akan diperoleh frekuensi yang stabil [6].
2. Flow Kontrol (Governor, yaitu mengatur aliran air yang masuk ke dalam
turbin)
Governor didesain agar perputaran generator konstan dalam range
yang dikehendaki dengan menambah atau mengurangi debit air yang
masuk ke runner turbin untuk mempertahankan keseimbangan daya antara
masukan daya (power input) dan permintaan daya (power demand). Pada
Gambar 2.3 dapat dilihat rangkaian kerja pembangkit listrik tenaga air
dengan menggunakan governor. Kerugian dari sistem ini adalah
ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi terjadi perubahan beban
secara mendadak [6].
RESERVOIR
Turbine
Valve in
Channel
Flywheel
Generator
Open
Close
Governor
Hydraulic Connections
Gambar 2.3 Diagram kendali PLTA dengan governor
10
Universitas Sumatera Utara
2.3 Pengendalian PLTMH dengan Electronic Load Controller
Tujuan utama penggunaan Electronic Load Controller (ELC) adalah menjaga
frekuensi tetap konstan dengan cara membagi keluaran daya generator menuju
beban konsumen dan beban pengganti (dummy). Daya keluaran generator yang
digunakan oleh konsumen berupa lampu penerangan, mesin-mesin listrik,
pemanas, dan lain-lain. Aliran daya antara generator, ELC, dan beban konsumen,
dan juga skema komponen ELC dapat dilihat pada Gambar 2.5 [5].
GENERATOR
Igen
Sensor Arus
Icomp
Saklar Statis
ELC
0/1
Iload
CB
Beban
Konsumen
Isampling
Rangkaian
Kendali
Icomp
Dummy Load
Gambar 2.4 Skema komponen ELC
Secara umum komponen ELC pada PLTMH terbagi atas 3 bagian seperti
yang terlihat pada Gambar 2.4, penjelasannya sebagai berikut:
a. Sensor dan Rangkaian Kontrol
Sensor arus dan rangkaian kontrol berfungsi untuk mendeteksi
perubahan arus beban yang dihasilkan generator sebagai akibat adanya
11
Universitas Sumatera Utara
perubahan arus pada beban konsumen yang langsung dibandingkan
dengan harga referensi yang telah ditentukan. Dan rangkaian kontrol akan
memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan mengaktifkan IGBT
sesuai perubahan yang terjadi.
b. IGBT / Sakelar Elektronik
IGBT berfungsi sebagai pemutus dan penghantar arus ke beban
komplemen yang pengoperasiannya diatur oleh modul kontrol berdasarkan
perubahan yang terjadi. Penghantaran dan pemutusan arus dilakukan
dengan mengatur sudut penyalaan. Modul kontrol digunakan dengan
mendeteksi perubahan arus dan mengubahnya menjadi tegangan lalu
mengaktifkan gate IGBT dengan perubahan arus yang terjadi. Sakelar
elektronik tidak hanya dapat menggunakan IGBT, bisa juga menggunakan
SCR, ataupun thyristor.
c. Beban Tambahan (Dummy Load)
Beban tambahan digunakan sebagai tempat pengalihan daya atas
perubahan yang terjadi pada beban sebenarnya dengan tujuan untuk
menjaga agar putaran generator konstan meskipun terjadi perubahan arus
pada beban sebenarnya.
Penggunaan listrik oleh konsumen sangat bervariasi dan besarnya bisa
berubah setiap saat. Jika daya masukan turbin ke generator tidak mengalami
perubahan sedangkan daya keluaran generator yang digunakan oleh konsumen
berubah-ubah maka keseimbangan daya tidak akan tercapai. Hal ini akan
mengakibatkan adanya perubahan kecepatan generator sehingga frekuensi akan
berubah dengan sendirinya. Oleh karena itu, perlu ada penyesuaian antara beban
12
Universitas Sumatera Utara
generator dan daya masukannya dengan menempatkan beban penyeimbang di sisi
keluaran generator.
ELC dipasang di antara PLTMH dan beban konsumen seperti pada Gambar
2.4. Dengan menggunakan beban tambahan (dummy load), ELC akan membagi
arus yang dihasilkan dari PLTMH ke kedua beban yaitu beban konsumen dan
beban dummy. Dengan menggunakan ELC maka PLTMH akan tetap bekerja pada
keadaan nominal walaupun beban konsumen berubah-ubah.
