SKRIPSI
SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI
ON-GRID
SERTA
ISLANDING
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS UDAYANA
Oleh :
Pande Ketut Budi Sutawan
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
JIMBARAN – BALI
SKRIPSI
SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI
ON-GRID
SERTA
ISLANDING
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS UDAYANA
Oleh :
Pande Ketut Budi Sutawan 1104405007
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
JIMBARAN – BALI
ii
SIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI
ON-GRID
SERTA
ISLANDING
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA
Tugas Akhir Diajukan Sebagai Prasyarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana S1 (Strata1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana
PANDE KETUT BUDI SUTAWAN NIM : 1104405007
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN-BALI
v
UCAPAN TERIMAKASIH
Om Swastyastu, puji syukur kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa, karena atas segala limpahan berkat dan Rahmat-Nya, sehingga tugas akhir yang berjudul ʻʻSIMULASI SISTEM KONTROL OPERASI ON-GRID SERTA ISLANDING PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA” ini dapat diselesaikan dengan tepat waktu. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi syarat dalam menyelesaikan pendidikan sarjana strata satu (S1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana.
Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh petunjuk dan bimbingan dari berbagai pihak. Sehingga pada kesempatan ini perkenankan saya mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana.
2. Bapak Ir. I Nyoman Setiawan, MT selaku ketua jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana.
3. Bapak I Nyoman Satya Kumara, ST., MSc., Ph.D. selaku dosen pembimbing 1 yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan arahan, motivasi, bimbingan serta saran-saran selama pembuatan simulasi dan laporan.
4. Bapak Wayan Gede Ariastina, ST., M.Eng.Sc., Ph.D. selaku dosen pembimbing 2 yang telah banyak memberikan saran dan masukan selama proses bimbingan.
5. Ibu Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, M.T., Ph.D selaku pembimbing akademik yang telah membimbing dan memberikan saran selama menjadi mahasiswa di Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana.
6. Ibu, Pak Mang, Bu Agung, kakak-kakak, sepupu, ipar dan keluarga besar penulis, terimakasih atas doa, dukungan, serta semangat yang selalu diberikan.
vi
7. Semuan teman-teman penulis, rekan–rekan mahasiswa Teknik Elektro Universitas Udayana, terutama sahabat-sahabat Teknik Elektro 2011 atas semangat, dukungan dan kerjasamanya selama ini. .
8. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan saran yang diberikan sehingga tugas akhir ini bisa terselesaikan. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan tugas akhir ini.
Akhir kata, penulis mohon maaf kepada semua pihak jika dalam pembuatan tugas akhir ini melakukan kesalahan baik disegaja maupun tidak disengaja. Semoga Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa selalu melimpahkan rahmat-Nya kepada semua pihak yang telah membantu pelaksanaan dan penyelesaian tugas akhir ini.
Om, Santih, Santih, Santih, Om.
Bukit Jimbaran, September 2015
vii ABSTRAK
Bali adalah salah satu provinsi di Indonesia yang sudah menggunakan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Terbukti dari telah diresmikannya PLTS kapasitas 1 MWp on-grid masing-masing di Bangli dan Karangasem, dan 6 unit PLTS 15 kWp off-grid tersebar di Provinsi Bali. Hal ini merupakan wujud pemanfaatan intensitas radiasi sinar matahari yang melimpah di bali yaitu sebesar 5,263 kWh/m2/hari lebih besar dari intensitas rata-rata di Indonesia sebesar 4,8
kWh/m2/hari. PLTS on-grid dapat menyalurkan keluarannya ke jaringan PLN. Namun saat jaringan mati,PLTS juga mati sehingga ada potensi kerugian padahal PLTS dapat digunakan sebagai sumber energi listrik pengganti saat PLN tidak dapat melayani konsumen. Melalui skripsi ini dibuat simulasi PLTS dengan konfigurasi
on grid dan juga off grid pada software simulink matlab R2013a. Model PLTS
mengacu pada PLTS off grid di Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana. Tegangan dan arus output hasil simulasi akan dianalisis disertai pengujian unjuk kerja saat parameter jaringan diubah-ubah.
