IMPLEMENTASI MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN METODE PERTURB AND OBSERVE

IMPLEMENTASI MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN METODE

PERTURB AND OBSERVE

Disusun sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Program S-1 Pada Jurusan

Teknik Elektro, Fakultas Teknik,

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun oleh :

HAMMAMI AHMAD ZAINI 20120120101

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

i

PERTURB AND OBSERVE

Disusun sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Program S-1 Pada

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik,

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun oleh :

HAMMAMI AHMAD ZAINI 20120120101

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

ii

NIM : 20120120101

Jurusan : Teknik Elektro Menyatakan bahwa :

Semua yang ditulis dalam naskah skripsi ini merupakan hasil karya tulis saya sendiri dan bukan menjiplak hasil karya dari pihak manapun, kecuali dasar teori yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Hasil skripsi yang Saya buat disusun sebagai salah satu syarat untuk menyandang gelar Strata Satu (S1) di Perguruan Tinggi. Demikian surat pernyataan ini Saya buat

agar dapat digunakan sebagaimana mestinya.

Yogyakarta, 1 Oktober 2016 Menyatakan,

iii

“Maka nikmat Tuhan-mu yang manakah yang kamu dustakan ?”. (QS. AR-RAHMAN:13)

“Barang siapa yang menempuh jalan untuk mencari suatu ilmu. Niscaya Allah memudahkannya ke jalan menuju surga ”. (H.R Turmudzi).

“...Jika kamu bersabar dan bertakwa, maka sesungguhnya yang demikian itu

termasuk urusan yang (patut) diutamakan”. (QS. Ali ‘Imran:186)

“ Bekerjalah engaku untuk menyebarkan Islam karena itu sesungguhnya merupakan kewajiban para penguasa di muka bumi ini. Kedepankan kepentingan

agama diatas kepentingan lain apapun”(Muhammad Al Fatih)

iv

v

Syukur alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT atas rahmat, taufik, kesehatan, kecerdasan dan bermacam nikmat yang diberikan-Nya sehingga penulis

dapat menyelesaikan pembuatan skripsi yang berjudul “IMPLEMENTASI MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN METODE PERTURB AND OBSERVE”. Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh

kaeran itu penulis memohon maaf apabila terjadi kesalahan dalam penulisan skripsi ini. Penulis juga menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai

pihak, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. Dengan penuh rasa syukur dan kerendahan hati, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada :

1. Allah SWT karena atas izin-Nya skripsi ini dapat terselesaikan

2. Bapak Ir. Agus Jamal M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas

Muhammadiyah Yogyakarta.

3. Bapak Dr. Ramadoni Syahputra, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing I tugas akhir yang telah memberikan arahan dan bimbingan selama pembuatan, dan

penyusunan laporan ini.

4. Bapak Rama Oktawiyagi, S.T., M.Eng., selaku Dosen Pembimbing II tugas

vi

memberikan saran dan masukan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi

ini.

6. Kedua orang tua tercinta Bapak Cecep Abdul Kodir dan Ibu Umayah S.Pd. atas semua pengorbanan, doa, semangat, dukungan materil dan nonmateril yang

kalian berikan. Serta adik saya, Farhah Dzikrotun Nafisah atas doa, semangat dan bantuannya,

7. Sahabat Trafo Konslet, Anggit, Arief, Ardhi, Dany, Galuh, Novangga, Nurriza, dan Sigit yang telah banyak memberikan bantuan, motivasi dan dukungannya,

8. PH JAA 2015, Ichwan, Fikri, Fauzan, Yoga, Nissa, Rahma, Hana, Okta, Nurul, Agis, Umi, Nani, Aisyah dan Nabilah atas doa dan dukunganya,

9. Teman-teman Teknik Elektro 2012 yang selalu memberikan semangat,

10.Keluarga KKN 04, Agem, Fidel, Fathur, Apri, Fauzi, Rosyid, dan Dimas yang telah memberikan semangat dan doa,

11.Teman-Teman HIMMAKA Yogyakarta, UKM Pramuka UMY, dan UKI JAA

UMY, yang selalu memberikan semangat,

12.Dan semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang juga turut

vii

Yogyakarta, 1 Oktober 2016

Penulis

DAFTAR ISI

viii

Motto ... vii

Persembahan ... viii

Kata Pengantar ... ix

Daftar Isi... xii

Daftar Gambar ... xiv

Daftar Tabel ... xvi

1.5 Sistematika Penulisan Laporan ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1Tinjauan Pustaka ... 6

2.2 Dasar Teori ... 8

2.2.1 Angin ... 8

2.2.1.1 Pemanfaatan Energi Angin ... 10

2.2.1.1 Kandungan Energi Angin ... 12

2.2.2 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin ... 13

2.2.3 Turbin Angin ... 14

2.2.3.1 Pemodelan Turbin Angin ... 18

2.2.4 Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) ... 20

2.2.5 Penyearah ... 21

2.2.6 Konverter DC-DC ... 24

2.2.6.1 Buck Converter ... 24

2.2.6.2 Boost Converter ... 27

2.2.6.3 Buck Boost Converter ... 32

2.2.6.4 Cuck Converter ... 34

2.2.6.5 Sepic Converter ... 35

2.2.7 Baterai (Aki) ... 35

2.2.8 Maximum Power Point Tracker (MPPT) ... 39

2.2.9 Algoritma Perturb and Observe ... 40

2.2.10 Inverter ... 41

2.2.11 MATLAB ... 42

ix

3.4.1 Data Karakteristik Turbin Angin ... 47

3.4.2 Pemodelan Sistem ... 48

3.4.2.1 Model Boost Konverter ... 49

3.4.3 Implementasi Algoritma Perturb and Observe ... 51

3.4.4 Analisis Sistem Turbin Angin ... 53

BAB IV HASIL DAN ANALISIS ... 54

4.1.Pemodelan Sistem Turbin Angin ... 54

4.2 Implementasi Algoritma Perturb and Observe... 62

4.2.1 Analisis Validitas ... 64

4.2.2 Analalisis Sensitivitas ... 66

4.3 Hasil Pemodelan Sistem Turbin Angin ... 67

4.3.1 Hasil Pemodelan Sistem Tanpa dilengkapi MPPT dan dengan dilengkapi MPPT ... 67

4.3.2 Hasil Pemodelan Pembangkit Listrik Tenaga Angin ... 74

4.4 Analisis Pengaruh karakteristik Terhadap Daya Keluaran Sistem Turbin Angin ... 76

4.4.1 Pengaruh Laju Angin terhadap Daya keluaran Sistem turbin Angin ... 76

4.4.2 Perbandingan Sistem Turbin Angin dengan dan tanpa MPPT ... 78

BAB V PENUTUP ... 80

5.1 Kesimpulan ... 80

5.2 Saran ... 81

DAFTAR PUSTAKA ... 82

LAMPIRAN ... 86

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Ilustrasi laju Angin ... 9

Gambar 2.2 Grafik daya output terhadap angin ... 12

x

Gambar 2.8 Rangkaian DC Chopper Tipe Buck dengan MOSFET OFF ... 26

Gambar 2.9 Rangkaian DC Chopper Tipe Boost ... 27

Gambar 2.10 Skema Boost Converter beserta Keluaranya ... 29

Gambar 2.11 MOSFET Boost Converter ON ... 30

Gambar 2.12 MOSFET Boost Converter OFF ... 30

Gambar 2.13 Gelombang keluaran DC Chopper Tipe Boost ... 31

Gambar 2.14 Rangkaian DC Chopper Tipe Buck Boost ... 33

Gambar 2.15 Rangkaian DC Chopper Tipe Cuck ... 35

Gambar 2.16 Rangkaian DC Chopper Tipe Sepic ... 35

Gambar 2.17 Instalasi baterai dan pengisiannya ... 38

Gambar 2.18 Karakteristik daya output dan torsi turbin angin dengan MPPT ... 39

Gambar 3.1 Flowchart Penelitian ... 46

Gambar 3.2 Rangkaian Boost Konverter ... 49

Gambar 3.3 Posisi dP/dV yang berbeda pada kurva daya ... 51

Gambar 3.4 Flowhchart Metode Perturb and Observe ... 52

Gambar 4.1 Diagram Blok Sistem ... 54

Gambar 4.2 Blok Simulink Sistem Turbin Angin ... 55

Gambar 4.3 Parameter Turbin Angin ... 56

Gambar 4.4 Model Wind Turbine ... 56

Gambar 4.5 Jenis Rotor PMSG ... 58

Gambar 4.6 Parameter PMSG ... 58

Gambar 4.7 Parameter Penyearah ... 59

Gambar 4.8 Rangkaian Boost Converter pada simulink ... 59

Gambar 4.9 Keluaran Boost Converter ... 60

Gambar 4.10 Parameter Baterai ... 61

Gambar 4.11 Parameter Inverter ... 61

Gambar 4.12 Flowchart Algoritma Perturb and Observe ... 62

Gambar 4.13 Grafik Pengaruh Laju Angin Terhadap Daya Keluaran Sistem Turbin Angin ... 67

