Pengaruh Kinerja Maximum Power Point Tracking (MPPT) Terhadap Potensi Daya Listrik pada Turbin Angin Simulasi Menggunakan Matlab-Simulink
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Angin
Energi angin merupakan bentuk tidak langsung dari energi matahari karena
angin terjadi oleh adanya pemanasan yang tidak merata pada permukaan bumi oleh
matahari dan perputaran bumi pada porosnya [1]. Gerakan udara adalah energi
kinetik angin yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti penggerak
generator pembangkit listrik melalui sistem konversi dengan turbin angin [2].
Turbin angin adalah suatu sistem konversi energi angin yang digunakan
untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi angin menjadi
putaran mekanis rotor (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi listrik
melalui sebuah generator. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan
turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat
menghasilkan kapasitas listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt.
Pada turbin angin, jumlah daya angin yang ditangkap turbin tergantung
ukuran baling-baling turbin dan kecepatan angin. Menurut beberapa literatur
kecepatan angin yang dibutuhkan untuk turbin angin berada pada kecepatan 3
m/detik sampai 20 Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih
dari 5 meter per detik (m/det). Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan Antariksa
Nasional (Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki
kecepatan angin di atas 5 m/det, masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa
Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa 20 m/det [1].
4
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sistem Konversi Energi Angin
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:[6]
Gambar 2.1 Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Energi angin telah berkembang ketingkat dimana pengembangannya telah
siap diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkit.
Teknologi turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama lima
belas tahun terakhir hingga akhirnya pengembangannya meliputi penggunaan
elektronika daya, pengembangan pada aerodinamis, dan mechanical drive trains
design .[7] Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti
ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox[6].
Di dalam teori, daya angin (P) dihitung berdasarkan rumus umum dimana
daya angin tersebut bergantung pada :
1. Kuantitas udara (Volume)
2. Kecepatan udara (Velocity)
3. Massa udara (Density)
5
Universitas Sumatera Utara
Sehingga, dari teori diatas dapat kita ketahui daya angin dapat dihitung
berdasarkan rumus[7]:
�
Dimana
�
=
�
…………………………..
adalah daya angin,
dari jari-jari turbin, dan
�
.
adalah massa jenis udara,
adalah kuadrat
adalah pangkat tiga dari kecepatan udara.
Daya mekanis (Pm) pada low speed shaft dapat di hitung dengan persamaan
dibawah ini:
Dimana
=
�
�
�, � .
�
…………………………
.
�, � adalah koefisien performansi, yang mana bergantung kepada
sudut bilah turbin (pitch angle) � dan variabel tip speed ratio � = �� /
�
(dimana
�� adalah kecepatan sudut dari low speed shaft, R adalah jari-jari turbin, dan
adalah kecepatan angin). [7]
�
Koefisien performansi (Cp) dinyatakan sebagai perbandingan antara energi
yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu
daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut. [8]
Tip speed ratio �) adalah rasio perbandingan antara kecepatan ujung baling-
baling turbin dan kecepatan angin. Hal ini dapat dijelaskan bahwa dengan bentuk
baling-baling turbin yang baik , maka kecepatan putaran baling baling dapat
ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan angin yang sedang
mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari baling-baling turbin dimana
nilai � untuk setiap jenis turbin berbeda-beda.[8]
6
Universitas Sumatera Utara
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.1) dan (2.2) digambarkan dengan �
sebagai acuan, di dapatkan persamaan :
�
Dimana
angin. [7]
�
=
�
�
�� … … … … … … … … … … …
.
adalah torka pada low speed shaft yang didapatkan turbin dari energi
Dari persamaan-persamaan diatas dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan
dapat diatur dengan parameter Cp. Parameter ini biasanya diatur dengan cara
mengatur pitch angle (�) yakni sudut bilah turbin (blade). [6]
2.3 Karakteristik Turbin Angin
Berikut adalah kurva karakteristik daya pada turbin angin:
Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Daya Pada Turbin Angin [7]
Untuk kurva karakteristik dari turbin angin berdasarkan perbandingan Cp dan
� dapat dilihat sebagai berikut :
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Kurva Karakteristik Cp[6]
Dari kurva diatas dapat kita ketahui bahwa karakteristik dari Cp bergantung
pada desain sudu/ bilah turbin yaitu sudut bilah turbin serta tip speed ratio yang
dipengaruhi oleh �� /
� , yaitu kecepatan sudut turbin angin, jari-jari turbin angin,
dan kecepatan udara. Oleh karena itu, pengontrolan Cp dilakukan melalui
pengontrolan �� dan �.[6]
Berdasarkan Betz limit, efisiensi turbin angin maksimum adalah dengan nilai
Cp maksimum yaitu 0.59. Pada praktiknya, hampir semua turbin angin memiliki
efisiensi dibawah 0.5, tergantung pada tipe, desain dan kondisi operasional. [3]
2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin
Jenis turbin angin dapat dibagi menjadi dua tipe berdasarkan arah sumbu
geraknya, yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal.