Besar beban total yang dihasilkan generator dapat dilihat pada Persamaan 2.2
berikut:
Beban Konsumen + Beban dummy load = Beban Generator
Dalam
penentuan
kapasitas
daya
pada
dummy
load,
kita
(2.2)
dapat
menentukannya dengan cara mencari besar resistansi (R), yang berdasarkan pada
Persamaan 2.3:
P = I 2 .R
(2.3)
Menentukan perhitungan besarnya resistansi pada dummy load dapat
ditentukan dengan dua cara, yaitu:
1. Menghitung besar resistansi dengan menggunakan beberapa dummy load.
Menghitung resistansi dummy load dengan cara ini harus mengetahui
tingkat sensitifitas daya (Q) yang dapat diterima oleh dummy load.
Semakin banyak dummy load yang digunakan, maka tingkat sensitifitas
setiap dummy load akan semakin kecil. Jumlah resistor yang digunakan
dapat menggunakan Persamaan 2.4 [5]:
13
Universitas Sumatera Utara
n=
P
Q
(2.4)
Dan besar resistor yang digunakan dapat dihitung dengan Persamaan
4.5:
Rd =
Vdc 2
(2.5)
Q
Dimana:
P
: Besar daya yang terbangkit (W)
n
: Jumlah dummy load yang dipakai
Q
: Besar sensitifitas dummy load (W)
Rd
: Besar resistansi dummy load (Ω)
Vdc
: Besar tegangan dc pada rectifier (V)
2. Menghitung besar resistansi hanya dengan menggunakan satu dummy
load.
Menghitung besar resistansi pada dummy load dapat menggunakan
Persamaan 4.3 [7]:
Rd =
Vdc 2
(2.6)
P
Dimana:
Rd
: Besar resistansi dummy load (Ω)
Vdc
: Besar tegangan dc pada rectifier (V)
P
: Besar daya yang terbangkit (W)
Sistem pengendalian menggunakan ELC relatif murah. Pada saat beban
ringan, kelebihan energi produksi PLTMH, energi dibuang menuju dummy load
dengan cara pemanasan ataupun beban lain yang sifatnya resistif seperti pemanas
14
Universitas Sumatera Utara
air (water heater) atau pemanas udara (air heater). Besar kecilnya daya yang
disalurkan ke beban tambahan dapat dilihat dari besarnya tegangan beban
tambahan tersebut (tegangan dummy load). Semakin besar daya pada beban
tambahan, semakin besar pula tegangannya, dan sebaliknya jika tidak ada daya
pada beban tambahan maka tegangan pada beban tambahan menjadi nol.
Tegangan beban tambahan dapat dilihat pada panel kontrol [8].
2.4 Kendali Logika Fuzzy (Fuzzy Logic)
Professor Lotfi A. Zadeh merupakan pencetus sekaligus yang memasarkan
ide tentang mekaniskme pengolahan atau manajemen ketidakpastian yang
kemudian dikenal dengan logika fuzzy. Dalam penyajiannya variabel-variabel
yang akan digunakan harus cukup menggambarkan ke-fuzzy-an tetapi di lain pihak
persamaan-persamaan yang dihasilkan dari variabel-variabel itu haruslah cukup
sederhana sehingga komputasinya menjadi cukup mudah. Karena itu, Professor
Lotfi A. Zadeh kemudian memperoleh ide untuk menyajikannya dengan
menentukan “derajat keanggotaan” dari masing-masing variabelnya. Keuntungan
utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem yang
dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang
bersamaan untuk mendapat performa optimal [9].
Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah:
1.
Menentukan input,
2.
Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai,
3.
Mendesain metode konversi hasil logika fuzzy dengan hasil sinyal keluaran
yang dikenal dengan defuzzyfikasi.
15
Universitas Sumatera Utara
Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy
(untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel dan
bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada simulasi.
Pada tugas akhir ini, logika fuzzy digunakan untuk mengatur bukaan IGBT
sesuai dengan keadaan beban konsumen. Logika fuzzy digunakan karena
prosesnya mudah dengan matematika yang tidak sulit. Hanya dengan menentukan
bentuk input dan output yang kita inginkan, lalu menentukan peraturannya, maka
didapatlah hasil output yang tepat. Gambar 2.6 merupakan ilustrasi diagram alir
Turbin
Air
daya yang dihasilkan generator apabila ELC ditambahkan kendali logika fuzzy.