Gambar 4.14 Model Sistem Turbin Angin tanpa MPPT... 67

Gambar 4.15 Model Sistem Turbin Angin dengan MPPT ... 68

Gambar 4.16 Grafik Hubungan Daya keluaran dengan hambatan 50–300 ohm dengan laju angin 4,5 m/s ... 71

xi

Gambar 4.20 Grafik Hubungan Daya keluaran dengan hambatan 50–300 ohm

dengan laju angin 9 m/s ... 73

Gambar 4.21 Grafik Hubungan Daya keluaran dengan hambatan 50–300 ohm dengan laju angin 10 m/s ... 73

Gambar 4.22 Rangkaian Pembangkit Listrik Tenaga Angin pada Simulink dilengkapi MPPT ... 74

Gambar 4.23 Grafik Tegangan pada Beban ... 75

Gambar 4.24 Grafik Arus pada Beban ... 75

Gambar 4.25 Grafik SOC ... 76

Gambar 4.26 Grafik Perbandingan Laju Angin dengan Laju Rotor Turbine ... 78

Gambar 4.27 Perbandingan daya listrik sistem turbin angin dengan dan tanpa MPPT ... 79

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Kondisi Angin ... 10

Tabel 2.2 Standar kelas laju angin ... 11

xii

Tabel 4.3 Daya Beban Resistance Tanpa MPPT dan Menggunkan MPPT untuk Laju Angin 4,5 m/s... ... 68 Tabel 4.4 Daya Beban Resistance Tanpa MPPT dan Menggunkan MPPT untuk

Laju Angin 6,5 m/s... ... 69 Tabel 4.5 Daya Beban Resistance Tanpa MPPT dan Menggunkan MPPT untuk

Laju Angin 7 m/s... ... 69 Tabel 4.6 Daya Beban Resistance Tanpa MPPT dan Menggunkan MPPT untuk

Laju Angin 8,5 m/s... ... 69 Tabel 4.7 Daya Beban Resistance Tanpa MPPT dan Menggunkan MPPT untuk

Laju Angin 9 m/s... ... 70 Tabel 4.8 Daya Beban Resistance Tanpa MPPT dan Menggunkan MPPT untuk

Laju Angin 10 m/s... ... 70 Tabel 4.9 Pengaruh Laju Angin Terhadap Laju Rotor dan Daya Keluaran dengan

menggunakan Metode Perturb and Observe.

Sumber energi angin bisa menjadi sumber energi alternatif untuk mengurangi ketergantungan pada sumber energi fosil seperti minyak bumi. Energi angin ini dapat dimanfaatkan sebagai alternatif sumber tenaga listrik melalui Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Saat ini di Indonesia Pembangkit Listrik tenaga Angin pemanfaatannya belum menjanjikan. Hal ini diakibatkan oleh kurang optimalnya daya yang dihasilkan seiring dengan perubahan kecepatan angin. Untuk meningkatkan daya keluaran pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin pada penelitian ini dibahas tentang pencarian titik daya maksimum dengan menerapkan maximum power point tracker (MPPT) menggunakan metode Perturb and Observe. Metode ini bekerja dengan cara perturbing (menaikkan atau menurunkan) duty cycle. Dari hasil simulasi didapatkan perbedaan daya yang dihasilkan antara sistem dengan menggunakan MPPT dan tanpa MPPT. Sistem Turbin Angin mengahasilkan daya yang lebih besar ketika menggunakan MPPT dengan metode Perturb and Observe.

Method.

Wind energy could become an alternative energy sources to reduce the dependence on fossil energy sources such as crude oil. Wind energy can be used as an alternative source of electric power through the Wind Power. Currently, the utilization of wind power in Indonesia has not been promising. It is caused by the lack of generated optimal power along with changes in wind speed. This research discusses about finding a point of maximum power by implementing maximum power point tracker (MPPT) using the method Perturb and Observe to increase the output power at wind energy power plants. This method works by perturbing (increase or decrease) the duty cycle. From the simulation results obtained difference between the powers generated by the system using the MPPT and without MPPT. Wind Turbine System results in greater power when using MPPT with Perturb and Observe method.

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dalam kehidupan manusia energi memiliki peran yang sangat penting. Seiring dengan itu maka kebutuhan akan energi menjadi meningkat dan

diikuti dengan semakin mahalnya harga bahan bakar minyak, khususnya energi listrik yang ada di Indonesia. Dengan meningkatnya kebutuhan akan

energi listrik maka dibutuhkan pula sumber energi listrik alternatif selain dari PLN. Kondisi geografis negara Indonesia yang terdiri atas ribuan pulau dan kepulauan, tersebar dan tidak meratanya pusat-pusat beban listrik,

rendahnya tingkat permintaan listrik di beberapa wilayah, tingginya biaya marginal pembangunan sistem suplai energi listrik serta terbatasnya

kemampuan finansial, merupakan faktor-faktor penghambat penyediaan energi listrik dalam skala nasional.

Kebutuhan energi dan masalah lingkungan tersebut akan mengharuskan

adanya sistem pembangkit energi baru dengan efisiensi yang lebih besar dan lebih bersahabat dengan lingkungan. Sehingga perlu dilakukan usaha-usaha

untuk mengurangi ketergantungan pada sumber energi minyak bumi melalui diversivikasi sumber energi termasuk pengembangan energi alternatif yang memenuhi persyaratan energi masa depan yang murah,

Ada banyak macam sumber energi terbarukan yang ada seperti sumber energi angin yang tersedia melimpah di alam dan ramah lingkungan.

Berdasarkan data dari Departemen ESDM tahun 2006, Indonesia mempunyai potensi energi angin sebesar 9.29 GW dan sudah terpasang

sebesar 0.0005 GW. Saat ini pemerintah telah mengeluarkan roadmap pemanfaatan energi terbarukan yang menargetkan kapasitas terpasang energy terbarukan hingga tahun 2025 mencapai 17% [1].

Ada beberapa cara untuk meningkatkan kapasitas daya listrik Pembangkit Listrik Tenaga Angin yaitu yang pertama dengan menambah

jumlah pembangkit atau yang kedua dengan cara mengoprasikan Pembangkit Listrik Tenaga angin secara optimal. Dalam penelitian ini, digunakan teknologi MPPT untuk mengoptimalkan daya keluaran

Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan cara mencari daya listrik maksimum pada laju angin yang telah ditentukan.

Terdapat 19 algoritma MPPT antara lain Hill Climbing, Peturb and Observe, Fuzzy Logic Control, Neural Network, dan lain-lain [2]. Dengan algoritma MPPT tersebut dapat digunakan untuk menelusuri daya maksimal

yang dapat dihasilkan pembangkit listrik.

Algoritma MPPT ini diimplementasikan pada suatu rangkaian DC-DC

Converter, Buck Converter, Buck-Boost Converter, dan Cuck Converter. Tiap Jenis converter memiliki fungsi dan karakteristik masing-masing.

Dalam penelitian ini akan digunakan metode Perturb and Observe untuk menelusuri daya maksimum yang mampu dihasilkan oleh Pembangkit

Listrik Tenaga Angin.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang maka dapat dirumuskan masalah sebagai berikut :

1. Bagaimana memodelkan Sistem Turbin Angin yang dilengkapi dengan MPPT ?

2. Bagaimana pengaruh laju angin terhadap daya listrik keluaran yang

dihasilkan oleh Sistem Turbin Angin ?

3. Bagaimana perbandingan daya keluaran yang didapatkan oleh Sistem

Turbin Angin yang dilengkapi MPPT dengan metode Perturb and Observe ?

4. Bagaimana perbandingan Sistem Turbin Angin yang dilengkapi MPPT

dengan Sistem Turbin Angin yang tidak dilengkapi MPPT ?

