BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Pembangkit Listrik Tenaga Angin memberikan banyak keuntungan seperti
bersahabat dengan lingkungan (tidak menghasilkan emisi gas), tersedia dalam
banyak variasi rating (mulai dari kW sampai MW), mudah untuk dihubungkan ke
grid yang ada, lahan turbinnya dapat digunakan untuk fungsi yang lain (seperti
areal sawah, ladang, rumah tempat tinggal), tidak membutuhkan bahan bakar [2].
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:
Gambar 2.1Sistem dasar pembangkit listrik tenaga angin
Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti ukuran
turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox[2]. Daya
mekanik yang dihasilkan oleh turbin angin adalah [2]:
= 12 (, ) . (2.1)
= . . (2.2)
Dimana adalah kerapatan udara, adalah luas area pemutar turbin,
(, )
)
c
)
Turbin angin horizontal lebih banyak digunakan pada sistem pembangkit. Desain
dari turbin ini banyak dan tersedia dalam banyak rating (Mulai dari 50 kW sampai
1,8 MW).
II.1.3 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[4]. 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 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 [12]:
Gambar 2.5Skematik diagram pembangkit tenaga angin kecepatan tetap
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
II.1.4 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[4]. Berikut ini
jenis-jenis pembangkitan tenaga angin variable speed dengan menggunakan mesin
Gambar 2.6 Skematik diagram pembangkit tenaga angin variable speed dengan (a) generator induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c)permanent magnet synchronous motor
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 elektronic 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 permanent.
• Perbedaan Pembangkitan tenaga angin kecepatan tetap dan kecepatan berubah
Perbedaan diantara constant speed dan variable speed pembangkitan tenaga angin
dapat dijelaskan melalui (). Pada kecepatan tetap (constant speed), tidak ada
kontrol ketika tidak dapat divariasikan. Akibatnya merupakan fungsi
kecepatan angin dan () tidak dapat diatur sampai nilai maksimum. Hasilnya,
turbin tidak optimal menghasilkan daya (nonoptimum) pada rentang kecepatan
angin yang bervariasi. Akan tetapi jika diatur pada proporsinya terhadap
kecepatan angin , dapat dijaga konstan sampai menuju optimum untuk
memaksimalkan . Maka pada setiap kecepatan angin berbeda, daya turbin
II.2 Generator Induksi
Generator induksi merupakan alat untuk mengkonversi energi mekanik
menjadi energi listrik dalam bentuk ggl (gaya gerak listrik) yang menerapkan
prinsip motor induksi (induksi elektromagnet). Besarnya ggl yang dihasilkan
diberikan dalam persamaan:
= . . (2.3)
Dimana merupakan ggl yang dihasilkan, merupakan konstanta, merupakan
kecepatan putar generator, merupakan besarnya fluks magnet yang dihasilkan.
Dari perumusan diatas dapat dilihat bahwa putaran generator berpengaruh
terhadap ggl yang dihasilkannya.
II.2.1 Prinsip Kerja Generator Induksi
Generator induksi bekerja dengan menerapkan prinsip medan putar pada
belitan stator maupun rotornya. Medan putar rotor menginduksi stator sehingga
pada stator timbul ggl induksi. Timbulnya medan putar dilakukan dengan
menghubungkan tegangan 3 phasa pada belitan stator. Kecepatan medan putar
stator diberikan dalam persamaan berikut [13]:
=120 . . (2.4)
Dimana merupakan kecepatan putar stator, adalah frekuensi jala-jala, P adalah jumlah kutub. Medan putar stator akan memotong batang konduktor rotor
sehingga pada kumparan rotor (medan) timbul tegangan induksi (gaya gerak
listrik) sebesar:
= 4,44. . . . (2.5)
Dimana merupakan tegangan induksi pada saat rotor berputar, adalah
frekuensi putaran rotor, ialah jumlah lilitan rotor, merupakan fluksi yang
menginduksi rotor. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka
ggl akan menghasilkan arus. Adanya arus dalam medan magnet menimbulkan
rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan
medan putar stator. Dari penjelasan diatas terlihat bahwa syarat timbulnya
tegangan induksi haruslah ada perbedaan kecepatan relatif (slip) antara kecepatan
medan putar stator (Ns) dan kecepatan putar rotor (Nr) [13]. Slip dapat
dirumuskan sebagai berikut:
=
………(2.6)Dimana Ns adalah kecepatan putaran stator dan Nr adalah kecepatan putaran
rotor. Sebagai catatan bahwa rotor berputar pada kecepatan sinkron pada slip = 0
dan rotor pada keadaan stationary (seimbang /tetap/ belum berjalan) pada slip = 1.