G
Daya Keluaran
Beban
Konsumen
Daya Masukan
Fuzzy
Controller
ELC
Beban
Tambahan
(Dummy)
Gambar 2.5 Diagram Alir ELC dengan fuzzy logic
16
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro merupakan pembangkit listrik
tenaga air yang menghasilkan kapasitas daya yang kecil, yaitu berkisar dibawah
100 kW. Kapasitas PLTMH juga dijelaskan dalam Peraturan Menteri Energi dan
Sumber Daya Mineral Republik Indonesia No. 2 Tahun 2012 Tentang Petunjuk
Teknis Penggunaan Dana Alokasi Khusus Bidang Listrik Pedesaan Tahun
Anggaran 2012, Pasal 1 Ayat 2 menyatakan bahwa “Pembangkit Listrik Tenaga
Mikro Hidro, selanjutnya disingkat PLTMH adalah suatu pembangkit listrik skala
kecil dengan kapasitas di bawah 1 MW yang menggunakan tenaga air sebagai
sumber energinya, seperti dari saluran irigasi, sungai, atau air terjun alam, dengan
cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air”. Ilustrasi PLTMH
dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1].
Gambar 2.1 Bagan sebuah PLTMH
4
Universitas Sumatera Utara
Tenaga air merupakan sumber tenaga listrik terpenting setelah tenaga uap
atau panas. Hampir 30% dari seluruh tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat-pusat
listrik tenaga air. Total potensi teoritis PLTMH di Indonesia adalah sekitar 493
MW dengan tingkat pemanfaatan saat ini baru mencapai sekitar 21 MW atau
hanya sekitar 4% dari potensi yang ada. Dengan demikian, masih cukup banyak
potensi yang saat ini belum dimanfaatkan, atau bahkan belum tereksplorasi
dengan baik [2].
PLTMH memerlukan dua hal pokok, yaitu debit air dan ketinggian jatuh
(head) air untuk menghasilkan tenaga untuk memutar turbin. Perhitungan energi
listrik yang dibangkitkan dapat dinyatakan secara umum sebagai Persamaan 2.1
[3]:
Dimana:
= . . . ℎ.
(2.1)
P = daya (watt)
Q = debit air (m3/s)
ρ = kepadatan air (1000 kg/ m3)
h = Jarak tinggi air (head) (m)
g = konstanta percepatan gravitasi (9,8 m/s3)
= Perkalian efisiensi turbin dan generator
Tenaga jatuh air akan menggerakkan turbin air, lalu turbin air menggerakkan
generator dan generator menghasilkan energi listrik. Proses ini merupakan proses
5
Universitas Sumatera Utara
konversi energi, menyerap energi dari bentuk ketinggian dan aliran, dan
menyalurkan tenaga dalam bentuk listrik. Energi yang digunakan tidaklah semua
dapat digunakan, karena ada energi yang hilang ketika proses konversi terjadi
Ilustrasi alur kerja PLTA secara umum dapat dilihat pada Gambar 2.2 [4].
Gambar 2.2 Alur kerja pembangkit listrik tenaga air secara umum
Berdasarkan pada Gambar 2.2, dapat dijelaskan komponen dan alur kerja
pembangkit listrik tenaga air secara umum, yaitu:
1. Air ditampung pada dam atau biasa disebut dengan bendungan.
Bendungan dilengkapi dengan pipa intake (pintu air) yang berguna
sebagai tempat mengalirnya air dari bendungan menuju turbin.
Bendungan juga perlu dilengkapi dengan dan saringan sampah untuk
mencegah masuknya kotoran atau endapan lumpur.
2. Air dari dam dialirkan oleh pipa menuju turbin air. Diameter pipa juga
sudah ditentukan agar dapat mengeluarkan debit air sesuai perhitungan.
Saluran ini dibuat dengan konstruksi beton dan berjarak sedekat mungkin
6
Universitas Sumatera Utara
ke turbin untuk menghemat panjang pipa. Pipa aliran air ini biasanya
disebut pipa pesat (penstock).
3. Air yang dialirkan menggerakkan turbin air. Aliran air akan memutar
runner dan menghasilkan energi kinetik yang akan memutar poros
turbin.
Energi kinetik tadi disalurkan menuju generator dengan cara
menyambungkan (kopel) turbin terhadap rotor generator. Rotor generator
yang nantinya akan menginduksikan listrik ke stator.