1.3. Batasan Masalah

Agar masalah yang akan dibahas menjadi jelas dan tidak banyak menyimpang dari topik maka penulis menekankan pada beberapa hal, yaitu

1. Simulasi dan analisis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB.

2. Sistem yang akan dirancang dalam penelitian ini adalah Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin , yang akan di analisis daya keluaran

yang dihasilkan oleh Sistem Turbin Angin yang dilengkapi MPPT dengan metode Perturb and Observe. Kemudian akan dilakukan perbandingan dengan Sistem Turbin Angin tanpa dilengkapi MPPT.

3. Pitch angle pada turbin bernilai konstan.

4. Penggunaan baterai sebagai penyimpanan dari Pembangkit Listrik

Tenaga Angin tidak dibahas secara mendalam.

1.4. Tujuan

Tujuan penelitian tugas akhir ini adalah :

1. Memodelkan dan mensimulasikan Sistem Turbin Angin yang

dilengkapi MPPT dengan metode Perturb and Observe untuk mendapatkan daya keluaran yang maksimal, menggunakan perangkat lunak MATLAB/Simulink.

2. Menganalisis daya yang dapat dihasilkan oleh Sistem Turbin Angin yang dilengkapi MPPT dengan Metode Perturb and Observe.

3. Mengetahui perbandingan daya keluaran antara Sistem Turbin Angin tanpa dilengkapi MPPT dengan Sistem Turbin Angin dengan dilengkapi

1.5. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi ini terdiri dari lima bab, dengan

sistematika sebagai berikut : BAB 1 PENDAHULUAN

Berisi mengenai latar belakang, tujuan penulisan, perumusan masalah, pembatasan masalah,manfaat penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB 2 TINJUAN PUSTAKA

Mendeskripsikan teori dasar mengenai Angin, Pembangkit Listrik Tenaga

Angin, Turbin Angin serta jenisnya, PMSG, Penyearah, Baterai, Konverter DC-DC, Inverter, MPPT dan Metode Perturb and Observe.

BAB 3 METODE PENELITIAN

Membahas mengenai metodologi penelitian yang akan dilakukan meliputi

studi literatur, alat dan bahan penelitian, pemodelan Sistem Turbin Angin pada simulink, pemodelan DC-DC Konverter, implementasi algoritma Perturb and Observe pada MPPT dan analisis Sistem Turbin Angin.

BAB 4 HASIL DAN ANALISIS

Berisi mengenai hasil simulasi yang akan dianalisis.

BAB 5 PENUTUP

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Tinjauan Pustaka

Kurangnya efisiensi daya yang dihasilkan pada suatu sistem turbin ketika

terjadi perubahan pada beban atau laju angin, mengakibatkan sistem turbin menghasilkan daya yang tidak maksimal. Agar sistem turbin mampu menghasilkan daya yang maksimal maka perlu dilakukan optimasi, salah

satunya menggunakan MPPT. Terdapat berbagai metode yang digunakan dalam MPPT agar dapat mendapatkan titik daya maksimum pada suatu

sistem turbin.

Penelitian [3] ini dilakukan studi tentang turbin angin sistem mandiri (stand-alone) serta dibahas mengenai pemodelan terhadap pelacakan titik

daya maksimum dengan menggunakan MPPT (Maximum Power Point Tracker) dengan metode gradient approximation. Metode tersebut bekerja

dengan mengukur tegangan dan arus pada beban, kemudian merubah besar duty cycle pada konverter DC-DC untuk mendapatkan daya maksimal. Untuk mendapatkan tegangan output AC dipergunakan single phase full

bridge inverter. Dari hasil simulasi menunjukkan perbandingan daya rata-rata tanpa MPPT dengan daya maksimum = 79.408% dan perbandingan

Penilitian [4] Ada beberapa cara untuk meningkatkan kapasitas daya listrik Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) misalnya dengan

menambah jumlah pembangkit, namun cara ini cukup mahal, karena harus membangun pembangkit baru. Cara lain yaitu dengan meningkatkan

efisiensi daya keluaran listrik pembangkit listrik tenaga bayu yang sudah ada. Salah satu cara adalah menggunakan teknologi Maximum Power Point Tracking (MPPT). Dimana teknologi ini mampu menaikkan keluaran daya

listrik generator pada saat terjadi perubahan laju angin. Dalam Penelitian ini, teknologi MPPT bertugas mengatur tegangan keluaran generator

melalui rangkaian DC- DC Converter jenis Cuk Converter, dimana teknik pensaklarannya menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) dengan mengatur besarnya duty cycle. Perubahan nilai duty cycle tergantung dari

besar kecilnya laju angin, sehingga untuk mengatur nilai duty cycle dan mempercepat respon pensaklaran control PWM digunakan sebuah

algoritma modern yaitu Fuzzy Logic Controller (FLC). Hasil penelitian menunjukkan bahwa, dengan teknologi MPPT berbasis FLC mampu meningkatkan prosentasi efisiensi daya keluaran PLTB dari 45.5% menjadi

87%.

Penelitian [5_{] menjelaskan bahwa selama ini sumber energi utama yang}

dikonversi menjadi energi listrik berasal dari sumber energi fosil yang mana

dengan baik. Dengan kata lain, sumber energi alternatif tersebut haruslah merupakan energi terbarukan. Beberapa sumber energi terbarukan yang kini

sedang terus dikembangkan, antara lain adalah energi angin, energi surya, energi panas bumi, dan lain-lain. Diantara sumber energi terbarukan

tersebut, di Indonesia energi angin merupakan sumber energi yang paling kecil tingkat pemanfaatannya, yakni hanya sebesar 3,07 MW atau sekitar 0,03% potensi yang ada. Pada penelitian ini, sistem turbin angin dimodelkan

secara matematis. Proses pengoptimalan daya keluaran sistem turbin angin dilakukan dengan menerapkan maximum power point tracking (MPPT)

dengan algortima particle swarm optimization (PSO) pada kecepatan angin yang berubah-ubah. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan mengimplementasikan MPPT dengan metode PSO pada sistem turbin

angin, efisiensi rata-rata sistem turbin angin dapat meningkat sebesar 25 % dan memberikan respon yang baik pada kecepatan angin yang

berubah-ubah.

2.2. Dasar Teori 2.2.1. Angin

Angin merupakan pergerakan udara dipermukaan bumi yang

diakibatkan oleh adanya perbedaan tekanan udara di satu lokasi dibandingkan dengan lokasi lainnya. Angin akan bertiup dari wilayah yang bertekanan udara lebih tinggi menuju ke wilayah yang bertekanan udara

udara akibat persamaan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahri. Gerakan udara tersebut menimbulkan adanya energi kinetik yang bisa

dimanfaatkan menjadi energi mekanik dan energi listrik. Aliran angin bisa diilustrasikan sesuai Gambar 2.1.

Keterangan :

a : amplitude c : nilai maksimum angin b : rise time d : waktu saat angin turun

2.2.1.1. Pemanfaatan Energi Angin

Pemanfaatan tenaga angin diperkirakan dapat dilakukan untuk

keperluan-keperluan seperti halnya membangkitkan tenaga listrik. Namun tidak semua jenis angin dapat digunakan untuk memutar turbin pembangkit

listrik tenaga angin. Pada tabel 2.1 akan ditunjukan kondisi angin sedangkan pada tabel 2.2 akan menunjukan nilai kondisi dimana laju angin bisa dimanfaatkan untuk pembangkit listrik pada ketinggian 10 meter diatas

permukaan tanah.

Tabel 2.1. Kondisi Angin Tabel Kondisi Angin Kelas angin Laju angin

(m/d)

laju angin

(km/jam) laju angin (knot/jam)

Tabel 2.2. Standar kelas laju angin

Tingkat laju Angin 10 meter diatas permukaan tanah Kelas Angin Laju Angin (m/s) Kondisi Alam di daratan

1 0,00 – 0,02 -

2 0,3 – 1,5 Angin tenang, asap lurus keatas

3 1,5 – 3,3

Wajah terasa ada angin, daun-daun bergoyang pelan, petunjuk arah angin

bergerak

4 3,4 – 5,4 Asap bergerak mengikuti arah angin

5 5,5 – 7,9

Debu jalan, kertas berterbangan, ranting bergoyang pelan petunujk arah

angin bergerak

6 8,0 – 10,7 Ranting pohon bergoyang, bendera

berkibar

7 10,8 – 13,8 Ranting pohon besar bergoyang, air

plumpang berombak kecil

Dari tabel 2.2 dapat diketahui bahwa angin pada kategori kelas 3 adalah

Hubungan laju angin dan daya output dapat digambarkan dengan grafik Gambar 2.2. Pada grafik ini laju angin bisa mengalami tiga kondisi yaitu :

cut in, nominal dan cut out.

