DETEKSI ISLANDING PADA PHOTOVOLTAIC TERHUBUNG GRID BERBASIS TRANSFORMASI WAVELET

TESIS – TE142599

DETEKSI ISLANDING PADA PHOTOVOLTAIC TERHUBUNG GRID BERBASIS TRANSFORMASI WAVELET

AGGIE BRENDA VERNANDEZ 07111650010001

DOSEN PEMBIMBING

Dedet Candra Riawan, S.T., M.Eng., Ph.D.

Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., MT.

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM TENAGA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNOLOGI ELEKTRO

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2018

TESIS – TE142599

DETEKSI ISLANDING PADA PHOTOVOLTAIC TERHUBUNG GRID BERBASIS TRANSFORMASI WAVELET

AGGIE BRENDA VERNANDEZ 07111650010001

DOSEN PEMBIMBING

Dedet Candra Riawan, S.T., M.Eng., Ph.D.

Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., MT.

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM TENAGA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNOLOGI ELEKTRO

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2018

Ill

iv

Halaman ini sengaja dikosongkan

v

PERNYATAAN KEASLIAN TESIS

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi keseluruhan Tesis saya dengan judul “DETEKSI ISLANDING PADA PHOTOVOLTAIC TERHUBUNG GRID BERBASIS TRANSFORMASI WAVELET” adalah benar-benar hasil karya intelektual mandiri, diselesaikan tanpa menggunakan bahan-bahan yang tidak diijinkan dan bukan merupakan karya pihak lain yang saya akui sebagai karya sendiri.

Semua referensi yang dikutip maupun dirujuk telah ditulis secara lengkap pada daftar pustaka. Apabila ternyata pernyataan ini tidak benar, saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan yang berlaku.

Surabaya, Mei 2018

Aggie Brenda Vernandez NRP. 07111650010001

vi

Halaman ini sengaja dikosongkan

vii

DETEKSI ISLANDING PADA PHOTOVOLTAIC

TERHUBUNG GRID BERBASIS TRANSFORMASI WAVELET

Nama mahasiswa : Aggie Brenda Vernandez

NRP : 07111650010001

Pembimbing : 1. Dedet Candra Riawan, S.T., M.Eng., Ph.D 2. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., MT.

ABSTRAK

Inverter current source terhubung grid membutuhkan metode kontrol daya ataupun arus agar dapat mensuplai daya dengan menyesuaikan kebutuhan daya pada grid. Penelitian ini menggunakan teknik kontrol arus pada sumbu dq dengan transformasi Clark-Park sehingga daya output inverter dapat dikontrol secara terpisah. Pemodelan photovoltaic sebagai sumber daya inverter memberikan transfer daya yang berubah-ubah sesuai kondisi iradiasi matahari. Dengan teknik kontrol arus yang digunakan pada inverter terbukti dapat mengatasi permasalahan perubahan iradiasi dengan menjaga konstan arus output inverter sesuai referensi.

Inverter pada penelitian ini dilengkapi dengan algoritma anti-islanding menggunakan transformasi wavelet. Algoritma ini terbukti dapat mengenali kondisi islanding pada berbagai tipe beban dan dengan berbagai kemungkinan keseimbangan dan ketidakseimbangan daya inverter dengan daya beban saat islanding terjadi. Selain itu, algoritma yang dirancang terbukti tidak bekerja saat kondisi normal dengan skema perubahan daya inverter ke grid dan perubahan beban.

Kata kunci: inverter, islanding, photovoltaic, transformasi Clark-Park, wavelet

viii

Halaman ini sengaja dikosongkan

ix

ISLANDING DETECTION ON GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC BASED ON WAVELET

TRANSFORMATION

By : Aggie Brenda Vernandez

Student Identity Number : 07111650010001

Supervisor(s) : 1.Dedet Candra Riawan, S.T., M.Eng., Ph.D 2.Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., MT.

ABSTRACT

The grid-connected current source inverter requires a power or current control method in order to supply power by adjusting the power requirements of the grid. This research uses current control technique on dq-axis by Clark-Park transformation so that the output power of the inverter can be controlled separately.

Photovoltaic modeling as an inverter source provides a power transfer that varies according to the conditions of solar irradiation. The current control technique used in the inverter has been shown to overcome the irradiation problem by keeping the inverter output current remain constant according to the reference. The inverter in this study is equipped with anti-islanding algorithm using wavelet transformation.

This algorithm has been proven to recognize islanding conditions in various types of loads and with various possibilities of equilibrium and unbalance of inverter power with load at islanding. In addition, the designed algorithm proved to be not working during normal conditions with the scheme of inverter power and load changes.

Key words: Clark-Park transformation, inverter, islanding, photovoltaic, wavelet

x

Halaman ini sengaja dikosongkan

xi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala karunia dan ridho-NYA, sehingga tesis dengan judul “Deteksi Islanding pada Photovoltaic Terhubung Grid Berbasis Transformasi Wavelet” ini dapat terselesaikan.

Tesis ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratan memperoleh gelar Magister Teknik (M.T.) dalam bidang keahlian Teknik Sistem Tenaga pada program studi Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat dan menghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya, kepada :

1. Allah SWT dan Nabi Muhammad SAW atas berkah dan rahmat serta karunin yang telah diberikan pada penulis.

2. Bapak Dedet Candra Riawan, S.T., M.Eng., Ph.D dan Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. yang telah membimbing dan membantu mengarahkan penulis dalam penyelesaian tesis ini.

3. Bapak Supari Priambodo dan Ibu Siti Choeriyah selaku kedua orang tua penulis yang telah memberikan dukungan dan sabar menanti selama penulis menempuh perkuliahan dan pengerjaan tesis, serta M.Arden Abdalla sebagai adik kandung penulis.

4. Sahabat-sahabat kuliah satu angkatan Bung Tirta, Bung Tauruski, Prof Wahyudi, Adam, Viko, Aldi, Andri, Alex, Santi, Maya, Elok.

5. Sahabat-sahabat Lab Konversi Energi Mas Iwan Edogawa, Mas Firial, Darma dan teman seperjuangan kuliah Mas Labib leko-leko, Mas Belly, Mas Restu, Om Hedi, Pak Samsudin, dkk.

Dengan keterbatasan pengalaman dan ilmu, penulis menyadari bahwa tesis ini masih banyak kekurangan. Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran untuk memperbaiki penelitian dan penulisan karya ilmiah di masa yang akan datang.