4. Energi listrik yang dihasilkan generator mengalir menuju transmission
line untuk dialirkan menuju konsumen. Biasanya, sebelum menuju
transmission line, listrik yang dihasilkan generator masuk ke trafo stepup. Trafo step-up menaikkan tegangan listrik, yang bertujuan untuk
menghindari rugi – rugi pada transmisi listrik menuju konsumen.
Pada umumnya, PLTMH dibangun dengan sistem run off river, tidak dengan
kolam tandu (reservoir) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam
yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan
tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river
lebih ekonomis dibandingkan dengan sistem reservoir yang memerlukan
bendungan yang besar dan area genangan yang luas.
Penggunaan PLTMH memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan.
Beberapa kelebihan yang didapat pada pembangunan PLTMH, yaitu sebagai
berikut:
7
Universitas Sumatera Utara
1. Ramah lingkungan, karena menggunakan energi terbarukan, yaitu air.
Setelah air digunakan untuk menggerakkan turbin, air dibuang dan
dialirkan menuju sungai kembali. Air yang dibuang tidak bersifat polutan.
2. Dapat menyediakan listrik pada desa-desa yang susah dijangkau,
khususnya pada desa-desa yang memiliki aliran sungai didekatnya.
3. Pemeliharaannya mudah dan murah.
4. Dapat menggantikan ketergantungan masyarakat terhadap energi fossil,
contohnya yang sering digunakan masyarakat adalah mesin diesel
(genset).
Namun, dari beberapa kelebihannya, terdapat beberapa kekurangan dari
PLTMH, yaitu:
1. Ada PLTMH yang dapat langsung menggunakan aliran sungai (run off
river) sebagai penggerak turbinnya, tergantung kepada debit air sungai
tersebut. Tetapi, apabila tidak mencukupi debitnya, maka haruslah
dibangun bendungan, yang mana menambah biaya pembangunan PLTMH.
2. Sumber pembangkit PLTMH adalah air. Apabila musim kemarau, maka
sumber air akan berkurang, sehingga efisiensi generator berkurang.
3. Jika jumlah pelanggan melebihi kemampuan PLTMH, maka kualitas
listrik yang dihasilkan PLTMH akan menurun, dan lagi dapat
membahayakan peralatan listrik.
8
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sistem Kendali Daya pada PLTMH
Sistem kendali daya merupakan hal yang sangat penting dalam PLTMH.
Adapun fungsi dari sistem kendali daya pada PLTMH adalah sebagai berikut [5]:
1. Agar tegangan tetap konstan pada berbagai kondisi perubahan beban.
Tegangan konstan bertujuan untuk menyelamatkan peralatan sumber
tegangan dan beban pada sisi konsumen dan juga untuk kenyamanan
pengguna
energi
listrik.
Alat
yang
biasa
digunakan
untuk
menyeimbangkan tegangan adalah AVR (Automatic Voltage Regulator).
2. Membentuk frekuensi yang konstan pada berbagai kondisi dan perubahan
beban. Frekuensi konstan digunakan untuk menyelamatkan peralatan
mekanik pada sisi pembangkit, menyelamatkan peralatan dari perubahan
gerak pada sisi konsumen, dan menyelamatkan peralatan dari overload
pada saat kecepatan rendah.
3. Menjaga agar tidak ada kecepatan lebih pada saat beban kecil untuk
menyelamatkan peralatan mekanik pada sisi pembangkit. Intinya adalah
untuk menjaga sistem elektrik dan mesin agar selalu berada pada daerah
kerja yang diperbolehkan.
Ada beberapa jenis sistem kendali daya pada PLTMH. Umumnya, sistem
kendali daya pada PLTMH dibagi 2 macam:
1. Kontrol daya yang dapat membuat frekuensi generator tetap konstan
adalah:
a. ELC (Electronic Load Controller)/DLC (Digital Load Controller) pada
generator sinkron
b. Pada generator asinkron disebut IGC (Induction Generator Controller)
9
Universitas Sumatera Utara
Pengontrolan dengan menggunakan ELC bertujuan agar besar daya
yang dibangkitkan oleh generator selalu sama dengan daya yang diserap
oleh konsumen ditambah dengan daya yang dibuang ke beban (ballast),
dengan demikian akan diperoleh frekuensi yang stabil [6].