Penelitian ini dimulai dengan observasi di lokasi penelitian yaitu di kampus Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana disertai dengan metode kepustakaan, yaitu dengan mempelajari jurnal-jurnal yang berkaitan. Data yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari datasheet komponen PLTS, data dari hasil simulasi yang dibuat, dan literatur yang berhubungan. Analisis data hasil simulasi meliputi tegangan, arus, frekuensi, dan daya output dari PLTS off grid, PLTS on grid serta PLTS on/off grid saat berbeban maupun tanpa beban. Kemudian dianalisis juga hasil sinkronisasi PLTS on grid saat dilakukan variasi tegangan dan frekuensi jaringan.
Hasil yang didapatkan adalah inverter pada PLTS off grid telah dapat menghasilkan tegangan 220 V rms dan frekuensi 50 Hz yang sesuai dengan
datasheet inverter di lokasi penelitian. Dengan beban yang disuplai membutuhkan
daya 65 W, dihasilkan arus sebesar 0,29 A. Pada PLTS on grid telah dapat melakukan sinkronisasi dengan jaringan yang memiliki tegangan 220 V rms, frekuensi 50 Hz. Arus beban pada PLTS on grid sebesar 0,295 A. Saat dilakukan variasi tegangan dan frekuensi jaringan, PLTS on/off grid dapat mengikuti perubahan yang terjadi pada jaringan.
Jadi model simulasi yang dibuat telah sesuai dengan tujuan penelitian yaitu PLTS dapat menerapkan konfigurasi on grid maupun off grid. Hasil simulasi menunjukkan unjuk kerja sistem yang baik saat on maupun off grid. Selain itu saat parameter jaringan dirubah, PLTS masih dapat melakukan sinkronisasi dengan baik dan tidak mempengaruhi kinerja PLTS off grid
viii ABSTRACT
Bali is one of the provinces in Indonesia which already use solar power plant (PV plant). Evident from the inauguration of 1 MWp capacity of on-grid PV plants respectively in Bangli and Karangasem, and 6 units of 15 kWp off-grid PV plants spread across in Bali. This represents the utilization of radiation intensity of sunlight is abundant in Bali that is equal to 5.263 kWh / m2 /day is greater than the average intensity in Indonesia of 4.8 kWh/ m2/ day. On-grid PV plant can connect its output to the grid. But on the islanding condition, PV plant is OFF so there is a potential loss when PV plant can be used as a substitute source of electrical energy while PLN can’t serve consumers. Through this paper made a simulation of PV plant with on grid and off grid configuration on R2013a Matlab Simulink software. The PV plant model refers to the off grid PV plant in the Department of Electrical Engineering, of Udayana University. Output voltage and current of the simulation results will be analyzed also with performance testing when electricity grid parameters altered.
This research started with observations at the research site which is on the campus of the Department of Electrical Engineering, University of Udayana accompanied by literature methods, namely by studying related journals. The data used in this research was obtained from the datasheet of PV plant components, data from the simulation results are made, and related literature. Data analysis of simulation results include voltage, current, frequency, and power output of the off grid, on-grid and on/off grid PV plant with and without loads. Then also analyzed synchronization result of on grid PVplant when grid voltage and frequency varied. The results obtained are off grid inverter of off grid PV plant has been able to generate a voltage of 220 V rms and a frequency of 50 Hz in accordance with datasheet of inverter at the sites. With the supplied load requires 65 W active power, generated current of 0.29 A. In the on-grid PV plant has been able to synchronize with the grid that has a voltage of 220 V rms, 50 Hz frequency. Load current of on grid PV plant is 0.295 A. When grid voltage and frequency varied, on/off grid PV plant can adjust the changes that occur on the grid.