Surabaya, Mei 2018 Penulis

xii

Halaman ini sengaja dikosongkan

xiii

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

PERNYATAAN KEASLIAN TESIS ... v

ABSTRAK ... vii

ABSTRACT ... ix

KATA PENGANTAR ... xi

DAFTAR ISI ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xvii

DAFTAR TABEL ... xxi

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Kontribusi ... 2

1.6 Metodologi Penelitian ... 3

BAB 2 SISTEM PHOTOVOLTAIC TERHUBUNG GRID DAN DETEKSI ISLANDING ... 5

2.1 Sistem PV Terhubung Grid ... 5

2.1.1 Photovoltaic ... 6

2.1.2 Inverter Satu Fasa ... 7

2.1.3 Kontrol Operasi On-Grid ... 10

2.2 Kondisi Grid-Fail ... 11

2.2.1 Fenomena Islanding ... 11

2.2.2 Deteksi Islanding ... 13

2.2.3 Anti-Islanding Protection ... 13

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN... 17

3.1 Proses Penelitian ... 17

3.2 Sizing Komponen... 18

xiv

3.3 Pemodelan Sistem Photovoltaic ... 20

3.4 Konfigurasi Current Source Inverter pada Sistem Photovoltaic Terhubung Grid ... 24

3.4.1 Phase Locked Loop ... 25

3.4.2 Low Pass Filter ... 26

3.4.3 Transformasi Clark-Park ... 27

3.4.4 Pengaturan daya Aktif dan Reaktif ... 28

3.5 Metode Anti-Islanding ... 29

3.5.1 Discrete Wavelet Transformation ... 29

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 33

4.1 Pengujian Model Photovoltaic ... 33

4.2 Karakteristik Inverter Current Source terhubung grid. ... 35

4.2.1 Keadaan Steady State ... 35

4.2.2 Respon close-loop ... 38

4.3 Kondisi Grid-Fail ... 42

4.3.1 Powermatch ... 42

4.3.2 Over P dan Q Match ... 43

4.3.3 Over Q dan P-Match ... 44

4.3.4 Over PQ ... 46

4.3.5 Under P dan Q-Match ... 47

4.3.6 Under Q dan P Match ... 49

4.3.7 Under PQ ... 50

4.4 Validasi Teknik Anti-Islanding terhadap Kondisi Islanding ... 55

4.4.1 Skema Power match ... 56

4.4.2 Skema Over Power ... 60

4.4.3 Skema Under Power ... 67

4.5 Validasi Teknik Anti-Islanding terhadap Kondisi Normal... 76

4.5.1 Kondisi Normal dengan Perubahan Daya Inverter ... 76

4.5.2 Kondisi Normal dengan Perubahan Beban ... 77

BAB 5 KESIMPULAN ... 79

5.1 Kesimpulan ... 79

5.2 Saran ... 79

DAFTAR PUSTAKA ... 81

xv

LAMPIRAN ... 83 DAFTAR INDEX ... 85

xvi

Halaman ini sengaja dikosongkan

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sistem PV Terhubung Grid ... 5

Gambar 2.2 Rangkaian Ekuivalen Photovoltaic ... 6

Gambar 2.3 Karakteristik Modul PV Kyocera KC200GT [6] ... 7

Gambar 2.4 Konfigurasi Current Source Inverter Satu Fasa ... 8

Gambar 2.5 Pola Pensaklaran SPWM ... 9

Gambar 2.6 Tipe Filter CSI ... 9

Gambar 2.7 Skema Kontrol Operasi On-Grid... 10

Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Saat Grid-Fail ... 11

Gambar 2.9 Fenomena Islanding Powermatch ... 12

Gambar 2.10 Fenomena Islanding Overvoltage ... 12

Gambar 2.11 Fenomena Islanding Undervoltage ... 12

Gambar 2.12 Deteksi Islanding ... 13

Gambar 2.13 Proses Dekomposisi dan Rekonstruksi Single Level Discrete Wavelet ... 15

Gambar 2.14 Dekomposisi Sinyal Multi Level... 15

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Penelitian ... 17

Gambar 3.2 Daerah kerja Photovoltaic Generation System ... 20

Gambar 3.3 Rangkaian ekivalen PV pada Simulink ... 21

Gambar 3.4 Pendekatan Rangkaian ekivalen PV pada Simulink ... 21

Gambar 3.5 Bentuk Akhir Model PV ... 22

Gambar 3.6 Susunan Blok Arus Photocurrent ... 23

Gambar 3.7 Susunan Blok Arus Saturasi Dioda ... 23

Gambar 3.8 Susunan Block Sumber Arus ... 24

Gambar 3.9 Blok Sistem Keseluruhan ... 24

Gambar 3.10 Detail Konfigurasi Sistem ... 25

Gambar 3.11 Phase Locked Loop ... 26

Gambar 3.12 Rangkaian Pensaklaran SPWM dengan Pengaturan Daya Inverter ... 29

xviii

Gambar 3.13 Filter dekomposisi dan rekonstruksi Daubichies wavelet

db2 ... 30

Gambar 3.14 Blok Discrete Wavelet Transformation ... 31

Gambar 3.15 Diagram Alir Deteksi Islanding ... 31

Gambar 4.1 Kurva Karakteristik I-V dan P-V pada Pemodelan PV KC200GT ... 33

Gambar 4.2 Kurva Karakteristik I-V dan P-V pada Pemodelan PV KC200GT 15 seri dan 2 paralel ... 34

Gambar 4.3 Perbesaran kurva karakteristik I-V pada iradian 1000W/m² ... 34

Gambar 4.4 Tegangan dan Arus PV ... 35

Gambar 4.5 Arus Inverter Sebelum Difilter ... 35

Gambar 4.6 Bentuk Gelombang dan THD Arus Output Inverter... 36

Gambar 4.7 Tegangan, Arus, dan Daya Inverter Tanpa VAR Support ... 37

Gambar 4.8 Tegangan, Arus, dan Daya Inverter Dengan VAR Support ... 38

Gambar 4.9 Karakteristik Parameter Kontrol, Tegangan, dan Arus Inverter pada Perubahan Nilai Arus Referensi ... 39

Gambar 4.10 Respon Arus Id dan Iq terhadap Perubahan Nilai Referensi ... 40

Gambar 4.11 Karakteristik Parameter Kontrol, Tegangan, dan Arus Inverter pada Perubahan Nilai Iradiasi Matahari. ... 41