2. Flow Kontrol (Governor, yaitu mengatur aliran air yang masuk ke dalam
turbin)
Governor didesain agar perputaran generator konstan dalam range
yang dikehendaki dengan menambah atau mengurangi debit air yang
masuk ke runner turbin untuk mempertahankan keseimbangan daya antara
masukan daya (power input) dan permintaan daya (power demand). Pada
Gambar 2.3 dapat dilihat rangkaian kerja pembangkit listrik tenaga air
dengan menggunakan governor. Kerugian dari sistem ini adalah
ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi terjadi perubahan beban
secara mendadak [6].
RESERVOIR
Turbine
Valve in
Channel
Flywheel
Generator
Open
Close
Governor
Hydraulic Connections
Gambar 2.3 Diagram kendali PLTA dengan governor
10
Universitas Sumatera Utara
2.3 Pengendalian PLTMH dengan Electronic Load Controller
Tujuan utama penggunaan Electronic Load Controller (ELC) adalah menjaga
frekuensi tetap konstan dengan cara membagi keluaran daya generator menuju
beban konsumen dan beban pengganti (dummy). Daya keluaran generator yang
digunakan oleh konsumen berupa lampu penerangan, mesin-mesin listrik,
pemanas, dan lain-lain. Aliran daya antara generator, ELC, dan beban konsumen,
dan juga skema komponen ELC dapat dilihat pada Gambar 2.5 [5].
GENERATOR
Igen
Sensor Arus
Icomp
Saklar Statis
ELC
0/1
Iload
CB
Beban
Konsumen
Isampling
Rangkaian
Kendali
Icomp
Dummy Load
Gambar 2.4 Skema komponen ELC
Secara umum komponen ELC pada PLTMH terbagi atas 3 bagian seperti
yang terlihat pada Gambar 2.4, penjelasannya sebagai berikut:
a. Sensor dan Rangkaian Kontrol
Sensor arus dan rangkaian kontrol berfungsi untuk mendeteksi
perubahan arus beban yang dihasilkan generator sebagai akibat adanya
11
Universitas Sumatera Utara
perubahan arus pada beban konsumen yang langsung dibandingkan
dengan harga referensi yang telah ditentukan. Dan rangkaian kontrol akan
memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan mengaktifkan IGBT
sesuai perubahan yang terjadi.
b. IGBT / Sakelar Elektronik
IGBT berfungsi sebagai pemutus dan penghantar arus ke beban
komplemen yang pengoperasiannya diatur oleh modul kontrol berdasarkan
perubahan yang terjadi. Penghantaran dan pemutusan arus dilakukan
dengan mengatur sudut penyalaan. Modul kontrol digunakan dengan
mendeteksi perubahan arus dan mengubahnya menjadi tegangan lalu
mengaktifkan gate IGBT dengan perubahan arus yang terjadi. Sakelar
elektronik tidak hanya dapat menggunakan IGBT, bisa juga menggunakan
SCR, ataupun thyristor.
c. Beban Tambahan (Dummy Load)
Beban tambahan digunakan sebagai tempat pengalihan daya atas
perubahan yang terjadi pada beban sebenarnya dengan tujuan untuk
menjaga agar putaran generator konstan meskipun terjadi perubahan arus
pada beban sebenarnya.
Penggunaan listrik oleh konsumen sangat bervariasi dan besarnya bisa
berubah setiap saat. Jika daya masukan turbin ke generator tidak mengalami
perubahan sedangkan daya keluaran generator yang digunakan oleh konsumen
berubah-ubah maka keseimbangan daya tidak akan tercapai. Hal ini akan
mengakibatkan adanya perubahan kecepatan generator sehingga frekuensi akan
berubah dengan sendirinya. Oleh karena itu, perlu ada penyesuaian antara beban
12
Universitas Sumatera Utara
generator dan daya masukannya dengan menempatkan beban penyeimbang di sisi
keluaran generator.
ELC dipasang di antara PLTMH dan beban konsumen seperti pada Gambar
2.4. Dengan menggunakan beban tambahan (dummy load), ELC akan membagi
arus yang dihasilkan dari PLTMH ke kedua beban yaitu beban konsumen dan
beban dummy. Dengan menggunakan ELC maka PLTMH akan tetap bekerja pada
keadaan nominal walaupun beban konsumen berubah-ubah.
