BAB 2 SISTEM KONVERSI ENERGI ANGIN
2.3 Konfigurasi Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)
Mengurangi stress mekanik Rugi daya akibat penggunaan converter lebih besar
Kualitas daya lebih baik Biaya instalasi lebih tinggi
2.3 Konfigurasi Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)
Generator dan konverter daya merupakan komponen penting di dalam SKEA. Berdasarkan jenis generator dan penggunaan konverter daya, SKEA dapat dibagi menjadi: SKEA dengan kecepatan konstan tanpa konverter daya, SKEA dengan kecepatan berubah dengan konverter daya partial scale dan SKEA dengan kecepatan berubah dengan converter daya full scale.
2.3.1 SKEA kecepatan konstan tanpa konverter daya
Konfigurasi SKEA kecepatan konstan menggunakan squirrel cage induction generator (SCIG) dan gearbox yang terhubung ke grid melalui transformator secara langsung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Kecepatan rotasi generator ditentukan oleh frekuensi grid dan jumlah pole kumparan stator. Pada kecepatan angin berbeda, kecepatan generator bervariasi sebesar 1% dari kecepatan rata-rata. Gearbox digunakan untuk menyesuaikan perbedaan kecepatan antara turbin dan generator sehingga generator dapat mengirim daya rata-rata pada kecepatan angin rata-rata. Konfigurasi ini membutuhkan soft starter untuk membatasi lonjakan arus yang tinggi pada waktu sistem start up[47]. GEAR BOX SCIG Bypass Switch Soft Starter GRID Transformator PF Compensator
30
Kelebihan konfigurasi ini yaitu sederhana, biaya perawatan rendah dan handal. Namun sistem ini juga memiliki kekurangan yaitu:
Kecepatan SCIG untuk konfigurasi ini tidak dapat dikontrol dan hanya bervariasi disekitas kecepatan sinkron sehingga energi maksimum tidak dapat ditangkap dari angin yang melebihi jangkauan kecepatan angin Sistem mengirim daya rata-rata ke grid hanya pada kecepatan angin
tertentu sedangkan pada kecepatan angin yang lain memiliki efisiensi konversi energi yang rendah.
Daya yang dikirim ke grid berfluktuasi terhadap kecepatan angin sehingga menyebabkan gangguan pada grid.
Penggunaan gearbox menyebabkan disipasi panas karena gesekan dan membutuhkan perawatan rutin.[6]
2.3.2 SKEA kecepatan berubah dengan konverter daya partial scale
GEAR BOX WRIG Soft Starter GRID Transformator Reaktive Power Compensator Converter-Controlled Variabel Resistance
Gambar 2. 8 SKEA Dengan Wound Rotor Induction Generator
SKEA kecepatan berubah memiliki keuntungan yang mengatasi kekurangan konfigurasi SKEA kecepatan konstan yaitu peningkatan efisiensi konversi energi dan mengurangi stress mekanik yang disebabkan oleh hembusan angin yang kencang [47]. Selain itu struktur konfigurasi ini dapat mengurangi penggunaan gearbox dan mengurangi kebutuhan perawatan. Kelemahan utama dari konfigurasi ini yaitu kebutuhan akan konverter daya untuk mengatur kecepatan generator sehingga menambah biaya dan kompleksitas sistem. Namun
31
konveter daya dapat mengatur daya aktif dan reaktif pada sisi grid. Berdasarkan konverter daya yang digunakan, SKEA kecepatan berubah terbagi menjadi dua yaitu SKEA dengan kecepatan berubah dengan konverter daya partial scale dan SKEA dengan kecepatan berubah dengan konverter daya full scale. SKEA dengan partial scale dapat terbagi menjadi dua yaitu menggunakan wound rotor induction generator (WRIG) dan double fed induction generator (DFIG).
SKEA kecepatan berubah dengan konverter daya partial scale
menggunakan wound rotor induction generator (WRIG), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. pengaturan kecepatan dapat dicapai melalui pengaturan arus rotor tanpa perlu untuk memproses daya total dari sistem. Kumparan rotor dihubungkan dengan resistor variabel yang dapat di atur oleh sistem kontrol elektronik. Perubahan resistansi rotor akan mempengaruhi karakteristik kecepatan/torsi generator. Untuk meningkatkan jangkauan kecepatan variabel maka nilai resistor juga harus tinggi. Jangkauan kecepatan konfigurasi ini tergantung pada nilai resistor yang digunakan dan kurang dari 10% diatas kecepatan sinkron. Pada WRIG membutuhkan operasi pada kecepatan lebih tinggi daripada kecepatan sinkron untuk menghasilkan energi listrik [6]. Konfigurasi ini juga membutuhkan soft starter dan kompensasi daya reaktif.