Gambar 4.12 Islanding Powermatch Beban Resisitf... 42

Gambar 4.13 Islanding Powermatch Beban Induktif ... 42

Gambar 4.14 Islanding Powermatch Beban Kapasitif ... 43

Gambar 4.15 Islanding Over P dan Q-Match Beban Resistif ... 44

Gambar 4.16 Islanding Over P dan Q-Match Beban Induktif ... 44

Gambar 4.17 Islanding Over P dan Q-Match Beban Kapasitif ... 44

Gambar 4.18 Islanding over Q dan P-Match Beban Resistif ... 45

Gambar 4.19 Islanding over Q dan P-Match Beban Induktif ... 45

Gambar 4.20 Islanding over Q dan P-Match Beban Kapasitif ... 45

Gambar 4.21 Islanding Over PQ Beban Resistif ... 46

Gambar 4.22 Islanding Over PQ Beban Induktif ... 47

xix

Gambar 4.23 Islanding Over PQ Beban Kapasitif... 47

Gambar 4.24 Islanding Under P dan Q-Match Beban Resistif ... 48

Gambar 4.25 Islanding Under P dan Q-Match Beban Induktif ... 48

Gambar 4.26 Islanding Under P dan Q-Match Beban Kapasitif ... 48

Gambar 4.27 Islanding Under Q dan P-Match Beban Resistif ... 49

Gambar 4.28 Islanding Under Q dan P-Match Beban Induktif ... 50

Gambar 4.29 Islanding Under Q dan P-Match Beban Kapasitif ... 50

Gambar 4.30 Islanding Under PQ Beban Resistif ... 51

Gambar 4.31 Islanding Under PQ Beban Induktif ... 51

Gambar 4.32 Islanding Under PQ Beban Kapasitif ... 51

Gambar 4.33 Daya, Tegangan, dan Arus Beban Resistif saat Powermatch ... 57

Gambar 4.34 Transformasi Wavelet Beban Resistif Saat Powermatch ... 58

Gambar 4.35 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Powermatch ... 58

Gambar 4.36 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Powermatch ... 59

Gambar 4.37 Daya, Tegangan, dan Arus Beban Resistif saat Over P dan Q-Match ... 61

Gambar 4.38 Transformasi Wavelet Beban Resistif saat Over P dan Q- Match... 61

Gambar 4.39 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Over P dan Q- Match... 62

Gambar 4.40 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Over P dan Q-Match ... 62

Gambar 4.41 Daya, Tegangan, dan Arus Beban Resistif saat Over Q dan P-Match ... 63

Gambar 4.42 Transformasi Wavelet Beban Resistif saat Over P dan Q- Match... 63

Gambar 4.43 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Over P dan Q- Match... 64

Gambar 4.44 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Over P dan Q-Match ... 64

Gambar 4.45 Daya, Tegangan, dan Arus Beban Resistif saat Over PQ ... 65

xx

Gambar 4.46 Transformasi Wavelet Beban Resistif saat Over PQ ... 65 Gambar 4.47 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Over PQ ... 66 Gambar 4.48 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Over PQ ... 66 Gambar 4.49 Daya, Tegangan, dan Arus Beban Resistif saat Under P

dan Q-Match ... 69 Gambar 4.50 Transformasi Wavelet Beban Resistif saat Under P dan

Q-Match ... 69 Gambar 4.51 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Under P dan

Q-Match ... 70 Gambar 4.52 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Under P dan

Q-Match ... 70 Gambar 4.53 Daya, Tegangan, dan Arus Beban Resistif saat Under Q

dan P-Match ... 71 Gambar 4.54 Transformasi Wavelet Beban Resistif saat Under Q dan

P-Match ... 71 Gambar 4.55 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Under Q dan

P-Match ... 72 Gambar 4.56 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Under Q dan

P-Match ... 72 Gambar 4.57 Daya, Tegangan dan Arus Beban Resistif saat Under PQ ... 73 Gambar 4.58 Transformasi Wavelet Beban Resistif saat Under PQ ... 73 Gambar 4.59 Transformasi Wavelet Beban Induktif saat Under PQ ... 74 Gambar 4.60 Transformasi Wavelet Beban Kapasitif saat Under PQ ... 74 Gambar 4.61 Daya, Tegangan, Arus, dan Hasil Transformasi Wavelet

saat Terjadi Perubahan Daya Inverter ... 77 Gambar 4.62 Daya, Tegangan, Arus, dan Hasil Transformasi Wavelet

saat Terjadi Perubahan Beban ... 78

xxi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pensaklaran CSI satu fasa [8] ... 8 Tabel 3.1 Parameter modul KC200GT di (STC) 25⁰C, 1000 W/m² ... 18 Tabel 3.2 Parameter model yang telah disesuaikan pada keadaan

nominal dari PV tipe KC200GT ... 20 Tabel 3.3 Koefisien Filter Dekomposisi Daubichies p=2 (db2) ... 30 Tabel 4.1 THD arus output inverter ... 36 Tabel 4.2 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi Powermatch ... 57 Tabel 4.3 Waktu Deteksi dan Nilai Maksimum Absolut Detail

Powermatch ... 59 Tabel 4.4 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi Over P dan Q-

match ... 60 Tabel 4.5 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi Over Q dan P-

match ... 60 Tabel 4.6 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi Over PQ... 60 Tabel 4.7 Waktu Deteksi dan Nilai Maksimum Absolut Detail Over

Power ... 67 Tabel 4.8 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi P-under dan

Q-match ... 68 Tabel 4.9 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi P-match dan

Q-under ... 68 Tabel 4.10 Setting Arus Beban dan Inverter pada Kondisi P-under dan

Q-under ... 68 Tabel 4.11 Waktu Deteksi dan Nilai Maksimum Absolut Detail Under

Power ... 75 Tabel 4.12 Hasil Resume Skema Islanding ... 75 Tabel 4.13 Skema Perubahan Daya Inverter ... 76 Tabel 4.14 Skema Perubahan Daya Inverter ... 77

xxii

Halaman ini sengaja dikosongkan

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem tenaga listrik terdiri dari generator pembangkit, saluran transmisi dan beban, di mana umumnya menggunakan pembangkit terpusat/sentral dengan kapasitas besar. Rugi-rugi saluran proporsional terhadap besar arus listrik yang disalurkan dan panjang saluran transmisi. Oleh karena itu muncul gagasan untuk menempatkan generator kapasitas kecil yang terdistribusi di dekat beban untuk menekan angka rugi-rugi saluran. Sumber energi baru dan terbarukan banyak digunakan dalam sistem pembangkit tersebar. misal photovoltaic (PV), wind turbine, micro-hydro, dan sebagainya. Perawatan PV relatif mudah dan teknologi terus dikembangkan dalam meningkatkan efisiensi PV. Penyusunan seri dan paralel dari modul PV dapat dilakukan untuk meningkatkan tegangan dan arus output hingga ke level tertentu. Sistem PV memerlukan inverter dan filter low-pass agar dapat terhubung dengan grid dengan memenuhi persyaratan tegangan minimum pada sisi grid.