Semua motor dalam kecepatan normal/ bekerja dalam keadaan normal, slipnya
berada pada kedua limit tersebut.
Jika rotor diputar lebih cepat dari stator (slip bernilai negatif) maka arah
induksi akan berubah. Induksi akan terjadi dari rotor ke stator sehingga pada stator
timbul ggl induksi. Dengan demikian mesin induksi telah berfungsi sebagai
generator karena menghasilkan ggl pada statornya.
II.2.2 Karakteristik Mesin Induksi
Berdasarkan karakteristik torsi mesin induksi, motor induksi dapat
difungsikan sebagai generator induksi. Berikut gambar dari karakteristik torsi
mesin induksi:
Gambar 2.7Karakteristik mesin induksi pada grafik torsi vs speed/ torsi vs slip
Dari gambar diatas, sebuah motor induksi yang diputar melebihi kecepatan
sinkronnya oleh prime mover eksternal, menyebabkan arah torsi induksi berbalik
dan motor ini berfungsi sebagai generator. Sebagai sebuah generator, sebuah
mesin induksi memiliki keterbatasan. Karena tidak memiliki rangkaian
pembangkit medan (eksitasi), generator induksi tidak dapat menghasilkan daya
reaktif. Pada prakteknya, generator ini membutuhkan daya reaktif dan sebuah
sumber daya reaktif eksternal harus dihubungkan untuk pembangkitan medan
magnet stator. Sumber daya reaktif eksternal juga harus mengontrol tegangan
terminal generator. Keuntungan dari generator induksi ialah konstruksinya
sederahana, ekonomis (biaya perawatan murah), rating kilowatt (rating output)
tersedia dalam skala kecil dan tidak harus diputar pada kecepatan tetap [3] dan[8].
Selama kecepatan rotor lebih besar dari kecepatan stator pada system tenaga
dimana mesin ini terhubung, mesin akan berfungsi sebagai generator. Hal ini
menyebabkan generator induksi sesuai dan banyak dipakai pada pembangkit
energy terbarukan seperti tenaga angin dan tenaga mikrohidro. Karena tidak ada
pengaturan pada generator, maka power factor correction (koreksi factor daya)
disediakan oleh kapasitor dan tegangan terminal generator dikontrol oleh system
control eksternal. [3]
Untuk menghasilkan tegangan pada terminal generator, eksitasi harus
disediakan. Oleh sebab itu generator induksi dapat bekerja pada dua sistem yakni
sistem grid (PLN) dan sistem terisolasi. Pada sistem grid, generator akan
mengambil daya reaktif dari grid sedangkan pada sistem terisolasi, harus ada
eksitasi untuk generator seperti kapasitor bank. Sistem generator dengan kapasitor
eksitasi disebut sebagai generator induksi penguatan sendiri.Berikut ini gambar
dari generator induksi penguat sendiri:
II.2.3 Generator Induksi Masukan Ganda (Double Fed Induction
Generator/DFIG)
Generator induksi masukan ganda adalah generator induksi rotor belitan
dimana rangkaian rotor terhubung ke grid melalui device elektronika daya.
Kemampuan untuk mensuplai/ menyerap daya ke/ dari rotor menyebabkan
generator beroperasi pada kecepatan sub synchronous dan super synchronous
sementara tegangan dan frekuensi pada terminal stator dijaga konstan[14]. Oleh
sebab itu DFIG sering digunakan pada pembangkitan frekuensi konstan,
kecepatan variabel. Berikut ini rangkaian ekivalennya:
Vs Vr/s
Rs Rr/s
Rm
jXm
Is Ir
Io Er
Gambar 2.9Rangkaian ekivalen generator induksi masukan ganda
Pada rangkaian ekivalen diatas Vs adalah tegangan stator [V], Vr adalah tegangan
rotor [V], Er adalah emf (electric motive force) atau gaya gerak listrik (ggl) [V], Is
adalah arus stator [A], Ir adalah arus rotor [A], Rs adalah tahanan stator [Ω ], Rr
adalah tahanan rotor [Ω }, Xs adalah reaktansi stator [Ω ], Xs adalah reaktansi rotor
[Ω ], Rm adalah rugi rugi pemagnetan [Ω ], Xm ialah reaktansi pemagnetan [Ω ], s
adalah slip generator.
Dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff untuk rangkaian diatas
dapat dirumuskan persamaan sebagai berikut:
= + (2.7)
= + . . (2.8)
= + (2.10)
Rangkaian ekuivalen ini, berdasarkan perhitungan tegangan dan arus, hanya dapat
diaplikasikan pada analisis steady state DFIG (double fed induction generator).