Sedangkan berdasarkan kecepatannya, turbin angin dibagi atas dua tipe juga yaitu
turbin angina kecepatan tetap dan turbin angin kecepatan berubah.[6]
8
Universitas Sumatera Utara
2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu Horizontal mempunyai sumber putar yang terletak
sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah
angin. Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi : Sudu (blade),
ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator. Turbin angin sumbu horizontal
dibedakan menjadi 2 macam, yaitu:
1. Upwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya
angin.
2. Downwind
Turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah
datangnya angin.
Gambar 2.4 Komponen Utama Turbin Angin Sumbu Horizontal (Sumber :
Wind Blade Rotor Construction, Hugh Piggot)
9
Universitas Sumatera Utara
2.4.2
Turbin Angin Sumbu Vertikal
Mesin ini lebih awal, kadang disebut Persian windmill , merupakan evolusi
dari kapal layar [1]. Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang
pertama kali dibuat manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan
efek magnus, yaitu karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu
hingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Turbin angin sumbu
vertikal memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran
angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.
Beberapa jenis turbin angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut :
1. Savonius Rotor
Turbin angin dengan konstruksi sederhana ini ditemukan oleh sarjana
Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk
dalam kategori TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) ini memiliki
konsep yang cukup sederhana.
2. Darrieus Rotor
Merupakan salah satu TASV dengan efisiensi terbaik serta mampu
menghasilkan torsi yang cukup besar pada putaran dan keceptan angin
yang
tinggi.
Turbin
angin
Darrieus
memiliki
prinsip
kerja
memanfaatkan gaya lift. Namun TASV jenis ini memiliki kelemahan
utama yakni memiliki torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak
dapat melakukan self start sehingga pada aplikasinya TASV jenis ini
selalu menggunakan perangkat bantuan untuk melakukan putaran awal.
10
Universitas Sumatera Utara
3. H-Rotor
Turbin tipe-H adalah variasi dari tipe Darrieus. Keduanya sama-sama
menggunakan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu.
Perbedaannya adalah tipe H jauh lebih simpel. Bila tipe Darrieus
menggunakan bilah yang ditekuk, maka tipe H menggunakan bilah
lurus.
Gambar 2.5 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (Sumber : Wind Turbines,
Eric Hau)
2.4.3
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[7]. 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
11
Universitas Sumatera Utara
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 [6]:
Gambar 2.6 Skematik Diagram Pembangkit Tenaga Angin Kecepatan Tetap[6]
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 terlihat dari
sistem tenaga angin kecepatan tetap adalah kemampuan menangkap energi yang
relatif sedikit dan faktor kapasitas yang rendah. [6]
12
Universitas Sumatera Utara
2.4.4
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 [7]. Berikut ini jenis-jenis
pembangkitan tenaga angin variable speed dengan menggunakan mesin yang
berbeda [6]:
(a)
(b)
13
Universitas Sumatera Utara
(c)
Gambar 2.7 Skematik diagram pembangkit listrik tenaga angin dengan (a) generator
induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c) permanent magnet
synchronous motor [6]
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 electronic 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 permanen. [6]
14
Universitas Sumatera Utara
2.5 Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)
Generator merupakan alat konversi energi mekanik menjadi energi listrik.
Generator merubah torsi (T) dan kecepatan putar rotor (�) yang diterimanya dari
blade menjadi nilai tegangan (V) dan arus (I). Hasil keluaran dari generator ini
berupa listrik 3 fasa. [4]
Daya mekanis yang dihasilkan PMSG dapat dihitung dengan persamaan :
�
= � .� …………………………………..
Dimana � adalah kecepatan sudut rotor dan �
.
adalah torsi mekanik
generator. Untuk daya listrik yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
�
= �. � … … … … … … … … … … … … … … …
.
Dimana � adalah tegangan generator dan �adalah arus dari generator
Generator sinkron dengan magnet permanen tidak membutuhkan sistem
eksitasi karena sumber eksitasi disediakan oleh magnet permanen pada rotor.