Besar beban total yang dihasilkan generator dapat dilihat pada Persamaan 2.2
berikut:
Beban Konsumen + Beban dummy load = Beban Generator
Dalam
penentuan
kapasitas
daya
pada
dummy
load,
kita
(2.2)
dapat
menentukannya dengan cara mencari besar resistansi (R), yang berdasarkan pada
Persamaan 2.3:
P = I 2 .R
(2.3)
Menentukan perhitungan besarnya resistansi pada dummy load dapat
ditentukan dengan dua cara, yaitu:
1. Menghitung besar resistansi dengan menggunakan beberapa dummy load.
Menghitung resistansi dummy load dengan cara ini harus mengetahui
tingkat sensitifitas daya (Q) yang dapat diterima oleh dummy load.
Semakin banyak dummy load yang digunakan, maka tingkat sensitifitas
setiap dummy load akan semakin kecil. Jumlah resistor yang digunakan
dapat menggunakan Persamaan 2.4 [5]:
13
Universitas Sumatera Utara
n=
P
Q
(2.4)
Dan besar resistor yang digunakan dapat dihitung dengan Persamaan
4.5:
Rd =
Vdc 2
(2.5)
Q
Dimana:
P
: Besar daya yang terbangkit (W)
n
: Jumlah dummy load yang dipakai
Q
: Besar sensitifitas dummy load (W)
Rd
: Besar resistansi dummy load (Ω)
Vdc
: Besar tegangan dc pada rectifier (V)
2. Menghitung besar resistansi hanya dengan menggunakan satu dummy
load.
Menghitung besar resistansi pada dummy load dapat menggunakan
Persamaan 4.3 [7]:
Rd =
Vdc 2
(2.6)
P
Dimana:
Rd
: Besar resistansi dummy load (Ω)
Vdc
: Besar tegangan dc pada rectifier (V)
P
: Besar daya yang terbangkit (W)
Sistem pengendalian menggunakan ELC relatif murah. Pada saat beban
ringan, kelebihan energi produksi PLTMH, energi dibuang menuju dummy load
dengan cara pemanasan ataupun beban lain yang sifatnya resistif seperti pemanas
14
Universitas Sumatera Utara
air (water heater) atau pemanas udara (air heater). Besar kecilnya daya yang
disalurkan ke beban tambahan dapat dilihat dari besarnya tegangan beban
tambahan tersebut (tegangan dummy load). Semakin besar daya pada beban
tambahan, semakin besar pula tegangannya, dan sebaliknya jika tidak ada daya
pada beban tambahan maka tegangan pada beban tambahan menjadi nol.
Tegangan beban tambahan dapat dilihat pada panel kontrol [8].
2.4 Kendali Logika Fuzzy (Fuzzy Logic)
Professor Lotfi A. Zadeh merupakan pencetus sekaligus yang memasarkan
ide tentang mekaniskme pengolahan atau manajemen ketidakpastian yang
kemudian dikenal dengan logika fuzzy. Dalam penyajiannya variabel-variabel
yang akan digunakan harus cukup menggambarkan ke-fuzzy-an tetapi di lain pihak
persamaan-persamaan yang dihasilkan dari variabel-variabel itu haruslah cukup
sederhana sehingga komputasinya menjadi cukup mudah. Karena itu, Professor
Lotfi A. Zadeh kemudian memperoleh ide untuk menyajikannya dengan
menentukan “derajat keanggotaan” dari masing-masing variabelnya. Keuntungan
utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem yang
dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang
bersamaan untuk mendapat performa optimal [9].
Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah:
1.
Menentukan input,
2.
Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai,
3.
Mendesain metode konversi hasil logika fuzzy dengan hasil sinyal keluaran
yang dikenal dengan defuzzyfikasi.
15
Universitas Sumatera Utara
Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy
(untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel dan
bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada simulasi.
Pada tugas akhir ini, logika fuzzy digunakan untuk mengatur bukaan IGBT
sesuai dengan keadaan beban konsumen. Logika fuzzy digunakan karena
prosesnya mudah dengan matematika yang tidak sulit. Hanya dengan menentukan
bentuk input dan output yang kita inginkan, lalu menentukan peraturannya, maka
didapatlah hasil output yang tepat. Gambar 2.6 merupakan ilustrasi diagram alir
Turbin
Air
daya yang dihasilkan generator apabila ELC ditambahkan kendali logika fuzzy.
G
Daya Keluaran
Beban
Konsumen
Daya Masukan
Fuzzy
Controller
ELC
Beban
Tambahan
(Dummy)
Gambar 2.5 Diagram Alir ELC dengan fuzzy logic
16
Universitas Sumatera Utara