• Prinsip Kerja
Untuk sebuah generator induksi rotor belitan dimana rotornya dihubung
singkat, tegangan pada rotor adalah nol, hubungan antara torsi elektromagnetik
dan arus rotor dapat diberikan dalam persamaan[14]:
= . . (2.11)
Dimana T adalah torsi elektromagnetik [Nm], adalah koefisien torsi, fluks
magnetik celah udara per phasa [Wb], arus aktif rotor. Arus aktif pada rotor
dapat dihitung melalui persamaan berikut [14]:
=
+ ( ) . + ( )
=
+ ( ) . (2.12)
Dimana s adalah slip generator. Berdasarkan persamaan (2.11) agar tegangan
stator generator induksi dan torsi beban dijaga konstan, arus aktif pada rangkaian
rotor dijaga pada nilai konstan[14]:
= . (2.13)
Ketika tegangan eksternal diberikan pada rangkaian rotor, arus aktif pada
rangkaian rotor menjadi[14]:
= + = . (2.14)
Oleh sebab itu, adalah mungkin untuk mengontrol kecepatan generator dengan
mengatur besar tegangan yang diberikan pada rotor, sementara torsi
elektromagnetik dijaga tetap konstan.
Tidak seperti generator induksi rotor sangkar, dimana rotornya dihubung
singkat, DFIG memiliki terminal pada rotornya. Rotor diberi masukan variabel
frekuensi ( ) dan variabel tegangan tiga phasa yang dibangkitkan oleh konverter
PWM. Tegangan AC pada rotor akan membangkitkan flux dengan frekuensi
selama rotor belum berputar (standing still). Ketika rotor diputar oleh kecepatan
medan putar rotor dengan tegangan yang diinjeksikan pada rotor akan
memiliki frekuensi + . Ketika kecepatan angin berubah, kecepatan rotor akan berubah dan untuk menghasilkan frekuensi 50 Hz, frekuensi injeksi ke
rotor juga harus dirubah[16].
II.3 Static Synchronous Compensator
Static Synchronous Compensator adalah sebuah shunt controller yang
digunakan untuk meregulasi tegangan dengan membangkitkan/ menyerap daya
reaktif[11]. Schematic diagram dari sebuah STATCOM dapat dilihat pada gambar
berikut:
Gambar 2.10Skematik diagram dari STATCOM
Pada sistem transmisi, STATCOM digunakan untuk meningkatkan kapasitas
transmisi daya, untuk mengatur tegangan/ sudut stabilitas, atau untuk meredam
mode osilasi. Pada sistem distribusi, STATCOM terutama digunakan untuk
pengaturan tegangan, akan tetapi dapat juga digunakan untuk mensuplai daya aktif
ke beban pada kasus blackout jika dilengkapi dengan sistem penyimpan energi
seperti baterai. STATCOM dapat juga digunakan untuk penyeimbang jaringan
distribusi dengan mengkompensasi beban tak seimbang. Pada tugas akhir ini,
STATCOM dilengkapi dengan sistem kontrol daya aktif dan reaktif untuk
mengatur output generator induksi[11].
II.3.1 Prinsip Operasi Dasar STATCOM
Ketika sistem tegangan turun, STATCOM membangkitkan daya reaktif
(STATCOM kapasitif). Ketika sistem tegangan naik, STATCOM menyerap daya
reaktif (STATCOM induktif). Variasi dari daya reaktif dilakukan oleh VSC
(Voltage Source Converter) yang terhubung ke sekunder trafo. VSC
menggunakan devais elektronika daya untuk mengatur tegangan V2 dari sumber
tegangan DC. Prinsip kerja STATCOM dijelaskan oleh gambar (2.11)
menunjukkan transfer daya aktif dan reaktif antara sumber V1 dan sumber V2.
Pada operasi kondisi steady state, tegangan V2 yang dibangkitkan VSC adalah
pada fasa yang sama dengan V1 (beda fasa = 0), agar hanya daya reaktif yang
mengalir (P=0). Jika V2 lebih rendah dari V1, Q mengalir dari V1 ke V2
(STATCOM menyerap daya reaktif). Sebaliknya, apabila V2 lebih tinggi dari V1,
Q mengalir dari V2 ke V1 (STATCOM menghasilkan daya reaktif) [11].
Power System
Gambar 2.11Skematik sistem kerja STATCOM
= sin . (2.15)
= ( cos ) . (2.16)
II.3.2 VSC (Voltage Source Converter)
Turbin angin kecepatan berubah (Variable Speed wind turbine) dengan konverter
elektronika daya mampu mengontrol output daya aktif dan daya reaktif [7].
II.5 Skematik Total Sistem
II.6 Diagram Alir Sistem Kontrol STATCOM