Kontrol tegangan untuk sistem eksitasi tidak diperlukan, sehingga mengurangi
kesulitan dalam sistem kontrolnya. [4]
PMSG biasanya digunakan untuk membangkitkan listrik pada daya rendah
, sehingga penggunaan PMSG sesuai untuk pembangkitan listrik tenaga angin untuk
skala kecil.[4]
Hingga saat ini PMSG semakin disukai dan dikembangkan terus-menerus
dengan desain terbaru karena efisiensinya yang tinggi, daya jenis yang tinggi, harga
yang tidak terlalu mahal dengan high-energy permanent magnet material .[5]
Sehingga dapat kita ketahui bahwa keuntungan menggunakan PMSG adalah biaya
15
Universitas Sumatera Utara
yang rendah, ketahanan, kesederhanaan, dan lebih mudah mengkopling grid, akan
tetapi kelemahan utamanya adalah perlunya kompensator faktor daya dan efisiensi
yang lebih rendah.[4]
Prinsip dasar generator sinkron yaitu terdapat hubungan antara frekuensi
dan kecepatan seperti persamaan berikut :
=
Dimana
rotor,
=
�
……………………………………
adalah kecepatan medan stator,
adalah frekuensi generator dan
.
adalah kecepatan medan
adalah jumlah kutub.
2.6 Maximum Power Point Tracking (MPPT)
Maximum Power Point Tracking atau yang sering disebut dengan MPPT
adalah metode pelacakan nilai daya maksimum (MPP) dari suatu sistem. Pada suatu
titik tertentu sistem tersebut memiliki daya maksimum. Daya keluaran yang
maksimal ini akan menghasilkan efisiensi yang tinggi [4].
Sistem pembangkit tenaga angin telah memberikan perhatian besar sebagai
sumber energi terbarukan. Energi angin, meskipun sangat berlimpah tetapi memilki
kecepatan yang bervariasi setiap harinya. Jumlah daya keluaran dari sistem
konversi energi angin bergantung kepada akurasi dari nilai daya yang dituju oleh
pengontrolan MPPT pada sistem konversi energi angin selain dari tipe generator
yang digunakan. Sejauh ini, ada beberapa algoritma MPPT yang telah diteliti dan
diklasifikasikan pada sistem pengontrolan konversi energi angin yang dibagi
menjadi 3 metode pengontrolan, yaitu Tip Speed Ratio (TSR) Control, Power
Signal Feedback (PSF) Control, dan Hill-Climb Search (HCS) Control [5].
16
Universitas Sumatera Utara
2.6.1 Konverter Elektronika Daya
Untuk mensimulasikan turbin angin dengan MPPT, dibutuhkan beberapa
rangkaian elektronika daya yang disambungkan pada PMSG untuk membantu
pengontrolan MPPT.
2.6.1.1 Three Phase Diode Bridge Rectifier
Rektifikasi adalah sebuah proses dari pengkonversian dari masukan
tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan keluaran searah (DC). Sebuah
rectifier adalah alat yang mengubah tegangan ac menjadi dc. Pada penyearahan
diode, tegangan keluaran tidak dapat dikontrol. Untuk penggunaan pada tegangan
tinggi dan dimana sumber tiga fasa digunakan, penyearah yang digunakan tentunya
adalah penyearah jembatan tiga fasa. Penyearah dioda adalah tipe penyearah yang
paling sederhana, murah dan gampang diterapkan pada elektronika daya.
Kelemahan dari penyearah dioda adalah tidak mampu bekerja pada aliran daya bidirectional. [8]
Tegangan rata-rata keluaran dc dari penyearah bisa didapatkan dari
persamaan berikut dimana telah dicocokkan dengan induktansi PMSG yang
dibutuhkan.
�
��
Dimana �
� ��
=
�
�
=
√
�
� =
√
�
�� … … … … …
.
adalah tegangan line maksimum, � adalah nilai rms pada
tegangan line, dan �� adalah nilai rms pada tegangan fasa.