Gambar 2.2 Grafik daya output terhadap angin [7]

Laju Cut-In (Cut-in speed) atau laju angin terendah dimana turbin angin

mulai menghasilkan listrik. Laju angin yang terlalu besar juga harus dibatasi hal ini dikarenakan agar tidak ada kerusakan pada turbin dan

generator, dalam hal ini laju maksimum yang diperbolehkan disebut cut-out speed. Pada garfik diatas ditunjukan hubungan antara laju angin dengan daya yang diperoleh melalui turbin angin.

2.2.1.2. Kandungan Energi dalam Angin

Besar energi kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang bermassa m dan laju v adalah :

E = mv2 (2.1)

Cut In

Rated

Keterangan : E = energi (Joule)

m = massa udara (kg)

v = laju angin (m/s)

Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa

jenis udara (� dan berbanding lurus dengan kuadrat dari laju.

Bila suatu blok udara yang mempunyai penampang A m2 , dan bergerak

dengan v m/s, maka jumlah massa yang melewati suatu tempat adalah :

m = A.v.q (2.2)

Keterangan : A = Penampang (m2₎

v = laju angin (m/s)

q = kepadatan udara (kg/m3)

2.2.2. Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin adalah suatu pembangkit

listrik yang menggunakan energi angin sebagai sumber energi untuk menghasilkan energi listrik. Pembangkit ini dapat mengkonversikan energi

angin menjadi energi mekanik yang akan menggerakan turbin, kemudian mengubah energi mekanik tersebut menjadi energi listrik dengan generator. Dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari gerakan

Pembangkit Listrik Tenaga Angin ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam menghasilkan listrik. Pembangkit listrik telah

ada dipasaran memiliki kapasitas Watt per jam 200, 400, 500, 1000, 2000, dan 3000 Watt. Pembangkit ini tidak bisa dioperasikan pada sembarang

tempat karena medan yang akan dipasang hasus memiliki laju angin yang tinggi dan stabil seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.2. Oleh sebab itu sebelum diputuskan untuk membangun Sistem Pembangkit Listrik Tenaga

Angin harus dilakukan studi potensi terlebih dahulu pada lokasi tersebut.

2.2.3. Turbin Angin

Turbin angin adalah bagian dari Pembangkit Listrik Tenaga Angin yang berfungsi untuk mengubah energi angin menjadi energi mekanik yang

akan memutar poros turbin dan selanjutnya menjadi energi listrik melalui sebuah generator. Sistem konversi energi angin ini merupakan suatu sistem

yang berfungsi untuk mengubah energi angin menjadi energi listrik, mekanis, atau bentuk energi lainnya.

Turbin angin mengambil energi angin dengan menurunkan lajunya. Untuk

bisa mencapai 100% efisien, maka sebuah turbin angin harus menahan 100% laju angin yang ada, dan rotor harus terbuat dari piringan solid dan

Terdapat dua jenis turbin angin, yaitu turbin angin sumbu vertikal dan turbin angin sumbu horizontal. Perbedaan dari jenis turbin angin tersebut dapat

dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3. Turbin angin sumbu horizontal dan vertikal[7]

A. Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin horizontal atau disingkat dengan TASH memiliki poros

utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin angin horisontal memiliki shaft rotor dan generator pada puncak tower dan harus diarahkan

ke arah angin bertiup. Turbin-turbin kecil mengarah ke angin dengan menggunakan winde plane yang diletakkan dirotor, sementara untuk turbin yang lebih besar dilengkapi dengan sensor yang terhubung dengan sebuah

yang ditransfer ke generator menjadi lebih cepat. Turbin angin sumbu

horizontal memiliki kelebihan dan kekurangan yaitu :

a. Kelebihan Turbin Angin Sumbu Horizontal

Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat

di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, laju

angin meningkat sebesar 20%.

b. Kekurangan Turbin Angin Sumbu Horizontal

1. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter

sulit diangkut, diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

2. Turbin yang tinggi harus diletakkan pada daerah yang aman dari lokasi lintasan pesawat untuk menghindari kecelakaan.

3. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu pemandangan.

4. Membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan

kincir ke arah angin.

5. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah –

B. Turbin Angin Sumbu Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal / tegak (atau TASV) memiliki poros /

sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan

ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah

diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag / gaya yang menahan

pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar. Adapun kelebihan dan kekurangan dari Turbin Angin Sumbu Vertikal, yaitu :

a. Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal :

1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

2. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah. 3. Memiliki tip speed ratio (perbandingan antara laju putaran dari ujung

sebuah bilah dengan laju angin sebenarnya) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusuk di saat angin berhembus kencang.

b. Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal :

1. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan

membutuhkan energi untuk memulai berputar.

2. Umumnya jenis turbin ini hanya memproduksi 50% energi dari efisiensi

TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar. 3. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih

kencang di elevasi yang lebih tinggi.

2.2.3.1. Pemodelan Turbin Angin

Daya yang dihasilkan oleh turbin angin (P) akan dipengaruhi oleh

densitas udara (�), Panjang jari-jari dari blade (R), laju angin (V), dan

koefisien daya (Cp) [9],

� = 0.5 ��3�2�� (2.3)

Keterangan :

� = kerapatan udara (biasanya 1.22 kg/m3)

�� = koefisien daya dari wind turbine

� = Panjang jari-jari dari blade (dalam meter)

� = laju angin (dalam m/s)

Koefisien daya bergantung pada nilai rasio laju (�) dan besarnya

sudut pada blade (�). Rasio laju (speed ratio) adalah perbandingan

dihasilkan pada low speed shaft Ωwt), dengan laju angin (V) [9], yang

dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

λ =RΩw_� (2.4)

Nilai koefisien daya bisa didapatkan dengan menggunakan persamaan

sebagai berikut [10]:

�� (�,�) = 0.22 (

λ� − 0. β − . � .5

λ� (2.5)

λ�

=

λ+ . β

−

.

β + (2.6)

Torsi yang dihasilkan oleh turbin angin bergantung dari daya yang

dihasilkan, dan laju turbin angin pada ssat itu [9].

� =_{Ω 2.7}�

Dengan mensubtitusikan persamaan 2.5 didapatkan :

Twt = � �3_�2_�

q (2.8)

Dimana :

Cq= �

λ (2.9)

2.2.4. Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)

Generator Pemanen Magnet (PMG) merupakan generator sinkron

yang medan eksitasi dihasilkan oleh magnet permanen bukan kumparan sehingga fluks magnetik dihasilkan oleh medan magnet permanen.

Generator permanen magnet merupakan generator yang biasa digunakan untuk industri maupun ketenagaan , mereka umumnya digunakan untuk mengubah output daya mekanik turbin uap, turbin gas, mesin reciprocating,

turbin air dan turbin angin menjadi tenaga listrik untuk grid bahkan sebagai generator pada mobil listrik. Dalam generator magnet permanen, medan

magnet rotor dihasilkan oleh magnet permanen sehingga tidak memerlukan arus eksitasi DC. Magnet Permanen yang besar dan mahal yang membatasi peringkat ekonomi mesin sehingga kepadatan fluks magnet permanen

kinerja tinggi terbatas. Kepadatan fluks tersebut juga mengakibatkan fluks sulit diatur sehingga tegangan dan arus keluaran generator tidak dengan

mudah diatur seperti generator dengan lilitan.

Pada Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG), medan magnet diberikan tidak melalui elektromagnetik melainkan melalui magnet

permanen. Dalam hal ini, fluks medan tetap konstan dan supply untuk mengeksitasi kumparan medan tidak diperlukan, begitupula dengan

keberadaan sliprings. Penggunaan PMSG ini memeliki beberapa keuntungan, diantaranya [5]:

1. Torsi dan daya keluaran yang dihasilkan lebih besar dibandingkan

2. Respon dinamis yang lebih baik dibandingkan menggunakan eksitasi elektromagnetik.

3. Tidak ada energi listrik yang diserap oleh sistem eksitasi medan, dengan demikian tidak akan ada rugi-rugi eksitasi sehingga effisiensi

akan meningkat.