Ada beberapa skenario yang dapat terjadi dari pemodelan PV yang terhubung ke grid dan beban. Salah satunya adalah kondisi islanding, di mana kondisi ini merupakan keadaan saat grid lepas dari sistem namun PV masih terhubung dengan beban. Hal ini memungkinkan beban masih mendapat suplai daya dari PV dimana tegangan yang muncul akibat karakteristik dari current source tidak stabil dan dapat mengakibatkan kerusakan pada beban dan inverter. Oleh karena itu diperlukan pemutus/breaker pada inverter yang bertujuan memutus suplai daya dari inverter ke beban.

Metode dalam mengenali kondisi islanding ada beberapa macam seperti metode local technique dan remote technique [1] . Keunggulan metode local adalah dari sisi harga yang lebih ekonomis dan waktu deteksi yang cepat. Metode local dapat dikatagorikan menjadi metode active dan passive. Transformasi wavelet adalah salah satu metode signal processing yang dapat digunakan [2] dan dapat

2

digabungkan dengan metode pasif dengan mensensing tegangan di titik sambungan utama sistem / point of common coupling (PCC).

1.2 Rumusan Masalah

Perumusan masalah yang dibahas dalam tesis ini adalah terkait data yang digunakan untuk kemudian diproses menggunakan metode deteksi islanding.

Selanjutnya metode yang digunakan pada deteksi islanding untuk mengolah data agar didapat output berupa keputusan islanding atau bukan. Rumusan terakhir terkait hasil yang diperoleh dari metode yang digunakan.

1.3 Tujuan

Tujuan penelitian tesis ini antara lain adalah mengolah data sinyal tegangan yang terukur pada Point of Common Coupling (PCC) secara kontinyu terhadap waktu menggunakan metode transformasi wavelet dengan teknik threshold untuk mengenali kondisi islanding. Tujuan akhir adalah memperoleh hasil berupa keputusan apakah tergolong kondisi islanding atau tidak.

1.4 Batasan Masalah

Penelitian ini memiliki ruang lingkup yang membatasi permasalahan yang akan dikaji. Batasan ini antara lain adalah sebagai berikut :

1. Simulasi menggunakan MATLAB/Simulink R2015b untuk memodelkan sistem dengan berbagai variasi beban dan fenomena islanding.

2. Signal processing yang digunakan adalah transformasi wavelet diskrit.

3. Faktor daya beban pada tipe beban yang sama diasumsikan tetap pada kasus islanding yang berbeda.

1.5 Kontribusi

Kontribusi yang diharapkan dari hasil penelitian tesis adalah dapat memodelkan sistem photovoltaic terhubung grid dengan kemampuan pengaturan arus secara close-loop dan dilengkapi dengan metode deteksi islanding.

3 1.6 Metodologi Penelitian

Metodologi yang digunakan pada penelitian ini antara lain : 1. Studi Literatur dan pengumpulan data

Studi literatur mencakup studi untuk teori photovoltaic, topologi inverter beserta teknik switchingnya, dan teknik pengaturan arus/daya inverter. Selain itu juga dilakukan studi algoritma deteksi dengan menggunakan transformasi wavelet secara diskrit.

2. Pemodelan Sistem

Model sistem keseluruhan terdiri dari photovoltaic, current source inverter, beban, dan grid. Algoritma deteksi islanding dirancang sedemikian rupa sehingga dapat mengenali kondisi sistem (normal atau islanding).

3. Simulasi

Simulasi dilakukan dengan berbagai tipe beban (resistif, induktif, kapasitif) pada kondisi islanding agar didapatkan fenomena islanding. Selain itu dilakukan skema perubahan daya output inverter dan penambahan atau pelepasan beban untuk melihat perubahan tegangan yang telah ditransformasi.

4. Analisa

Hasil simulasi yang berupa koefisien detail dari transformasi tegangan diamati dan kemudian dilakukan penentuan nilai threshold untuk membedakan kondisi islanding dengan kondisi normal. Setelah itu pengujian algoritma deteksi dilakukan masing-masing pada kondisi islanding dan kondisi normal. Jika algoritma deteksi salah mengenali kondisi islanding sebagai kondisi normal dan/atau sebaliknya, maka dilakukan pergeseran nilai threshold agar dapat mengenali kondisi islanding dengan baik.

5. Kesimpulan

Langkah terakhir adalah penarikan kesimpulan berdasarkan data-data yang diperoleh dari hasil simulasi dan analisa.

4

Halaman ini sengaja dikosongkan

5

BAB 2

SISTEM PHOTOVOLTAIC TERHUBUNG GRID DAN DETEKSI ISLANDING

Output dari photovoltaic berupa arus listrik searah, sehingga untuk membuat sistem PV yang dapat terhubung grid maka diperlukan inverter sebagai konverter daya. Pada kondisi grid-fail, kondisi dimana tegangan grid hilang dari sistem interkoneksi PV, beban lokal dan jaringan masih tersuplai daya dari PV. Hal ini memunculkan fenomena islanding dengan tegangan yang muncul bersifat destruktif, yaitu dapat berupa harmonik tinggi, under voltage maupun over voltage.

Dalam mengatasi hal ini maka diperlukan sistem proteksi berupa metode anti- islanding yaitu metode untuk mengenali kondisi grid-fail, di mana outputnya adalah memberi perintah kepada relay yang terhubung PV agar putus dalam rangka memproteksi beban dan inverter.

2.1 Sistem PV Terhubung Grid

Sistem PV terhubung grid dapat dimodelkan dengan PV dan grid sebagai sumber daya, inverter, beban lokal dan jaringan, serta impedansi saluran seperti yang terlihat pada Gambar 2.1, dengan karakteristik komponen penyusunnya akan dijelaskan pada subbab berikutnya.