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Rangkaian Umum Dioda 3 fasa
2.6.1.2 Konverter Step-Up (Boost Converter)
Boost converter adalah sebuah konverter daya DC-DC dengan tegangan
keluaran yang lebih besar dari pada tegangan masukan. Konverter ini termasuk
jenis switched-mode power supply (SMPS) yang terdiri dari paling tidak 2
semikonduktor dan paling tidak satu elemen penyimpan energi, kapasitor, induktor,
atau kombinasi dari keduanya. Filter dibuat dari kapasitor (terkadang
dikombinasikan dengan induktor) yang biasanya diletakkan pada keluaran
konverter untuk mengurangi ripple pada tegangan keluaran.[8]
Pada penelitian ini, boost converter digunakan untuk mengkontrol
kecepatan generator untuk mengoperasikan sistem pada titik daya maksimum
(maximum power point / mpp) dengan cara mengganti sikus kerjanya (duty cycle).
Gambar 2.9 Skema boost converter [8]
18
Universitas Sumatera Utara
Tegangan keluaran boost converter berdasarkan kondisi tegangan masuk
dan duty cycle :
� =
��
−
……………………………………….
.
Dimana D adalah besarnya duty cycle. Persamaan diatas menunjukkan
bahwa tegangan keluaran akan selalu lebih besar dari tegangan masukkan (selama
duty cycle naik dari 0 menuju 1), dan hal ini meningkat sesuai D. Inilah sebabnya
konverter ini terkadang disebut sebagai konverter step-up.[8]
2.6.2 Pengontrolan MPPT dengan Hill-Climb Search (HCS)
Pengontrolan MPPT dengan algortima kontrol HCS akan secara kontinu
melacak titik daya maksimum (MPP) dari turbin angin. Algoritma pelacak ini
bergantung pada lokasi dari titik operasi dan hubungan antara perubahan daya dan
kecepatan, lalu menghitung sinyal optimum yang diinginkan untuk mengendalikan
sistem ke titik MPP.
Gambar 2.10 Sistem konversi energi angin dengan pengontrolan HCS[5]
19
Universitas Sumatera Utara
Pada pengontrolan dengan algoritma HCS ini, algoritma pengendali
menggunakan prinsip seperti “melacak-mengingat-menggunakan kembali”[5].
Algoritma pelacakan ini akan memulainya seperti sebuah sistem yang belajar dari
keadaan awal seperti memori kosong dengan performa yang belum baik. Selama
pelaksanaan, sistem ini akan mencari data dengan metoda pencarian hill-climb,
yaitu sistem mencoba mencari data atau seperti mencari pengalaman secara
bertahap untuk melatih memori kecerdasan sistem tersebut sehingga pengalaman
yang sudah terlatih akan tersimpan pada memori kecerdasan sistem. Kemudian,
algoritma pada sistem akan menggunakan data yang telah tersimpan tersebut untuk
diaplikasikan dengan pengerjaan yang cepat. Sistem “melacak-mengingatmenggunakan kembali” ini akan terus mengulangi dirinya hingga akhirnya sebuah
sistem memori dengan karakteristik yang akurat telah didapatkan. Karena itu,
setelah algoritma telah cukup terlatih, kinerja penarikan daya akan dioptimalkan.[5]
Karena memori kecerdasan tersebut dilatih bertahap selama sistem beroperasi,
proses seperti ini juga disebut dengan proses pelatihan bertahap.
Didalam metode pengontrolan ini, setiap siklus dimulai dengan
pengambilan contoh dari tegangan dc (Vdc) dan daya keluaran (Po), dan
menghitung perbedaan-perbedaan mereka. Gambar 2.10 adalah contoh sistem
pengendalian HCS lanjutan.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Struktur sistem pengontrolan dengan HCS lanjutan[5]
Pada mode switch rule sistem pengendalian akan dibuat menjadi tiga tahap
pengerjaan, yaitu mode inisial (Initial Mode), tahap latihan (Training Mode), dan
tahap pengaplikasian (Application Mode). Arus yang permintaan pada inverter
(Idm) dihitung pada mode tersebut dan diumpankan ke inverter untuk mengatur
daya keluaran pada sistem. Idm didefinisikan sebagai nilai puncak permintaan dari
arus keluaran sinusoidal pada inverter. Maximum power error driven mechanism
(MPED) menyediakan sistem dengan titik operasi awal yang optimal ketika memori
kecerdasan kosong. Sinyal referensi dari MPED adalah Pmax yang mana hanya bisa
diraih ketika kecepatan angin cukup tinggi. Memori kecerdasan menyimpan sistem
pada saat MPP dan variable pengendalian yang sesuai pada setiap kondisi operasi
yang berbeda. Direct Current Demand Control (DCDC) memanfaatkan hubungan
yang telah optimal antara Vdc dan Idm yang disimpan oleh memori kecerdasan,
dan menjalankan perintah Idm berdasarkan nilai Vdc saat itu.[5]
21
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Angin
Energi angin merupakan bentuk tidak langsung dari energi matahari karena
angin terjadi oleh adanya pemanasan yang tidak merata pada permukaan bumi oleh
matahari dan perputaran bumi pada porosnya [1]. Gerakan udara adalah energi
kinetik angin yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti penggerak
generator pembangkit listrik melalui sistem konversi dengan turbin angin [2].