4. Rugi-rugi tembaga lebih kecil.

2.2.5. Penyearah

Rangkaian penyearah (Rectifier) merupakan salah satu jenis rangkaian elektronika daya yang dapat mengubah tegangan bolak-balik

(AC) menjadi tegangan searah (DC). Penyearah dibedakan menjadi 2 jenis, penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk penyearah gelombang penuh dibedakan menjadi

penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT),dan penyearah gelombang penuh dengan menggunakan dioda bridge.Rectifier merupakan

peralatan elektronika yang digunakan untuk mengubah tegangan listrik AC menjadi DC.

Listrik AC keluaran PMSG akan disearahkan oleh penyearah Diode

gelombang penuh tiga phasa menggunakan sistem jembatan dengan enam buah Diode R1, R3 dan R5 katodanya disatukan sebagai terminal positif. Diode R4, R6 dan R2 anodanya yang disatukan sebagai terminal negatif

pulsa yang dihasilkan oleh masing-masing Diode tersebut. Tegangan DC yang dihasilkan halus karena tegangan riak (ripple) dan lenih rata.

Gambar 2.4. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh 3 Phasa [11] Urutan konduksi dari keenam Diode dapat dilihat dari siklus gelombang sinusoida, dimana konduksi secara bergantian. Konduksi

dimulai dai Diode R1+R6 sepanjang sudut komutasi 600. Berturut-turut disusul Diode R1+R2, lanjutnya Diode R3+R2, urutan keempat R3+R4,

Gambar 2.5. Bentuk Gelombang Penyearah Penuh 3 Phasa [11] Persamaan tegangan dan arus penyearah Diode gelombang penuh :

Udi=1,35 . U1 (2.10)

Keterangan :

Udi = Tegangan searah ideal

Ud = Tegangan searah

U1 = Tegangan efektif

�_� =

� (2.11)

Keterangan :

Iz = Arus melewati Diode Id = Arus searah

PT = 1,1 . Pd (2.12)

Keterangan :

PT = Daya transformator

2.2.6. Konverter DC-DC

Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching)

mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linear. Oleh karenanya,hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal sepagai SMPS (Switched Mode Power

Supply). Komponen utama dari sistem catu-daya adalah konverter dc-dc yang berfungsi untuk mengkonversikan daya elektrik bentuk dc (searah) ke

bentuk dc lainnya.

Secara umum, konverter DC-DC berfungsi untuk mengkonversikan

daya listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik DC lainnya yang terkontrol arus, atau tegangan, atau dua-duanya. Ada lima rangkaian dasar dari konverter DC-DC non-isolasi, yaitu buck, boost, buck-boost, cuk, dan sepic.

2.2.6.1. Buck Converter

Konverter jenis buckmerupakan konverter penurun tegangan yang

mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya

Gambar 2.6. Rangkaian DC Chopper Tipe Buck [12]

Secara umum, komponen-komponen yang menyusun DC Chopper

tipe Buck adalah sumber masukan DC, MOSFET, Dioda Freewheeling, Induktor, Kapasitor, Rangkaian Kontrol, serta Beban (R). MOSFET digunakan untuk mencacah arus sesuai duty cycle sehingga keluaran DC Chopper dapat sesuai dengan yang diinginkan. Rangkaian kontrol digunakan untuk mengendalikan MOSFET. Diode Freewheeling digunakan

untuk mengalirkan arus yang dihasilkan induktor ketika MOSFET off.

Kinerja dari DC Chopper tipe Buck dibagi menjadi 2 kerja utama

yaitu :

1. Ketika MOSFET on (tertutup) dan diode off, arus mengalir dari sumber menuju ke induktor, disaring dengan kapasitor, lalu ke beban, kembali

Gambar 2.7. Rangkaian DC Chopper Tipe Buck dengan MOSFET ON [12]

2. Ketika MOSFET off (terbuka) dan diode on, arus yang disimpan

induktor dikeluarkan menuju ke beban lalu ke diode freewheeling dan kembali lagi ke induktor.

Gambar.2.8. Rangkaian DC Chopper Tipe Buck dengan MOSFET OFF [12]

Pada rangkaian DC Chopper Tipe Buck dapat diketahui bahwa semakin besar duty cyle maka semakin besar pula tegangan keluaran yang

dihasilkan. Namun keluaran tersebut selalu lebih kecil atau sama dengan masukan DC Chopper. Maka diperoleh persamaan sebagai berikut:

Vout = D*Vin (2.13)

Dimana :

Vin = Tegangan Masukan

D = Duty Cylce

2.2.6.2. Boost Converter

Boost Converter berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran

yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin. Untuk

mendapatkan tegangan yang lebih tinggi daripada masukannya, tipe Boost ini menggunakan komponen switching untuk mengatur duty cyle-nya. Komponen switching tersebut dapat berupa thyristor, MOSFET, IGBT, dan lain-lain. Rangkaian DC Chopper tipe Boost akan ditunjukan pada gambar 2.9. dan gambar 3.1

Gambar 2.9. Rangkaian DC Chopper Tipe Boost[13]

Seperti halnya DC Chopper Tipe Buck, komponen-komponen yang menyusun DC Chopper Tipe Boost (Boost Converter) adalah

Kapasitor, Rangkaian Kontrol, serta Beban (R). MOSFET digunakan untuk mencacah arus sesuai dengan duty cycle sehingga keluaran DC chopper dapat sesuai dengan yang diinginkan. Rangkaian Kontrol digunakan untuk mengendalikan MOSFET, sehingga MOSFET

mengetahui kapan dia harus membuka dan kapan harus menutup aliran arus. Induktor digunakan untuk menyimpan energi dalam bentuk arus. Energi tersebut disimpan ketika kondisi MOSFET on dan dilepas ketika

kondisi MOSFET off. Diode Freewheeling digunakan untuk mengalirkan arus yang dihasilkan induktor ketika MOSFET off dengan bias maju.

A. Prinsip Kerja DC Chopper Tipe Boost

MOSFET yang digunakan pada rangkaian DC Chopper tipe Boost adalah bertindak sebagai saklar yang dapat membuka atau menutup rangkaian

sehingga arus dapat dikendalikan sesuai duty cycle yang diinginkan. Skema secara umum dari DC Chopper Tipe Boost dapat terlihat pada

Gambar 2.10. Skema Boost Converter beserta Keluaranya [13]

Kinerja dari DC Chopper tipe Boost dapat dibagi menjadi 2 kerja utama, yaitu :

1. Ketika MOSFET on (tertutup) dan diode off, arus mengalir searah jarum jam dari sumber menuju ke induktor (terjadi pengisian arus pada

Gambar 2.11. MOSFET Boost Converter ON [13]

2. ketika MOSFET off (terbuka) dan diode on, aarus yang disimpan di induktor akan berkurang karena impedansi yang lebih tinggi. Berkurangnya arus pada induktor menyebabkan induktor tersebut melawannya dengan membalik polaritasnya (lebih negatif pada posisi

kiri). Sehingga, arus yang mengalir pasa diode dan pada beban adalah penjumlahan antara arus pada sumber dan arus pada induktor (seri).

Disaat yang bersamaan kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya DC Chopper Tipe Boost memiliki keluaran yang lebih tinggi dibandingkan masukannya. .

Gambar 2.12 menunjukan ketika MOSFET dalam kondisi off.

Dari rangkaian DC Chopper Tipe Boost pada gambar 2.11 dan gambar 2.12, didapatkan hasil gelombang keluaran seperti pada gambar

2.13.

Gambar 2.13. Gelombang keluaran DC Chopper Tipe Boost [13]

Dari gambar 2.13 dapat dilihat bahwa arus pada beban (IL) akan

naik secara linier ketika MOSFET dalam kondisi OFF dan turun secara linier pula ketika MOSFET dalam kondisi ON. Namun penurunan arus bebab (IL) tersebut tidak mencapai nol. Sehingga gambar 2.13 dapat

Dari gambar 2.13 dapat diketahui bahwa semakin besar duty cyle, maka semakin besar pula tegangan keluaran yang dihasilkan DC Chopper Tipe

Boost. Namun, tegangan keluaran tersebut selalu lebih besar atau sama dengan masukan DC Chopper. Semakin besarnya duty cycle dapat dilihat

dari semakin besarnya area yang diwarnai biru muda pada gambar 2.13 Hubungan antara tegangan masukan dan keluaran tipe Boost dapat digambarkan melalui persamaan berikut:

�

��

=

− (2.14)

2.2.6.3. Buck Boost Converter

Konverter buck-boost dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih

rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya. Skema konverter ini dapat dilihat pada gambar 2.14. Rangkaian kontrol daya penyaklaran akan

memberikan sinyal kepada MOSFET. Jika MOSFET OFF maka arus akan mengalir ke induktor, energi yang tersimpan di induktor akan naik. Saat saklar MOSFET ON energi di induktor akan turun dan arus mengalir

menuju beban. Dengan cara seperti ini, nilai rata-rata tegangan keluaran akan sesuai dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan

Gambar 2.14. Rangkaian DC Chopper Tipe Buck Boost [14]

Prinsip kerja dari konverter ini adalah :

1. Ketika switch closed : maka tegangan input langsung terhubung dengan induktor sehingga energi terkumpul pada induktor, dan pada saat yang sama kapasitor menyuplai energi ke beban.