Local Load

Network Z line

Inverter

Grid

PV PCC

Gambar 2.1 Sistem PV Terhubung Grid

6 2.1.1 Photovoltaic

Photovoltaic (PV), sering juga disebut sel surya/solar cell, adalah peralatan listrik berbahan material semikonduktor yang dapat mengubah energi foton dari radiasi sinar matahari menjadi energi listrik arus searah. Sel tunggal PV memiliki output tegangan dan arus yang sangat kecil. Pada umumnya modul PV merupakan susunan/array dari beberapa sel PV yang disusun seri dan parallel agar didapatkan tegangan dan arus yang cukup untuk dikonsumsi.Sebuah sel tunggal PV dapat direpresentasikan sebagai rangkaian ekuivalen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Rangkaian Ekuivalen Photovoltaic

Dimana Iph, Id, dan Ip masing-masing adalah arus yang dihasilkan dari efek photoelectric, arus dioda, dan arus yang melewati resistor Rp. Rs adalah resistansi seri, Rp adalah resistansi paralel, Icell adalah arus output PV, dan Vcell adalah tegangan output PV. Berdasarkan Gambar 2.2, arus output dari sel tunggal PV dapat diformulasikan menjadi

cell ph D p

I =I − −I I (2.1)

Dengan [3]

( )

ph I n

n

I Isc K T T G G

 

= + −  

  ^(2.2)

Dapat dilihat pada persamaan 2.2 bahwa nilai photocurrent (Ip) dipengaruhi oleh parameter arus short-circuit (Isc), konstanta arus (KI), temperatur (T), dan iradian (G). Arus dioda dan arus paralel masing dapat dihitung menggunakan [4].

7

( )

0 1

cell s cell s

V R I q

AkTN

ID I e

 + 

 

 

 

 

 

= −

 

 

, _p ^{cell s cell}

p

V R I

I R

= + (2.3)

Dengan arus saturasi dioda Io [5].

( )

1

OCn V

s

SC n I

o V K T q

AkTN

I K T

I e

 +  

 

 

 

+ 

= 

 − 

 

 

(2.4)

Kurva karakteristik arus dan tegangan pada modul PV yang berubah terhadap temperature dan iradian masing-masing dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Karakteristik Modul PV Kyocera KC200GT [6]

2.1.2 Inverter Satu Fasa

Inverter adalah rangkaian elektronika daya yang berfungsi mengkonversi daya listrik arus searah (DC) menjadi bolak-balik (AC). Sebuah inverter satu fasa membutuhkan 4 buah saklar semikonduktor untuk beroperasi dan sebuah rangkaian 4 pengendali [7]. Ada dua tipe inverter yang paling umum digunakan, yaitu sebagai current source inverter (CSI) dan sebagai voltage source inverter (VSI). VSI adalah model inverter yang disuplai sumber tegangan yang konstan, sedangkan CSI adalah model inverter yang disuplai sumber arus yang konstan. Rangkaian CSI ditunjukkan pada Gambar 2.4.

8

Gambar 2.4 Konfigurasi Current Source Inverter Satu Fasa

Inverter membutuhkan sinyal pensaklaran agar dapat beroperasi. Teknik modulasi yang sering digunakan adalah teknik carrier based, diantaranya sinusoidal pulse width modulation (SPWM), teknik space vector (SV), dan teknik selective harmonic elimmination (SHE). Diantara teknik switching tersebut, SPWM adalah teknik yang paling sederhana yaitu dengan membandingkan sinyal sinusoidal sebagai sinyal modulasi/modulation dengan sinyal segitiga sebagai sinyal pembawa/carrier. Kondisi pensaklaran CSI dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Pensaklaran CSI satu fasa [8]

State Q1 Q2 Q3 Q4 output

1 1 0 0 1 i11

2 0 1 1 0 −i1

3 1 1 0 0 0

4 0 0 1 1 0

forbidden 0 0 0 0 NaN

State forbidden aalah kondisi terlarang dan harus dihindari dimana semua saklar mati dan tidak ada jalur arus/current path dari sumber arus. Pola pensaklaran ditunjukkan pada Gambar 2.5, dengan sinyal switching untuk Q3 adalah NOT dari Q1 dan sinyal switch Q4 adalah NOT dari sinyal Q2.

9 Gambar 2.5 Pola Pensaklaran SPWM

Selain sinkronisasi fasa, merujuk pada standar IEEE dan IEC sistem PV yang terhubung grid harus memenuhi syarat untuk total harmonic distortion dari arus yang diinjeksikan ke grid kurang dari lima persen (ITHD<5%) [9]. Dalam rangka mencapai kondisi ini diperlukan pemasangan low pass filter (LPF) pada output inverter. Konfigurasi filter yang dapat digunakan pada CSI yaitu C filter, CL filter, dan CLC filter

Gambar 2.6 Tipe Filter CSI

10 2.1.3 Kontrol Operasi On-Grid

Dalam rangka mengatur injeksi daya dari PV ke grid secara independen (pengaturan daya aktif dan reaktif secara terpisah) dibutuhkan suatu metode kontrol operasi. Konrol operasi on-grid dapat berupa voltage control pada VSI maupun current control pada CSI.

j d U

I

E jXsIgrid

Xs

E U grid

inverter

I

Gambar 2.7 Skema Kontrol Operasi On-Grid

Dari Gambar 2.7 dapat diformulasikan [10]

sin cos

s s

E U jX I E d X I j

= +

= ^(2.5)

Daya aktif dan reaktif dapat dihitung dengan

cos sin

s

P UI UE

j X d

= = (2.6)

2

cos

s s

UE U

Q= X d − X (2.7)

Pada teknik pensaklaran SPWM, nilai indeks modulasi (rasio gelombang sinus dengan segitiga) proporsional terhadap tegangan yang terbangkit pada VSI dan proporsional terehadap arus yang terbangkit pada CSI. Nilai dari sudut d (selisih antara tegangan/arus PV dengan tegangan grid) dapat diatur pergeserannya dengan memberikan tambahan perubahan nilai sudut yang didapat dari rangkaian Phase Locked Loop (PLL). Pada VSI nilai daya aktif dapat diatur dengan mengganti nilai tegangan E dan sudut d, sedangkan pada CSI dengan mengubah nilai arus inverter (2.6). Nilai daya reaktif dapat diatur dengan mengubah sudut d pada CSI, sedangkan pada VSI dengan mengubah nilai E dan d (2.7).