So the model of on/off grid PV plant that has been made apropriate with the purpose of research that is PV plant can apply either on grid or off grid configuration. The simulation results showed a good performance of the sistem when either on or off grid. Moreover when the grid parameters changed, PV plant can still synchronize well and does not affect the performance of off grid PV plant. Keywords : On Grid Solar Power Plant, Off Grid Solar Power Plant , On/Off Grid
ix DAFTAR ISI
SAMPUL DALAM ...i
PRASYARAT GELAR ...ii
LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS ...iii
LEMBAR PENGESAHAN ...iv
UCAPAN TERIMAKASIH ...v
ABSTRAK ...vii
ABSTRACT ...viii
DAFTAR ISI ...ix
DAFTAR TABEL ...xii
DAFTAR GAMBAR ...xiii
DAFTAR SINGKATAN ...xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1 1.2 Rumusan Masalah ...3 1.3 Tujuan Penelitian ...3 1.4 Manfaat Penelitian ...3 1.4.1 Manfaat Akademis ...3 1.4.2 Manfaat Praktis ...4 1.5 Batasan Masalah ...4
BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Mutakhir ...5
2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Surya ...9
2.2.1 Modul Photovoltaic (PV) ...9
2.2.2 Inverter ...11
2.2.2.1 Inverter Setengah Jembatan Satu Phase ...15
2.2.2.2 Inverter Jembatan Penuh Satu Phase ...16
2.2.2.3 Natural PWM ...18
2.2.2.4 Grid Tie Inverter ...19
x
2.3 Metode Phase Locked Loop ...21
2.4 ATS (Automatic Transfer Switch) ...22
2.4.1 Bagian Pengalihan Daya ...23
2.4.2 Bagian Kontrol ...23
2.5 Rangkaian Listrik AC Satu Fasa ...24
2.6 Kualitas Daya LIstrik ...27
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian...31
3.2 Data ...31
3.2.1 Sumber Data ...31
3.2.2 Metode Pengumpulan Data ...31
3.2.3 Jenis Data...31
3.2.4 Instrumen Penelitian ...32
3.3 Perencanaan Sistem ...32
3.3.1 Kondisi Existing PLTS ...32
3.3.2 Perencanaan Blok Diagram Sistem ...34
3.3.3 Model Simulasi Blok Diagram Sistem ...35
3.4 Tahapan Peneltian ...36
3.4.1 Alur Penelitian ...37
3.5 Analisis Data ...38
BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Model Inverter Off Grid ...39
4.1.1 Simulasi Model Inverter Off Grid Tanpa Beban ...46
4.1.2 Simulasi Model Inverter Off Grid Berbeban ...52
4.2 Model PLTS On/Off Grid ...57
4.2.1 Simulasi Model PLTS On/Off Grid Tanpa Beban ...64
4.2.1.1 Simulasi Model PLTS On Grid Tanpa Beban ...65
4.2.1.2 Simulasi Model PLTS Off Grid Tanpa Beban ...69
4.2.1.4 Simulasi Model PLTS On/Off Grid Tanpa Beban ...72
xi
4.2.3 Simulasi Model PLTS On/Off Grid Dengan Variasi Parameter JTR ...84 4.2.3.1 Simulasi Model PLTS On/Off Grid Dengan Variasi Tegangan
JTR ...84 4.2.3.2 Simulasi Model PLTS On/Off Grid Dengan Variasi Frekuensi
JTR ...86 BAB V PENUTUP 4.1 Simpulan ...90 4.2 Saran ...91 DAFTAR PUSTAKA ...92
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kondisi Saklar Inverter Setengah Gelombang ... 16
Tabel 2.2 Kondisi Saklar Inverter Gelombang Penuh ... 18
Tabel 2.3 Standar THD Tegangan dan Arus dari IEEE Standard519-1992 ... 28
Tabel 3.1 Spesifikasi data PV Module Solarex MSX60 ... 33
Tabel 3.2 Spesifikasi data inverter SP500 SinePro ... 33
Tabel 4.1 Perbandingan Arus RMS Inverter Berbeban Hasil Simulasi dan Perhitungan ... 55
Tabel 4.2 Perbandingan Arus RMS Inverter Off Grid Hasil Simulasi dan Perhitungan ... 80
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Susunan Lapisan Solar Cell Secara Umum ... 10