2. Ketika switch opened : maka induktor terhubung dengan output dan juga kapasitor, sehingga energi ditransfer dari induktor ke kapasitor

dan beban.

3. Buck-boost konverter memiliki polaritas tegangan output terbalik dari tegangan input.

Masalah utama dari konverter buck-boost adalah membutuhkan tapis induktor dan kapasitor yang besar di kedua sisi masukan dan keluaran

konverter, karena konverter dengan topologi seperti ini menghasilkan riak arus yang sangat tinggi. Adapun yang perlu diperhatikan juga disini adalah

dengan sumber tegangan masukan. Persamaan yang diperoleh untuk mengontrol tegangan output pada Buck Boost Converter, sebagai berikut :

(2.15)

� � = −_.� � (2.16)

� =

_∆.�� . _.�.�

(2.17)

Dimana :

Lmin = induktansi induktor (Henry) R = resistansi resistor (ohm)

F = frekuensi swtiching (Hz) C = kapasitansi kapasitor (farad)

∆Vout = ripple tegangan keluaran (volt)

2.2.6.4. Cuck Converter

Seperti halnya tipe buck-boost, konverter DC-DC tipe ini juga dapat

menghasilkan tegangan keluaran yang lebih kecil ataupun lebih besar

daripada sumber tegangan. Dengan tambahan induktor dan kapasitor pada sisi masukan, membuat topologi ini menghasilkan riak arus yang lebih kecil

daripada topologi buck-boost. Rangakaian dari DC Chopper tipe Cuck

Gambar 2.15. Rangkaian DC Chopper Tipe Cuck [14] 2.2.6.5. Sepic Converter

Konverter topologi ini adalah perbaikan dari topologi konverter DC-DC tipe cuk. Konverter topologi ini memungkinkan untuk menghasilkan tegangan keluaran yang berpolaritas sama dengan sumber tegangan

masukan. Rangkaian DC Chopper tipe Sepic dapat dilihat pada gambar 2.16.

Gambar 2.16. Rangkaian DC Chopper Tipe Sepic [14]

2.2.7. Baterai (Aki)

Baterai (Aki) merupakan elemen sekunder yang merupakan elemen

pelat yang dicelupkan dalam larutan asam-sulfat encer. Kedua kumpulan pelat dibuat dari timbal, sedangkan lapisan timbal dioksidaakan dibentuk

pada pelat positif ketika lemen pertama kalidimuati. Letak pelat positif dan negatif sangat berdekatan tetapi dicegah tidak langsung menyentuh oleh

pemisah yang terbuat dari bahan penyekat (isolator) persamaan yang diperoleh adalah [15]:

L = 2.p.l.n. (2.18)

dimana :

L = luas bidang plat positif (cm2) p = panjang plat positif (cm)

l = lebar plat positif (cm)

n = jumlah plat positif tiap-tiap sel

Kapasitas tiap cm2 plat positif = 0,03 sampai dengan 0,05 AH(ampere jam). Tiap sel akumulator timah hitam menghasilkan tegangan 2 volt.

Cara kerja aki sendiri dibagi menjadi 2 :

a. Cara kerja di dalam aki (reaksi kimia)

Pada akumulator (aki) timah hitam terjadi proses elektrokimia yang

bersifat reversible (dapat berbalikan), yaitu proses pengisian dan proses pengosongan. Setiap molekul cairan elektrolit asam sulfat (H2SO2)

akan terurai menjadi ion positif hydrogen (2H+) dan ion negatif sulfat (SO4 --). Tiap ion negatif sulfat akan bereaksi dengan katoda (Pb) menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil melepaskan dua elektron. Dua ion

sulfat (PbSO4) sambil mengambil dua elektron dan bersenyawa dengan atom oksigen membentuk H2O (mokekul air). Pengambilan dan

pelepasan elektron dalam proses kimia ini akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara katoda (kutub negatif) dan anoda (kutub positif).

Proses kimia di atas dapat dirumuskan sebagai berikut [15] :

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ——> PbSO4 + PbSO4 + 2H2O (2.19)

(sebelum pengosongan) (setelah pengosongan)

Proses kimia ini terjadi dalam proses pengosongan akumulator timah

hitam atau pada saat akumulator melayani beban. Setelah proses pengosongan, kedua plat negatif dan plat positif menjadi timah sulfat (PbSO4) dan cairan elektrolitnya menjadi cair (H2O), sehingga berat

jenisnya akan berkurang. setelah mengalami pengosongan, agar dapat dipakai melayani beban maka akumulator harus diisi lagi dengan dialiri

arus listrik DC. Pada proses pengisian akumulator dapat diuraikan sebagai berikut [15] :

PbSO2 + PbSO4 + 2H2O ——> PbO2 + Pb + 2H2SO4 (2.20)

Setelah proses pengisian, berat jenis cairan elektrolit akumulator akan

bertambah besar. Berat jenis larutan asam sulfat (asam belerang) H2SO4 sebelum pengisian adalah 1,190 gr/cm3 pada temperatur 15 oC (59 oF). Setelah diisi penuh berat jenis elektrolitnya (asam sulfat) antara 1,205 –

Gambar 2.17. Instalasi baterai dan pengisiannya [15] b. Cara kerja aki pada pembangkit

Pada pembangkit sendiri aki digunakan menurut bebannya,ada yang memerlukan langsung tegangan DC tanpa harus di konversikan ke

AC,adapun juga beban yang menggunakan tegangan AC.Jika demikian maka arus listrik DC yang dihasilkan ini akan dialirkan melalui suatu

inverter (pengatur tenaga) yang merubahnya menjadi arus listrik AC, dan juga dengan otomatis akan mengatur seluruh sistem. Listrik AC akan didistribusikan melalui suatu panel distribusi indoor yang akan

mengalirkan listrik sesuai yang dibutuhkan peralatan listrik. Walaupun dalam suatu pembangkit listrik juga dilengkapi dengan Emergency

Diesel Generator (EDG), namun memiliki fungsi dan pelayanan yang berbeda dengan sumber cadangan baterai aki. Biasanya kumpulan dari baterai aki tersebut dikenal dengan nama Battery bank.Baterai aki

2.2.8. Maximum Power Point Tracker _(MPPT)

Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah metode yang digunakan untuk daya keluaran sebagai pembangkit listrik. Pada pembangkit listrik tenaga angin, MPPT biasa digunakan untuk mengoptimalkan daya keluaran dari generator menggunakan converter daya

eleketronik.

MPPT dicapai dengan mengendalikan duty cycle dari dc-dc konverter. Ketika dc-dc converter dikendalikan, laju rotor juga dikendalikan untuk mendapatkan daya yang maksimum. Pada gambar 2.18 akan

menunjukan karakteristik daya output dan torsi terhadap laju rotasi turbin

(ωturbin).

Gambar 2.18. Karakteristik daya output dan torsi turbin angin dengan MPPT [16]

gambar diatas, titik operasi bisa bekerja pada slope positif (terletak pada sisi kiri dari Pm_max), slope nol (terjadi ketika titik operasi berada pada Pm_max)

dan slope negatif (terletak pada sisi kanan dari Pm_max).

Jika titik operasi terletak pada daerah slope positif, kontroler harus

memindahkan titik operasi ke slope negatif agar terletak pada sisi kiri dari Pm_max. Beberapa cara untuk mendapatkan MPPT di sistem turbin angin yaitu menggunakan lookup table berdasarkan parameter Cp . Daya mekanik

dari turbin angin maksimal terjadi pada saat turbin berada pada titik Cp maksimum.