Turbin angin adalah suatu sistem konversi energi angin yang digunakan
untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi angin menjadi
putaran mekanis rotor (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi listrik
melalui sebuah generator. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan
turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat
menghasilkan kapasitas listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt.
Pada turbin angin, jumlah daya angin yang ditangkap turbin tergantung
ukuran baling-baling turbin dan kecepatan angin. Menurut beberapa literatur
kecepatan angin yang dibutuhkan untuk turbin angin berada pada kecepatan 3
m/detik sampai 20 Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih
dari 5 meter per detik (m/det). Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan Antariksa
Nasional (Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayah memiliki
kecepatan angin di atas 5 m/det, masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa
Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa 20 m/det [1].
4
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sistem Konversi Energi Angin
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:[6]
Gambar 2.1 Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Energi angin telah berkembang ketingkat dimana pengembangannya telah
siap diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkit.
Teknologi turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama lima
belas tahun terakhir hingga akhirnya pengembangannya meliputi penggunaan
elektronika daya, pengembangan pada aerodinamis, dan mechanical drive trains
design .[7] Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti
ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox[6].
Di dalam teori, daya angin (P) dihitung berdasarkan rumus umum dimana
daya angin tersebut bergantung pada :
1. Kuantitas udara (Volume)
2. Kecepatan udara (Velocity)
3. Massa udara (Density)
5
Universitas Sumatera Utara
Sehingga, dari teori diatas dapat kita ketahui daya angin dapat dihitung
berdasarkan rumus[7]:
�
Dimana
�
=
�
…………………………..
adalah daya angin,
dari jari-jari turbin, dan
�
.
adalah massa jenis udara,
adalah kuadrat
adalah pangkat tiga dari kecepatan udara.
Daya mekanis (Pm) pada low speed shaft dapat di hitung dengan persamaan
dibawah ini:
Dimana
=
�
�
�, � .
�
…………………………
.
�, � adalah koefisien performansi, yang mana bergantung kepada
sudut bilah turbin (pitch angle) � dan variabel tip speed ratio � = �� /
�
(dimana
�� adalah kecepatan sudut dari low speed shaft, R adalah jari-jari turbin, dan
adalah kecepatan angin). [7]
�
Koefisien performansi (Cp) dinyatakan sebagai perbandingan antara energi
yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu
daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut. [8]
Tip speed ratio �) adalah rasio perbandingan antara kecepatan ujung baling-
baling turbin dan kecepatan angin. Hal ini dapat dijelaskan bahwa dengan bentuk
baling-baling turbin yang baik , maka kecepatan putaran baling baling dapat
ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan angin yang sedang
mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari baling-baling turbin dimana
nilai � untuk setiap jenis turbin berbeda-beda.[8]
6
Universitas Sumatera Utara
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.1) dan (2.2) digambarkan dengan �
sebagai acuan, di dapatkan persamaan :
�
Dimana
angin. [7]
�
=
�
�
�� … … … … … … … … … … …
.
adalah torka pada low speed shaft yang didapatkan turbin dari energi
Dari persamaan-persamaan diatas dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan
dapat diatur dengan parameter Cp. Parameter ini biasanya diatur dengan cara
mengatur pitch angle (�) yakni sudut bilah turbin (blade). [6]
2.3 Karakteristik Turbin Angin
Berikut adalah kurva karakteristik daya pada turbin angin:
Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Daya Pada Turbin Angin [7]
Untuk kurva karakteristik dari turbin angin berdasarkan perbandingan Cp dan
� dapat dilihat sebagai berikut :
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Kurva Karakteristik Cp[6]
Dari kurva diatas dapat kita ketahui bahwa karakteristik dari Cp bergantung
pada desain sudu/ bilah turbin yaitu sudut bilah turbin serta tip speed ratio yang
dipengaruhi oleh �� /
� , yaitu kecepatan sudut turbin angin, jari-jari turbin angin,
dan kecepatan udara. Oleh karena itu, pengontrolan Cp dilakukan melalui
pengontrolan �� dan �.[6]
Berdasarkan Betz limit, efisiensi turbin angin maksimum adalah dengan nilai
Cp maksimum yaitu 0.59. Pada praktiknya, hampir semua turbin angin memiliki
efisiensi dibawah 0.5, tergantung pada tipe, desain dan kondisi operasional. [3]
2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin
Jenis turbin angin dapat dibagi menjadi dua tipe berdasarkan arah sumbu
geraknya, yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal.