Gambar 2.2 Hubungan sel surya, modul, panel, dan array ... 11
Gambar 2.3 Bentuk umum sinyal PWM ... 13
Gambar 2.4 Grafik duty cycle sinyal PWM ... 13
Gambar 2.5 Skema pembentukan sinyal PWM ... 14
Gambar 2.6 Rangkaian dan Bentuk Gelombang Inverter Setengah Jembatan Satu Phase ... 15
Gambar 2.7 Rangkaian dan Bentuk Gelombang Inverter Jembatan Penuh Satu Phase ... 17
Gambar 2.8 Sinyal referensi sinusoidal dan carrier segitiga serta sinyal PWM yang dihasilkan... 18
Gambar 2.9 a) Konfigurasi GTI , b) Blok Diagram Model GTI (Grid Tie Inverter) ... 19
Gambar 2.10 Blok diagram dasar PLL ... 21
Gambar 2.11 Contoh Blok Diagram ATS ... 23
Gambar 2.12 Segitiga Daya... 26
Gambar 2.13 Respon Filter Kondisi Ideal... 30
Gambar 3.1 Kondisi Existing PLTS ... 32
Gambar 3.2 Perencanaan Blok Diagram Sistem PLTS On-Grid ... 34
Gambar 3.3 Perencanaan Blok Diagram Sistem PLTS Off-Grid ... 35
Gambar 3.4 Model Simulasi PLTS on/off grid ... 36
Gambar 3.5 Flowchart Alur Penelitian ... 38
Gambar 4.1 Model Full-Bridge Inverter ... 39
Gambar 4.2 Parameter Blok Tegangan DC ... 40
Gambar 4.3 Parameter Blok IGBT ... 40
Gambar 4.4 Blok Volt dan Ampere Meter ... 41
Gambar 4.5 Blok RL dan RC Filter ... 42
Gambar 4.6 Parameter Blok PWM Generator ... 43
xiv
Gambar 4.8 Blok Power Meter ... 45
Gambar 4.9 Blok Beban RLC ... 45
Gambar 4.10 Model Inverter Tanpa Beban ... 47
Gambar 4.11 Sinyal PWM 1 dan 2 ... 47
Gambar 4.12 Sinyal PWM 3 dan 4 ... 48
Gambar 4.13 Tegangan Output Inverter Sebelum Difilter... 49
Gambar 4.14 Tegangan Output Inverter Tanpa Beban Setelah Difilter ... 50
Gambar 4.15 Model Penampil Nilai RMS ... 50
Gambar 4.16 Tegangan Output Puncak Inverter Tanpa Beban Setelah Difilter ... 51
Gambar 4.17 Model Penampil THD Tegangan Inverter Tanpa Beban ... 51
Gambar 4.18 Arus Output Inverter Tanpa Beban ... 52
Gambar 4.19 Daya Aktif dan Reaktif Inverter Tanpa Beban ... 52
Gambar 4.20 Model Inverter Berbeban ... 52
Gambar 4.21 Tegangan Output Inverter Berbeban yang Difilter ... 53
Gambar 4.22 Penampil Nilai RMS Tegangan Inverter Berbeban ... 53
Gambar 4.23 Tegangan Puncak Inverter Berbeban ... 53
Gambar 4.24 Model Penampil THD Tegangan Inverter Tanpa Beban ... 54
Gambar 4.25 Penampil Nilai RMS Arus Inverter Berbeban ... 54
Gambar 4.26 Arus Beban Inverter ... 55
Gambar 4.27 Arus Puncak Inverter Berbeban ... 55
Gambar 4.28 THD Arus Inverter Berbeban ... 56
Gambar 4.29 Daya Aktif dan Reaktif Inverter Berbeban ... 56
Gambar 4.30 Model PLTS On/Off Grid ... 57
Gambar 4.31 Parameter Blok PV Array ... 58
Gambar 4.32 Model Inverter ... 58
Gambar 4.33 Blok LBS ... 59
Gambar 4.34 Parameter Blok Jaringan Tegangan Rendah (JTR) ... 60
Gambar 4.35 Model Grid Operation ... 60
Gambar 4.36 Parameter Blok Switch... 61
Gambar 4.37 Parameter Blok Clock ... 61
xv
Gambar 4.39 Model Subsistem Synchronizer ... 62
Gambar 4.40 Model Subsistem ATS Controller ... 63
Gambar 4.41 Model ATS ... 63
Gambar 4.42 Model PLTS On/Off Grid Tanpa Beban ... 64
Gambar 4.43 Output Tegangan PV Array ... 64
Gambar 4.44 Tegangan Jaringan Listrik ... 65
Gambar 4.45 Tegangan Jaringan ... 65
Gambar 4.46 Tegangan Output Inverter On Grid Di Sisi Sebelum Filter ... 66
Gambar 4.47 Tegangan Output Inverter On Grid Di Sisi Setelah Filter ... 66
Gambar 4.48 Tegangan Puncak Output Inverter On Grid ... 67