2.2.9. Algoritma Perturb and Observe

Metode Perturb and Observe ini merupakan salah satu metode yang

dapat diimplementasikan pada MPPT. Perturb and Observe disebut juga dengan metode Hill Climbing [17_{]. Metode ini bekerja dengan cara}

perturbing (menaikkan atau menurunkan) duty cycle. Setiap kali perubahan duty cycle akan dilihat perubahan daya-nya. Bila daya yang sekarang lebih besar dibandingkan daya yang sebelumnya, maka duty cycle akan dinaikkan lagi. Bila daya yang sekarang lebih kecil dibandingkan daya yang

sebelumnya, maka duty cycle akan dikurangi. Karena itu, metode ini memerlukan input nilai daya output untuk mengetahui daya yang jatuh di

2.2.10.Inverter

Inverter merupakan rangkaian untuk mengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik. Teknik yang digunakan ialah teknik

switching, yakni dengan menyalakan dan mematikan switch secara bergantian sehingga terbentuk pulsa atau gelombang kotak dengan arah negatif dan positif. Teknik switching digunakan dengan memanfaatkan

transistor BC 337, BC 327, dan MOSFET IRF 540. Ketika dilakukan berkali-kali, maka tegangan DC yang hanya lurus satu arah akan berubah

menjadi sebuah sinyal kotak dengan kerapatan dan keregangan yang berbeda-beda. Dengan metode PWM (Pulse Width Modulation), kerapatan dan keregangan tersebut akan dibaca sebagai sinyal sinus. Ketika

gelombang kotaknya merapat, maka akan tegangan akan dibaca tinggi dan ketika renggang, maka artinya tegangan nya rendah, oleh karena itulah,

gelombang kotak yang rapat renggangnya periodis akan membentuk gelombang sinus yang periodis pula. Sehinggadari konsep ini, tegangan DC yang searah, akan menjadi gelombang sinus yang bolak-balik (tegangan

AC).

Berdasarkan bentuk gelombang output-nya inverter dapat dibedakan

menjadi 3 yaitu :

 Sine wave inverter, yaitu inverter yang memiliki tegangan output

memberikan supply tegangan ke beban (Induktor) atau motor listrik dengan efisiensi daya yang baik.

 Sine wave modified inverter, yaitu inverter dengan tegangan output

berbentuk gelombang kotak yang dimodifikasi sehingga menyerupai

gelombang sinus. Inverter jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah apabila digunakan untuk mensupplay beban induktor atau motor listrik.

 Square wave inverter,yaitu inverter dengan output berbentuk

gelombang kotak, inverter jenis ini tidak dapat digunakan untuk

mensupply tegangan ke beban induktif atau motor listrik.

2.2.11.MATLAB

MATLAB (matemathics laboratory atau matrix laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan komputasi numerik, merupakan suatu

bahasa pemrograman matematika lanjutan yang dibentuk dengan dasar pemikiran menggunakan sifat dan bentuk matriks. Dalam ilmu komputer, MATLAB didefinisikan sebagai bahasa pemrograman yang digunakan

untuk mengerjakan operasi matematika atau operasi aljabar matrix.

MATLAB (MATrix LABoratory) yang merupakan bahasa

pemrograman tingkat berbasis pada matrix sering digunakan untuk teknik komputasi numerik, digunakan untuk menyelesaikian masalah – masalah yang melibatkan operasi matematika elemen, matriks, optimasi,

a. Matematika dan komputasi b. Pengembangan dan algoritma

c. Pemrograman modeling, simulasi, dan pembuatan prototipe. d. Analisis data, eksplorasi , dan visualisasi.

e. Analisis numerik dan statistik f. Pengembangan aplikasi teknik.

SIMULINK merupakan bagian tambahan dari software MATLAB.

SIMULINK ialah suatu perangkat lunak yang dapat digunakan untuk membuat simulasi dalam bentuk/model sistem matematika. Didalam

simulink ini terdapat blok pustaka yang isinya meliputi antara lain [18] : 1. Sources mempunyai pustaka antara lain : clock, digital clock, signal

generator, constant, sine wave, step input, pulse generator random

number, from file, from workkspace, signal, band limited white noise, repeating squence.

2. Sinks mempunyai pustaka antara lain : scope, graph, stop simulation, XY graph, hit crossing, to workspace, to file, auto-scale garph.

3. Discrete mempunyai pustaka antara lain : unit delay, filter, discrete state-space, zeroorder hold, first order hold, discrete time integrator,

4. Linear mempunyai pustaka anatara lain : sum, integrator, gain, matrix gain, slider gain, transfer function, zero-pole, state space,

inner product, derivative.

5. Nonlinear mempunyai pustaka anatara lain : sign, relay, backlash,

saturation, quantizer, memory, transport delay, variable transport delay, matlab function, function, s-function, reset integrator, switch, combinatorial logic, logical operator, relational operator, product,

abs, look up table, 2-D look up table, dead zone, dan rate limiter. 6. Connections mempunyai pustaka antara lain : inport, outport, mux,

demux.

7. Extras mempunyai pustaka antara lain : simulink demos, most commonly used blocks, conversion, flip-flops, PID Controllers,

45

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Sumber Data

Sumber data yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Skripsi dan tesis tentang Turbin Angin, MPPT dan Perturb and Observe.

2. Artikel (Jurnal/Paper) mengenai Angin, Pembangkit Listrik Tenaga

Angin, Turbin Angin serta jenisnya, PMSG, Penyearah, Konverter DC-DC, MPPT dan Metode Perturb and Observe.

3. Buku mengenai Angin, Pembangkit Listrik Tenaga Angin, Turbin Angin serta jenisnya, PMSG, Penyearah, Konverter DC-DC, MPPT dan Metode Perturb and Observe.

3.2. Alat dan Bahan Penelitian

Adapun alat dan bahan yang digunakan untuk penelitian ini, yaitu :

1. Laptop

Laptop yang digunakan untuk melakukan simulasi pemodelan serta melakukan analisis hasil simulasi.

2. Software Matlab 2013

Pemodelan daan simulasi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin

menggunakan software Matlab dan perangkat simulink yang ada didalamnya.

3. Microsoft Office 2016

3.3. Diagram Alur Penelitian

Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini terdapat pada

flwochart pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Flowchart Penelitian

Mulai

Pengumpulan data sistem turbin angin

Perhitungan dan pemodelan sistem turbin angin

Analisis sistem turbin angin Implementasi algoritma Perturb and

3.4. Prosedur Penelitian

Dalam penelitian ini dilakukan beberapa prosedur, seperti dimulai

dengan analisis data karakteristik turbin angin, lalu dilakukan pemodelan sistem, setelah itu dilakukan pemodelan Boost Konverter, kemudian

pengimplementasian algoritma Perturb and Observe pada MPPT, dan terakhir analisis sistem turbin angin.

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas maka dibawah ini

diberikan penjelasan yang lebih menyeluruh dari setiap prosedur penelitian yang dilakukan.

3.4.1. Data Karakteristik Turbin Angin

Data turbin angin yang digunakan pada penelitian ini mengacu pada parameter data tubin angin penelitian [5]. Data turbin angin ditunjukan pada

tabel 3.1.

Tabel 3.1 Data performa turbin angin

Data Performa Turbin Angin

Model Turbin AF 1-24-0125 (406 PMG)

Blade Turbin 3 (28 deg blade pitch)

Laju Angin awal 2 m/s

Charging initiation wind 3 m/s Charging initiation RPM 258

Daya Output 24v & 48v 1000W (600W/12v)

Rated Wind Speed 12,5 m/s

Kecepatan (RPM) 200 – 800

Jenis Generator 3 phase Permanent Magnet

Jenis Keluaran Rectified DC (3Phase available

on request)

Berat 15kg

Noise Laeq 35dB @5m/s behind rotor

Noise Laeq 54dB @7m/s behind rotor

3.4.2. Pemodelan Sistem

Pembuatan pemodelan Sistem Turbin Angin dilakukan menggunakan software Matlab dan menggunakan perangkat lunak simulink

yang ada didalamnya. Pemodelan sistem pada simulink ini dilakukan setelah memperoleh data karakteristik turbin angin terlebih dahulu.

Pemodelan yang akan dibuat yaitu meliputi :

a. Membuat pemodelan sistem turbin angin dengan menggunakan software MATLAB/Simulink.

b. Pemodelan sistem turbin angin tanpa dilengkapi MPPT. c. Pemodelan sistem turbin angin dilengkapi MPPT.