Sedangkan berdasarkan kecepatannya, turbin angin dibagi atas dua tipe juga yaitu
turbin angina kecepatan tetap dan turbin angin kecepatan berubah.[6]
8
Universitas Sumatera Utara
2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu Horizontal mempunyai sumber putar yang terletak
sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah
angin. Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi : Sudu (blade),
ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator. Turbin angin sumbu horizontal
dibedakan menjadi 2 macam, yaitu:
1. Upwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya
angin.
2. Downwind
Turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah
datangnya angin.
Gambar 2.4 Komponen Utama Turbin Angin Sumbu Horizontal (Sumber :
Wind Blade Rotor Construction, Hugh Piggot)
9
Universitas Sumatera Utara
2.4.2
Turbin Angin Sumbu Vertikal
Mesin ini lebih awal, kadang disebut Persian windmill , merupakan evolusi
dari kapal layar [1]. Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang
pertama kali dibuat manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan
efek magnus, yaitu karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu
hingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Turbin angin sumbu
vertikal memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran
angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.
Beberapa jenis turbin angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut :
1. Savonius Rotor
Turbin angin dengan konstruksi sederhana ini ditemukan oleh sarjana
Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk
dalam kategori TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) ini memiliki
konsep yang cukup sederhana.
2. Darrieus Rotor
Merupakan salah satu TASV dengan efisiensi terbaik serta mampu
menghasilkan torsi yang cukup besar pada putaran dan keceptan angin
yang
tinggi.
Turbin
angin
Darrieus
memiliki
prinsip
kerja
memanfaatkan gaya lift. Namun TASV jenis ini memiliki kelemahan
utama yakni memiliki torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak
dapat melakukan self start sehingga pada aplikasinya TASV jenis ini
selalu menggunakan perangkat bantuan untuk melakukan putaran awal.
10
Universitas Sumatera Utara
3. H-Rotor
Turbin tipe-H adalah variasi dari tipe Darrieus. Keduanya sama-sama
menggunakan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu.
Perbedaannya adalah tipe H jauh lebih simpel. Bila tipe Darrieus
menggunakan bilah yang ditekuk, maka tipe H menggunakan bilah
lurus.
Gambar 2.5 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (Sumber : Wind Turbines,
Eric Hau)
2.4.3
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[7]. 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
11
Universitas Sumatera Utara
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 [6]:
Gambar 2.6 Skematik Diagram Pembangkit Tenaga Angin Kecepatan Tetap[6]
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 terlihat dari
sistem tenaga angin kecepatan tetap adalah kemampuan menangkap energi yang
relatif sedikit dan faktor kapasitas yang rendah. [6]
12
Universitas Sumatera Utara
2.4.4
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 [7]. Berikut ini jenis-jenis
pembangkitan tenaga angin variable speed dengan menggunakan mesin yang
berbeda [6]:
(a)
(b)
13
Universitas Sumatera Utara
(c)
Gambar 2.7 Skematik diagram pembangkit listrik tenaga angin dengan (a) generator
induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c) permanent magnet
synchronous motor [6]
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 electronic 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 permanen. [6]
14
Universitas Sumatera Utara
2.5 Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)
Generator merupakan alat konversi energi mekanik menjadi energi listrik.
Generator merubah torsi (T) dan kecepatan putar rotor (�) yang diterimanya dari
blade menjadi nilai tegangan (V) dan arus (I). Hasil keluaran dari generator ini
berupa listrik 3 fasa. [4]
Daya mekanis yang dihasilkan PMSG dapat dihitung dengan persamaan :
�
= � .� …………………………………..
Dimana � adalah kecepatan sudut rotor dan �
.
adalah torsi mekanik
generator. Untuk daya listrik yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
�
= �. � … … … … … … … … … … … … … … …
.
Dimana � adalah tegangan generator dan �adalah arus dari generator
Generator sinkron dengan magnet permanen tidak membutuhkan sistem
eksitasi karena sumber eksitasi disediakan oleh magnet permanen pada rotor.