11 2.2 Kondisi Grid-Fail

Kondisi grid-fail atau sering juga disebut islanding merupakan fenomena hilangnya tegangan grid dari sistem inverter terhubung grid. Photovoltaic sebagai sumber inverter tetap terhubung dan menyalurkan arus ke jaringan sebesar IPVGS

(photovoltaic generation system current). Hal ini menyebabkan muncul harmonik tinggi dari proses pensaklaran inverter serta perubahan tegangan dan arus ke beban sehingga berdampak kerusakan pada peralatan. Sesuai dengan standard IEEE 929- 1988 dan IEEE 1547-2003, PV harus berhenti beroperasi di bawah 2 detik terhitung dari kondisi islanding.

Z line Z line

Network Local

load grid

I_PVGS

Open

Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Saat Grid-Fail

2.2.1 Fenomena Islanding

Fenomena islanding dapat diklasifikasikan berdasarkan perbedaan nilai daya aktif dan reaktif antara DG dengan beban. Saat daya DG lebih dari daya beban maka akan muncul kondisi tegangan lebih/over voltage. Apabila daya DG kurang dari daya beban maka akan terjadi tegangan turun/under voltage. Kondisi saat daya DG sama dengan daya beban maka akan terjadi kondisi powermatch, dimana tegangan DG akan sama degan tegangan beban sesaat sebelum dan sesudah kondisi islanding. Fenomena islanding pada beban resistif ditunjukkan pada Gambar 2.9, Gambar 2.10, dan Gambar 2.11.

12

arus Tegangan terfaktorisasi 30

islanding

Gambar 2.9 Fenomena Islanding Powermatch

islanding

arus Tegangan terfaktorisasi 30

Gambar 2.10 Fenomena Islanding Overvoltage

islanding

arus Tegangan terfaktorisasi 30

Gambar 2.11 Fenomena Islanding Undervoltage

13 2.2.2 Deteksi Islanding

Teknik dalam mendeteksi islanding dapat diklasifikasikan menjadi local technique dan remote technique. Dimana local technique dapat dikategorikan menjadi tipe aktif, pasif, dan hybrid [1]. Perbedaan utama dari kedua metode ini adalah pada metode pasif hanya mengamati perubahan nilai parameter yang spesifik seperti tegangan, harmonik [11], frekuensi [12], dan dan pergeseran fasa [13]. Sedangkan pada metode aktif memberikan injeksi gangguan pada sistem.

Metode pemrosesan sinyal/signal processing dapat digunakan untuk meningkatkan peforma dari metode passive technique.

Gambar 2.12 Deteksi Islanding

2.2.3 Anti-Islanding Protection

Proteksi anti-islanding dapat menggunakan salah satu atau gabungan dari jenis deteksi islanding pada Gambar 2.12 [2]. Selanjutnya akan dibahas mengenai proteksi islanding dengan teknik sinyal prosesing transformasi wavelet. Teknik ini dapat mentransformasi sinyal periodik maupun nonperiodik pada skala waktu dan frekuensi dengan teknik translasi/shifting dan penskalaan/scaling dengan tujuan membangkitkan sinyal transformasi/daughter wavelet dari sinyal urama/mother wavelet. Hasil sinyal dari transformasi ini dapat di transformasi balik/inverse transformation tanpa kehilangan informasi waktu dan frekuensi sinyal

14

awal. Transformasi wavelet dapat dibedakan menjadi dua kategori yaitu ranah kontinyu/continuous dan diskrit/discrete. Transformasi wavelet secara kontinyu bekerja dengan cara mengkonvolusi fungsi wavelet dengan sinyal utama/mother wavelet pada domain waktu kontinyu. Sedangkan representasi skala waktu dari pemrosesan sinyal digital didapat dengan teknik penyaringan digital/digital filtering technique. Jenis filter yang digunakan pada Discrete Wavelet Transform (DWT) adalah tipe filter Finite Impulse Response (FIR).

Ada beberapa filter yang memberikan hasil yang memuaskan dan filter- filter ini dikelompokkan ke dalam keluarga/families wavelet (Daubichies, Symlets, Coiflets). Hubungan sinyal input dengan output menggunakan filter FIR pada orde N dapat dituliskan pada persamaan di bawah [14],

       

   

0 1

0

1 ... _N

N

i i

y n b x n b x n b x n N

y n b x n i

=

= + − + + −

=



− ^(2.8)

Dengan y[n] adalah sinyal output, x[n] adalah sinyal input, N adalah orde filter, dan b adalah nilai respon impuls filter. Ada 2 proses pengolahan sinyal dalam DWT yaitu proses analisis/dekomposisi dan proses sintesis/rekonstruksi. Proses dekomposisi dan rekonstruksi dapat dilakukan secara bertingkat hingga level tertentu. Ada 2 jenis filter yang digunakan disetiap level proses dekomposisi atau rekonstruksi yaitu high pass filter (HPF) dan low pass filter (LPF). Filter HPF digunakan untuk menganalisis sinyal frekuensi tinggi dan hasil dari filter ini disebut koefisien detail/Detail coefficient (cD), sedangkan filter LPF digunakan untuk menganalisis sinyal frekuensi rendah dan hasil dari filter ini disebut koefisien approximation/approximation coefficient (cA). Pada umumnya proses subsampling dilakukan setelah proses pemfilteran untuk menjaga dimensi dari koefisien detail dan approximation dengan sinyal asli agar tetap sama. Proses dekomposisi dan rekonstruksi single-level dicrete wavelet ditunjukkan pada Gambar 2.13.

15

Gambar 2.13 Proses Dekomposisi dan Rekonstruksi Single Level Discrete Wavelet

Proses dekomposisi sinyal dapat disusun secara bertingkat/cascade hingga level tertentu (multi level).

Gambar 2.14 Dekomposisi Sinyal Multi Level

Koefisien detail dan approximation dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.8 dengan kombinasi teknik downsampling menjadi

16

     

     

2 2

k

k

cD n x k g n k

cA n x k h n k

= −

= −





^(2.9)

Dengan n adalah urutan data, x adalah sinyal input, g dan h masing-masing adalah koefisien filter HPF dan LPF, k adalah orde filter.

17

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

Bagian ini akan menguraikan mengenai proses penelitian, pemodelan photovoltaic dan inverter current source, fenomena islanding, serta metode dan algoritma deteksi islanding.