GEAR BOX DFIG GRID Transformator Reaktive Power Compensator
~
~
= =
Gambar 2.9 SKEA Kecepatan Berubah Dengan Double Fed Induction
Generator
Konfigurasi SKEA dengan kecepatan berubah dengan menggunakan DFIG, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9. Rotor dari DFIG terhubung ke
32
grid melalui konverter daya, antara lain menggunakan konverter back to back. Sedangkan staor dari DFIG terhubung langsung ke grid. DFIG dapat mengirim langsung energi angin ke grid dalam jangkauan kecepatan sekitar ± 30% kecepatan sinkron dan daya nominal konverter daya hanya sekitar 30% dari daya rata-rata turbin angin. Kecepatan generator dapat diatur untuk mengoptimasi ekstraksi daya dari angin melalui pengaturan daya aktif pada konverter sisi rotor. Selain itu daya reaktif yang dikirim ke grid juga dapat di atur oleh konverter sisi rotor melalui pemisahan daya aktif dan reaktif. Namun beberapa kerugian konfigurasi ini yaitu :
Slip ring dan brush pada DFIG membutuhkan perawatan rutin dan memungkinkan dapat menyebabkan kegagalan mesin dan rugi-rugi elektrik.
Kemampuan fault ride through (FRT) pada SKEA dengan DFIG relative lemah karena hubungan langsung stator DFIG ke grid. [6]
2.3.3 SKEA kecepatan berubah dengan konverter daya full scale
Penggunaan konverter daya dengan kapasitas penuh dapat meningkatkan performansi sistem energi angin. Gambar 2.10 menunjukkan konfigurasi SKEA kecepatan berubah dengan konverter daya full scale yang terdiri dari turbin angin, gearbox, generator, konverter daya dan transformator. Generator yang dapat digunakan pada konfigurasi ini yaitu squirrel cage induction generator (SCIG),
wound rotor synchronous generator (WRSG) dan permanent magnet synchronous
generator (PMSG). Rating daya dari konverter umumnya sama dengan generator. Penggunaan konverter daya menyebabkan generator terpisah secara penuh dari grid dan dapat beroperasi dalam jangkauan penuh. Hal ini menyebabkan sistem memiliki kompensasi daya reaktif dan hubungan grid yang lebih baik [47].
33
GEAR BOX SCIG WRSG
PMSG GRID Transformator
~
~
= =
Gambar 2. 10 SKEA Kecepatan Berubah Dengan Konverter Daya Full Scale
Penggunaan SCIG memiliki keuntungan struktur yang sederhana, biaya rendah dan kehandalan yang tinggi. SCIG dengan gearbox terhubung ke grid melalui konverter back to back full scale. Kecepatan generator dapat bervariasi melalui pengaturan konverter sisi generator sedangkan tegangan bus DC dan daya reaktif yang dikirim ke grid dapat dikontrol melalui konverter sisi grid. Kelemahan konfigurasi dengan SCIG ini adalah biaya yang tinggi dan rugi-rugi pada konverter daya[47].
AC
AC DC
DC PMSG
Gambar 2. 11 SKEA Kecepatan Berubah Dengan Konverter Daya Full Scale
Tanpa Gearbox
Penggunaan multiple-stage gearbox dapat mengurangi volume dan berat dari WRSG dan PMSG. PMSG lebih banyak digunakan karena memiliki efisiensi tinggi dan stuktur yang lebih tangguh. Namun penggunaan gearbox dapat menyebabkan rugi-rugi terutama pada generator kecepatan tinggi. Saat sistem energi angin dapat beroperasi tanpa menggunakan gearbox dengan menggunakan generator sinkron kecepatan rendah dan jumlah pole yang besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11. Pengurangan penggunaan gearbox meningkatkan efisiensi sistem dan mengurangi biaya awal dan perawatan. PMSG dengan
34
kecepatan menengah dan konverter daya full scale untuk SKEA pertama kali diperkenalkan oleh sistem Multibrid, Jerman, sehingga sistem ini disebut dengan sistem Multibrid [47].