Gambar 4.49 THD tegangan JTR dan Inverter ... 67
Gambar 4.50 Arus Beban ... 68
Gambar 4.51 Tegangan Jaringan dan Inverter On Grid Hasil Multiplexing ... 68
Gambar 4.52 Tegangan Saat Islanding ... 69
Gambar 4.53 Tegangan Inverter Off Grid Sebelum Filter ... 70
Gambar 4.54 Tegangan Inverter Off Grid Setelah Filter ... 70
Gambar 4.55 THD Tegangan Inverter Off Grid Tanpa Beban ... 71
Gambar 4.56 Arus Beban Inverter Off Grid Tanpa Beban ... 71
Gambar 4.57 Perbandingan Tegangan Inverter Off Grid dan Jaringan ... 71
Gambar 4.58 Perbandingan Tegangan JTR Saat ON dan Inverter Off Grid ... 72
Gambar 4.59 Tegangan Jaringan Saat ON dan OFF ... 72
Gambar 4.60 Tegangan Output Inverter On/Off Grid Tanpa Beban ... 73
Gambar 4.61 Tegangan Jaringan dan Inverter On/Off Grid Hasil Multiplexing ... 73
Gambar 4.62 Model PLTS On/Off Grid Berbeban ... 74
Gambar 4.63 Parameter Beban ... 75
Gambar 4.64 Tegangan JTR Berbeban ... 75
Gambar 4.65 Arus Beban yang Disuplai JTR ... 76
Gambar 4.66 Model Pengukuran Arus Beban Saat PLTS On grid ... 77
Gambar 4.67 Arus Beban Puncak yang Disuplai JTR ... 77
Gambar 4.68 THD Arus Beban yang Disuplai JTR ... 78
xvi
Gambar 4.70 Arus Output Inverter Off Grid ... 79
Gambar 4.71 Tegangan Inverter Off Grid Berbeban ... 79
Gambar 4.72 THD Tegangan Inverter Off Grid Berbeban ... 80
Gambar 4.73 Tegangan RMS Inverter Off Grid ... 80
Gambar 4.74 Arus RMS Inverter Off Grid ... 80
Gambar 4.75 Arus Output Inverter Off Grid ... 81
Gambar 4.76 THD Arus Inverter Off Grid Berbeban ... 81
Gambar 4.77 Model Pengukuran Arus Output Inverter On/Off Grid ... 82
Gambar 4.78 Hasil Multiplex Arus Beban PLTS On dan Off Grid ... 83
Gambar 4.79 Tegangan PLTS On/OffGrid Berbeban... 83
Gambar 4.80 Variasi Tegangan JTR Menjadi 231 Vrms ... 84
Gambar 4.81 Perbandingan Tegangan JTR 231 Vrms Dengan Output Inverter On/Off Grid ... 84
Gambar 4.82 Tegangan Puncak Saat PLTS On Grid (JTR 231 Vrms) ... 85
Gambar 4.83 Perbandingan Tegangan JTR 209 Vrms Dengan Output Inverter On/Off Grid ... 85
Gambar 4.84 Tegangan Puncak Saat PLTS On Grid (JTR 209 Vrms) ... 86
Gambar 4.85 Variasi Frekuensi JTR Menjadi 60 Hz... 86
Gambar 4.86 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On/Off Grid (JTR 60 Hz)... 87
Gambar 4.87 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On Grid (JTR 60 Hz) ... 87
Gambar 4.88 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On/Off Grid (JTR 40 Hz)... 88
Gambar 4.89 Perbandingan Tegangan JTR Dengan Output Inverter On Grid (JTR 40 Hz) ... 88
xvii
DAFTAR SINGKATAN
AC = Alternating Current
APF = All Pass Filter
ATS = Automatic Transfer Switch
BPF = Band Pass Filter
BRF = Band Reject Filter
COS = Charge Over Switch
DC = Direct Current
EFR = Earth fault relay
GTI = Grid Tie Inverter
HPF = High Pass Filter
JTR = Jaringan Tegangan Rendah
kWh = kilo Watt hour
LBS = Load Break Switch
LF = Loop Filter
LPF = Low Pass Filter
LVMDP = Low Voltage Main Distribution Panel
OCR = Over current relay
PD = Phase Detector
PFR = Phase failure relay
PLN = Perusahaan Listrik Negara
PLTS = Pembangkit Listrik Tenaga Surya
PLL = Phase Locked Loop
PV = Photovoltaic
PWM = Pulse Width Modulation
SHS = Solar Home System
THD = Total Harmonic Distortion
UPS = Uninterruptible Power Supply
xviii
VCO = Voltage Controlled Oscillator
VSI = Voltage Source Inverter