3.1 Proses Penelitian

Proses penelitian ini digambarkan dalam sebuah diagram alir sebagai berikut:

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Penelitian

18 Berikut tahapan dari proses penelitian,

1. Pembuatan desain simulasi sistem photovoltaic dan inverter current source terhubung grid satu fasa pada MATLAB/Simulink.

2. Mengamati tegangan PCC dari hasil simulasi sistem normal dan islanding.

3. Melakukan analisis transformasi tegangan PCC dengan wavelet diskrit.

4. Menentukan titik threshold hingga dapat memisahkan kondisi normal dengan kondisi islanding.

5. Menjalankan simulasi dengan skenario islanding.

6. Merekam dan membuat analisis dari data hasil simulasi.

3.2 Sizing Komponen

Komponen yang digunakan pada penelitian ini berdasarkan spesifikasi komponen PV Kyocera tipe KC200GT. Tabel 3.1 menunjukkan nilai parameter elektris yang didapat dari datasheet modul PV Kyocera tipe KC200GT saat diukur di kondisi tes standar/standard test condition (STC), yaitu pada suhu 25⁰C dan iradian 1000 W/m² [6].

Tabel 3.1 Parameter modul KC200GT di (STC) 25⁰C, 1000 W/m²

Parameter Nilai

Vgrid 220 Vrms

Vmp 26,3 V

Imp 7,61 A

Voc 32,9 V

Isc 8,21 A

KV −1,230×10^-1 V/⁰C

KI 3,18×10^-3 A/⁰C

NS 54

Pada penelitian ini photovoltaic didesain agar mampu mensuplai daya sebesar 2500W ke grid satu fasa dengan tegangan sisi grid adalah 220Vrms. Apabila inverter diasumsikan memiliki efisiensi 100%, maka keseimbangan daya ideal antara sisi DC dengan sisi AC ditunjukkan pada (3.1)

DC PV PV inv inv

cos

AC

P = V  I = V  I  j = P

(3.1)

19

Dengan Vinv dan Iinv dalam nilai rms dan faktor daya diasumsikan 1, maka

( )

2500 220 1

2500 11,3636 220

DC AC inv

inv

P P I

I A

= = =  

= =

Arus PV pada sisi DC yang diperlukan untuk menghasilkan arus sinusiodal rms sebesar 11,3636A adalah

( )

2

2 11,3636 16, 07

PV inv

PV

I I

I A A

=

= =

Dalam rangka mendapatkan arus total 16,07A dan melihat spesifikasi datasheet PV pada Tabel 3.1, maka jumlah modul paralel yang diperlukan sesuai (3.2) adalah

modul

PV pp

SC

N I

= I (3.2)

16, 07

1,9574 2 8, 21

pp

N A

= A = 

Perhitungan jumlah minimum modul seri yang diperlukan agar memenuhi syarat minimum untuk interkoneksi ke grid sebagai sumber arus adalah

m ss

mp

N V

V _(3.3)

Dengan Vm adalah tegangan maksimum grid, 220 2

11,83 12 26, 3

N ss = 

Susunan modul seri ditambah hingga 15 buah agar memberikan nilai tegangan yang sedikit lebih tinggi dari tegangan grid untuk memberikan kualitas daya yang lebih baik. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan susunan modul dengan seri 15 dan paralel 2, dihasilkan daya maksimum 5700 watt dengan Vmp=394V dan Imp=14,467.

Dari nilai maksimum point ini plot daerah kerja PV terlihat pada Gambar 3.2.

20

Vmp,Imp

394;14,467

Voltage source

current source

Gambar 3.2 Daerah kerja Photovoltaic Generation System

3.3 Pemodelan Sistem Photovoltaic

Parameter pada keadaan nominal PV didapatkan dari penyesuaian persamaan matematis berdasarkan 3 kondisi yaitu keadaan open circuit, maximum point, dan short circuit [15].

Tabel 3.2 Parameter model yang telah disesuaikan pada keadaan nominal dari PV tipe KC200GT

Parameter Nilai

Pmax 200,143 W

Vmp 26,3 V

Imp 7,61 A

Voc 32,9 V

Isc 8,21 A

I0,n 9,825×10^-8

Ipv 8,214

A 1,3

Rp 415,405 Ω

Rs 0,221 Ω

Rangkaian ekivalen PV dari Gambar 2.2 apabila dibawa ke ranah simulink menjadi seperti gambar Gambar 3.3.

21 +

s − −

+

Rs

R_p

Iph

out +

out −

Id Ip

V I Iph

Gambar 3.3 Rangkaian ekivalen PV pada Simulink

Dalam mendapatkan model dioda dengan arus yang tersaturasi, maka persamaan arus saturasi dioda dan arus photocurrent PV digabung menjadi satu model sumber arus terkontrol seperti terlihat pada Gambar 3.4.

+

s − +⁻

Rs

Rp

Iph-Id

out +

out − Ip

V Iph-Id I

Gambar 3.4 Pendekatan Rangkaian ekivalen PV pada Simulink Dengan (2.1) dan (2.3) menjadi

( )

0 1

cell s cell s

ph d p

V R I q

AkTN s

ph

p

I I I I

V R I

I I I e

R

 + 

 

 

 

= − −

  +

 

= − − −

 

 

(3.4)

Sinyal input dari model sumber arus terkontrol dapat dikatakan sebagai selisih antara arus photocurrent Iph dengan arus dioda Id [15].

22

( )

0 1

cell s cell s

m ph d

V R I q

AkTN

m ph

I I I

I I I e

 + 

 

 

 

= −

 

 

= − −

 

 

(3.5)

Dari Gambar 3.4 dan (3.4), model akhir dari rangkaian ekivalen PV menjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5

Gambar 3.5 Bentuk Akhir Model PV

Dengan Vt=NskT/q, dimana Vt adalah tegangan termal dioda, Ns adalah jumlah dioda seri dalam satu modul, k adalah konstanta Boltzman (1,3806503×10^-23 J/K), T adalah suhu (K), dan q adalah muatan elektron (1,6021764×10^-19 C).

Gambar 3.5 memperlihatkan bahwa sinyal sumber arus menggunakan formulasi dengan 4 buah input, yaitu tegangan output (V), arus output (I), arus photocurrent (Iph), dan arus saturasi dioda (I0). Blok sinyal arus photocurrent (Iph) dan arus saturasi dioda (I0) masing-masing dapat disusun berdasarkan Persamaan 2.2 dan Persamaan 2.4, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6 dan Gambar 3.7.