Model yang telah dirancang, digunakan untuk mensimulasikan Sistem Turbin Angin. Parameter yang dipakai pada PMSG dalam pemodelan

3.4.2.1. Model Boost Konverter

Gambar 3.2. Rangkaian Boost Konverter [13]

Gambar 3.2 menunjukan sistem Boost Konverter yang digunakan pada sistem MPPT. Pada Boost Konverter ini variabel yang dikendalikan

adalah tegangan masukan Boost Konverter. 1. Penentuan Nilai Komponen Boost Konverter

Pada bab 2 telah dijelaskan mengenai penentuan nilai induktansi

pada induktor dan nilai kapasitansi pada kapasitor. Untuk merancang boost konverter, terelebih dahulu perlu diperhitungkan beberapa besaran

komponen aktif dan pasif yang akan digunakan pada rangkaian. Untuk menentukan nilai komponen induktor dan kapasitor, terlebih dahulu nilai duty cycle, maka perlu ditentukan dahulu nilai duty cycle. Rangkaian Boost Convereter ini harus dapat bekerja pada rentang duty cycle yang lebar, yaitu 0,01<D<0,99. Rangkaian Boost Converter ini diharapkan menghasilkan

tegangan keluaran yang memiliki ripple sebesar 1%. Jika diinginkan tegangan masukan sama dengan tegangan keluaran, maka nilai duty cycle

Berikut adalah parameter yang menjadi dasar perancangan Bosst Converter [21] :

 Beban resistance yang digunakan adalah RL= 100Ω.

 Switching frekuensi yang digunkan adalah f=500KHz

 Tegangan input Vs = 12 V

 Duty cycle D= 0,5

Dari data yang diteteapkan dapat dihitung nilai komponen yang digunakan yaitu :

Sebagai keterangan tambahan, diode memiliki tegangan reverse sebesar 0,8

Volt. Untuk merangkum penjelasan ini, tabel 3.2 menunjukan nilai tiap variabel yang terdapat pada rangkaian Boost Converter.

Tabel 3.2. Tabel Variabel Boost Converter

No Variabel Nilai

1. Va 24 V

3. C 0,000006 F

4. VD 0,8 Volt

3.4.3. Implementasi Algoritma Perturb and Observe_.

Untuk mendapatkan daya keluaran yang optimal maka pada sistem turbin angin dilakukan pencarian titik optimal melalui boost converter yang

dilengkapi MPPT dengan algoritma Perturb and Observe. Pengimplementasian algoritma ini mengacu pada penelitian [22]. Pada pengoperasian metode ini dibutuhkan dua parameter inti yaitu tegangan

input V(n) dan arus input I(n) dari wind turbine. Daya panel P(n) dapat diketahui dengan mengalikan dua parameter tersebut. Inti tracking dari

metode ini adalah menghitung kemiringan (slope). Pada gambar 3.3 dijelaskan bahwa, terdapat 3 jenis titik yang berada pada 3 posisi. Di sebelah kiri puncak dP/dV >0, dipuncak kurva dP/dV=0 dan di sebelah kanan

puncak dP/dV<0.

Bila kenaikan tegangan sel ternyata menaikkan daya keluaran maka sistem akan menaikkan tegangan sampai daya keluaran mulai turun. Bila sampai

tahap ini terjadi, maka tegangan akan diturunkan sampai diperoleh daya maksimum lagi. Jadi titik daya maksimum akan diperoleh pada kisaran nilai

tersebut. Gambar 3.4 akan menunjukkan flowchart dari algoritma pemrograman yang digunakan untuk membangun sistem MPPT.

Gambar 3.4 Flowhchart Metode Perturb and Observe [22]

Dalam pelaksanaannya, perancangan dan pembuatan pemrograman dilakukan dengan menggunakan software matlab. Setelah itu dilakukan pengimplementasian algoritma Perturb and Observe, kemudian sistem di simulasikan.

3.4.4. Analisis Sistem Turbin Angin

Setelah didapatkan hasil dari pemodelan sistem turbin angin maka dilakukan pengumpulan data terlebih dahulu. Kemudian dilakukan perhitungan agar dapat mengetahui perbedaan daya keluaran dan efisiensi

54 BAB IV

HASIL DAN ANALISIS 4.1. Pemodelan Sistem Turbin Angin

Pada penelitian ini Sistem Turbin Angin dibuat dengan

menggunakan software MATLAB SIMULINK. Turbin Angin Tersusun atas turbin angin yang berfungsi untuk mengkonversi energi angin menjadi mekanis, PMSG yang berfungsi mengkonversi energi mekanis menjadi

energi listrik, Penyearah yang berfungsi untuk menyearahakan listrik AC 3 Phase menjadi listrik DC , Boost Konverter, dan MPPT berfungsi untuk

memaksimalkan daya output dari sistem turbin angin. Secara umum blok diagram dan blok simulink dari perancangan Sistem Turbin Angin ditunjukan pada Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 berikut :

Gambar 4.1. Diagram Blok Sistem

Wind

Turbine PMSG Rectifier Konverter Inverter

MPPT Baterai

Gambar 4.2. Blok Simulink Sistem Turbin Angin

Adapun Parameter yang dipakai pada simulasi ini, mengacu pada

penelitian [19].

Berikut adalah implementasianya pada simulink :

a. Turbin angin

Komponen turbin angin dimodelkan dalam persamaan berikut, daya mekanik dari tubin angin dinyatakan dalam persamaan 4.1.

� = � �. � ��₂ � (4.1)

Dimana :

Pm = Daya keluaran mekanik turbin (W) Cp = koefisien konversi daya

λ = perbandingan laju ujung. β = sudut pitch (deg )

ρ = massa jenis angin (1,225 kg/m3)

parameter wind turbine yang digunakan pada penilitian ini dapat dilihat

pada gambar 4.3.

Gambar 4.3. Parameter Turbin Angin

Pada Gambar 4.4 merupakan blok wind turbine yang digunakan dalam penelitian ini, wind trurbine ini mempunyai tiga masukan dan satu

keluaran. Masukan yang pertama yaitu generator speed dalam satuan per unit , yang akan mendapatkan nilai masukan dari laju rotor pada

generator. Masukan kedua pitch angel dalam satuan derajat, ini untuk menentukan sudut pitch yang digunakan dalam pemodelan, biasanya sudut pitch yang digunakan bernilai 0. Masukan ketiga wind speed dalam satuan m/s , laju angin ini masukannya sesuai dengan yang akan disimulasikan baik konstan maupun berubah – ubah. Keluaran dari wind

turbine ini yaitu Torque Mechanical dalam satuan pu ini nantinya yang akan dihubungkan ke generator untuk memutar generator.

b. Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)

Pada gambar 4.5 akan ditunjukan jenis rotor yang digunakan dalam penelitian sedangkan untuk parameter PMSG yang digunakan

Gambar 4.5. Jenis Rotor PMSG

c. Penyearah

Berikut adalah parameter yang digunakan pda block penyearah :

Gambar 4.7 Parameter Penyearah

Setelah parameter-parameter diatas diimplementasikan pada blok simulink, maka dilakukan simulasi untuk sistem turbin tanpa MPPT dan

sistem turbin angin dengan MPPT. d. Pemodelan Boost Konverter

Gambar 4.8 menunjukan rangkaian boost converter yang digunakan pada penelitian ini. Nilai komponen yang digunakan pada rangkaian

boost converter mengacu pada tabel 3.2. Untuk mengetahui berfungsi atau tidaknya rangkaian converter yang dibuat maka dilakukan

pengujian pada rangkaian dengan Vin sebesar 100V. Berikut adalah daya output yang dapat dihasilkan rangkaian Boost Converter :

e. Baterai

Berikut adalah parameter yang digunakan pda block baterai :

Gambar 4.10 Parameter Baterai f. Inverter

Berikut adalah parameter yang digunakan pda block inverter :

1.2. Implementasi Algoritma Perturb and Observe

Dalam menggunakan metode Perturb and Observe, digunakan tegangan

dan arus keluaran untuk menjadi masukan algoritma Perturb and Observe yang akan digunakan sebagai dasar mengevaluasi nilai duty cycle untuk mendapatkan daya keluaran yang lebih optimal sebagaimana ditunjukan flowchart pada gambar 4.12.

Gambar. 4.12. Flowchart Algoritma Perturb and Observe