Kontrol tegangan untuk sistem eksitasi tidak diperlukan, sehingga mengurangi
kesulitan dalam sistem kontrolnya. [4]
PMSG biasanya digunakan untuk membangkitkan listrik pada daya rendah
, sehingga penggunaan PMSG sesuai untuk pembangkitan listrik tenaga angin untuk
skala kecil.[4]
Hingga saat ini PMSG semakin disukai dan dikembangkan terus-menerus
dengan desain terbaru karena efisiensinya yang tinggi, daya jenis yang tinggi, harga
yang tidak terlalu mahal dengan high-energy permanent magnet material .[5]
Sehingga dapat kita ketahui bahwa keuntungan menggunakan PMSG adalah biaya
15
Universitas Sumatera Utara
yang rendah, ketahanan, kesederhanaan, dan lebih mudah mengkopling grid, akan
tetapi kelemahan utamanya adalah perlunya kompensator faktor daya dan efisiensi
yang lebih rendah.[4]
Prinsip dasar generator sinkron yaitu terdapat hubungan antara frekuensi
dan kecepatan seperti persamaan berikut :
=
Dimana
rotor,
=
�
……………………………………
adalah kecepatan medan stator,
adalah frekuensi generator dan
.
adalah kecepatan medan
adalah jumlah kutub.
2.6 Maximum Power Point Tracking (MPPT)
Maximum Power Point Tracking atau yang sering disebut dengan MPPT
adalah metode pelacakan nilai daya maksimum (MPP) dari suatu sistem. Pada suatu
titik tertentu sistem tersebut memiliki daya maksimum. Daya keluaran yang
maksimal ini akan menghasilkan efisiensi yang tinggi [4].
Sistem pembangkit tenaga angin telah memberikan perhatian besar sebagai
sumber energi terbarukan. Energi angin, meskipun sangat berlimpah tetapi memilki
kecepatan yang bervariasi setiap harinya. Jumlah daya keluaran dari sistem
konversi energi angin bergantung kepada akurasi dari nilai daya yang dituju oleh
pengontrolan MPPT pada sistem konversi energi angin selain dari tipe generator
yang digunakan. Sejauh ini, ada beberapa algoritma MPPT yang telah diteliti dan
diklasifikasikan pada sistem pengontrolan konversi energi angin yang dibagi
menjadi 3 metode pengontrolan, yaitu Tip Speed Ratio (TSR) Control, Power
Signal Feedback (PSF) Control, dan Hill-Climb Search (HCS) Control [5].
16
Universitas Sumatera Utara
2.6.1 Konverter Elektronika Daya
Untuk mensimulasikan turbin angin dengan MPPT, dibutuhkan beberapa
rangkaian elektronika daya yang disambungkan pada PMSG untuk membantu
pengontrolan MPPT.
2.6.1.1 Three Phase Diode Bridge Rectifier
Rektifikasi adalah sebuah proses dari pengkonversian dari masukan
tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan keluaran searah (DC). Sebuah
rectifier adalah alat yang mengubah tegangan ac menjadi dc. Pada penyearahan
diode, tegangan keluaran tidak dapat dikontrol. Untuk penggunaan pada tegangan
tinggi dan dimana sumber tiga fasa digunakan, penyearah yang digunakan tentunya
adalah penyearah jembatan tiga fasa. Penyearah dioda adalah tipe penyearah yang
paling sederhana, murah dan gampang diterapkan pada elektronika daya.
Kelemahan dari penyearah dioda adalah tidak mampu bekerja pada aliran daya bidirectional. [8]
Tegangan rata-rata keluaran dc dari penyearah bisa didapatkan dari
persamaan berikut dimana telah dicocokkan dengan induktansi PMSG yang
dibutuhkan.
�
��
Dimana �
� ��
=
�
�
=
√
�
� =
√
�
�� … … … … …
.
adalah tegangan line maksimum, � adalah nilai rms pada
tegangan line, dan �� adalah nilai rms pada tegangan fasa.
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Rangkaian Umum Dioda 3 fasa
2.6.1.2 Konverter Step-Up (Boost Converter)
Boost converter adalah sebuah konverter daya DC-DC dengan tegangan
keluaran yang lebih besar dari pada tegangan masukan. Konverter ini termasuk
jenis switched-mode power supply (SMPS) yang terdiri dari paling tidak 2
semikonduktor dan paling tidak satu elemen penyimpan energi, kapasitor, induktor,
atau kombinasi dari keduanya. Filter dibuat dari kapasitor (terkadang
dikombinasikan dengan induktor) yang biasanya diletakkan pada keluaran
konverter untuk mengurangi ripple pada tegangan keluaran.[8]
Pada penelitian ini, boost converter digunakan untuk mengkontrol
kecepatan generator untuk mengoperasikan sistem pada titik daya maksimum
(maximum power point / mpp) dengan cara mengganti sikus kerjanya (duty cycle).
Gambar 2.9 Skema boost converter [8]
18
Universitas Sumatera Utara
Tegangan keluaran boost converter berdasarkan kondisi tegangan masuk
dan duty cycle :
� =
��
−
……………………………………….
.
Dimana D adalah besarnya duty cycle. Persamaan diatas menunjukkan
bahwa tegangan keluaran akan selalu lebih besar dari tegangan masukkan (selama
duty cycle naik dari 0 menuju 1), dan hal ini meningkat sesuai D. Inilah sebabnya
konverter ini terkadang disebut sebagai konverter step-up.[8]
2.6.2 Pengontrolan MPPT dengan Hill-Climb Search (HCS)
Pengontrolan MPPT dengan algortima kontrol HCS akan secara kontinu
melacak titik daya maksimum (MPP) dari turbin angin. Algoritma pelacak ini
bergantung pada lokasi dari titik operasi dan hubungan antara perubahan daya dan
kecepatan, lalu menghitung sinyal optimum yang diinginkan untuk mengendalikan
sistem ke titik MPP.
Gambar 2.10 Sistem konversi energi angin dengan pengontrolan HCS[5]
19
Universitas Sumatera Utara
Pada pengontrolan dengan algoritma HCS ini, algoritma pengendali
menggunakan prinsip seperti “melacak-mengingat-menggunakan kembali”[5].
Algoritma pelacakan ini akan memulainya seperti sebuah sistem yang belajar dari
keadaan awal seperti memori kosong dengan performa yang belum baik. Selama
pelaksanaan, sistem ini akan mencari data dengan metoda pencarian hill-climb,
yaitu sistem mencoba mencari data atau seperti mencari pengalaman secara
bertahap untuk melatih memori kecerdasan sistem tersebut sehingga pengalaman
yang sudah terlatih akan tersimpan pada memori kecerdasan sistem. Kemudian,
algoritma pada sistem akan menggunakan data yang telah tersimpan tersebut untuk
diaplikasikan dengan pengerjaan yang cepat. Sistem “melacak-mengingatmenggunakan kembali” ini akan terus mengulangi dirinya hingga akhirnya sebuah
sistem memori dengan karakteristik yang akurat telah didapatkan. Karena itu,
setelah algoritma telah cukup terlatih, kinerja penarikan daya akan dioptimalkan.[5]
Karena memori kecerdasan tersebut dilatih bertahap selama sistem beroperasi,
proses seperti ini juga disebut dengan proses pelatihan bertahap.
Didalam metode pengontrolan ini, setiap siklus dimulai dengan
pengambilan contoh dari tegangan dc (Vdc) dan daya keluaran (Po), dan
menghitung perbedaan-perbedaan mereka. Gambar 2.10 adalah contoh sistem
pengendalian HCS lanjutan.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Struktur sistem pengontrolan dengan HCS lanjutan[5]
Pada mode switch rule sistem pengendalian akan dibuat menjadi tiga tahap
pengerjaan, yaitu mode inisial (Initial Mode), tahap latihan (Training Mode), dan
tahap pengaplikasian (Application Mode). Arus yang permintaan pada inverter
(Idm) dihitung pada mode tersebut dan diumpankan ke inverter untuk mengatur
daya keluaran pada sistem. Idm didefinisikan sebagai nilai puncak permintaan dari
arus keluaran sinusoidal pada inverter. Maximum power error driven mechanism
(MPED) menyediakan sistem dengan titik operasi awal yang optimal ketika memori
kecerdasan kosong. Sinyal referensi dari MPED adalah Pmax yang mana hanya bisa
diraih ketika kecepatan angin cukup tinggi. Memori kecerdasan menyimpan sistem
pada saat MPP dan variable pengendalian yang sesuai pada setiap kondisi operasi
yang berbeda. Direct Current Demand Control (DCDC) memanfaatkan hubungan
yang telah optimal antara Vdc dan Idm yang disimpan oleh memori kecerdasan,
dan menjalankan perintah Idm berdasarkan nilai Vdc saat itu.[5]
21
Universitas Sumatera Utara