23 Gambar 3.6 Susunan Blok Arus Photocurrent

Gambar 3.7 Susunan Blok Arus Saturasi Dioda

Modifikasi pada (3.1) diperlukan untuk memodelkan modul PV yang tersusun secara seri paralel tanpa harus merangkai model modul dengan connector, dengan Nss adalah jumlah modul seri dan Npp adalah jumlah modul paralel, maka didapat persamaan sebagai berikut [16],

m 0

I exp 1

s ss

pp

pp ph pp

ss t

V I R N N I N I N

N AV

  +  

   

   

= − −

   

   

 

 

(3.2)

Dari (3.2) dapat didapat susuna blok persamaan sesuai yang ditunjukkan pada Gambar 3.8.

24 Gambar 3.8 Susunan Block Sumber Arus

3.4 Konfigurasi Current Source Inverter pada Sistem Photovoltaic Terhubung Grid

Gambar 3.9 menunjukkan skema sistem secara keseluruhan, dimana terdapat modul PV, sebuah inverter, 2 buah load yang masing-masing ditempatkan di dekat beban dan di dekat grid, impedansi saluran, grid, serta 2 buah breaker masing-masing untuk membuat skenario islanding dan yang lainnya untuk menerima perintah trip dari algoritma anti islanding.

Gambar 3.9 Blok Sistem Keseluruhan

25

Inverter Current Source satu fasa mempunyai 4 saklar voltage bidirectional switch (VBS), Gambar 3.10, dengan masing-masing VBS direpresentasikan dengan sebuah MOSFET dan sebuah dioda yang dirangkai seri sehingga dapat dioperasikan pada arus konstan dan mempunyai kemampuan blocking arus searah [17], [18].

Topologi switching SPWM adalah dengan membandingkan gelombang sinusoidal sebagai sinyal modulasi dengan gelombang segitiga sebagai sinyal pembawa/carrier, dengan batasan nilai puncak dari modulasi sinyal adalah

Gambar 3.10 Detail Konfigurasi Sistem

3.4.1 Phase Locked Loop

Rangkaian phase locked loop (PLL) dapat digunakan untuk merekam sudut fasa dari tegangan yang terukur di titik PCC, selanjutnya sudut fasa dapat digunakan untuk membangkitkan sinyal sinusoidal, sehingga gelombang sinusoidal yang terbangkit memiliki sudut fasa dan frekuensi yang sama dengan tegangan

26

PCC. Dengan kata lain PLL digunakan sebagai sinkronisasi fasa pada sinyal yang dibangkitkan dengan tegangan jala-jala saat grid masih terhubung. Rangkaian PLL terdiri dari tiga komponen utama yaitu phase detector, controlled oscillator dan low pass filter seperti yang terlihat pada Gambar 3.11. Output dari rangkaian PLL ini adalah nilai sudut fasa (t) dan frekuensi.

Gambar 3.11 Phase Locked Loop

3.4.2 Low Pass Filter

Penelitian ini menggunakan konfigurasi CL filter sebagai low pass filter karena sederhana dan cukup dapat menekan angka harmonik hingga memenuhi standar minimum untuk terhubung grid (THD<5%). Perhitungan nilai kapasitansi memerlukan nilai base seperti ditunjukkan pada (3.7).

1

B

B B

C ⁼ Z ^(3.7)

Dengan

B 2 fg



=



;

2

B B

B

B B

V V

Z = I = P (3.8)

CB adalah kapasitansi base, ZB adalah impedansi base, fg adalah frekuensi grid, VB

adalah tegangan base, dan PB adalah daya base. Selanjutnya pemilihan nilai kapasitor didapat dengan menggunakan (3.9).

27

C =  C

B (3.9)

Dengan  adalah variasi maksimum dari power factor (pf) [19]. Bila menggunakan nilai =5%, nilai kapasitor dapat yang digunakan adalah

( )

2

6 2

1 2

0.05 1 8, 22 10 8, 22

2 50 220 2500

B

B

C V

f P

C F F









−

=

= =  =

Nilai filter induktor didapat dengan menentukan frekuensi resonan fR. 1

R 2 f

 LC

= _{; dengan} 10f_g  f_R0.5f_sw (3.10)

Nilai fR dipilih pada rentang terkecil yaitu 500Hz karena sudah memberikan hasil yang cukup baik. Sehingga didapatkan nilai filter L adalah sebagai berikut

( )

( )

2

3

2 6

1 2

1 12,3 10 12,3

2 500 8, 22 10

R

L

f C

L H mH





−

−

=

= =  =



3.4.3 Transformasi Clark-Park

Dalam rangka mendapatkan kuantitas DC dari arus sinusoidal satu fasa diperlukan suatu transformasi dengan menggunakan frame sudut fasa (t) grid yang berjalan terhadap waktu menggunakan transformasi Clark-Park. Kuantitas DC yang didapat selanjutnya digunakan untuk mengontrol arus sumbu d (Id) dan arus sumbu q (Iq). Dengan mengatur kedua besaran arus ini, nilai daya aktid dan daya reaktif dari inverter dapat diatur secara terpisah yang nilainya dapat dihitung menggunakan

2

2

d d q q

q d d q

V I V I P

V I V I Q

= −

− +

=

(3.11)

28

Dengan Vd dan Id adalah tegangan dan arus sumbu d (d-axis), dan Vq dan Iq adalah tegangan dan arus sumbu q (q-axis). Transformasi Clark dalam membangkitkan sinyal orthogonal dapat menggunakan beberapa metode diantaranya time delay, phase shift, all pass filter, dan second-order generalized integrator (SOGI) [20]. Metode yang diusulkan pada penelitian ini menggunakan time delay. Idenya adalah dengan melihat arus aktual sebagai arus sumbu  (- axis) dan arus yang didelay sebagai arus sumbu  (-axis). Jika kita menggunakan referensi gelombang sinusoidal maka komponen  dapat dihitung dengan

( )

( )

sin

sin cos

2

i A t

i A t A t





 d

 d   d

= +

 

=  + − = − +

(3.12)

Komponen DQ dapat dihitung dari komponen ab menggunakan matrik transformasi sebagai berikut

sin cos cos sin

d q

i t t i

i TI t t i



 

 

 

−

 = =  

    

   

  ^(3.13)

Matrix T di atas terbentuk bila menggunakan sint sebagai referensi. Apabila menggunakan cost sebagai referensi, maka elemen sint dan cost masing- masing harus diganti dengan cost dan -sint.

3.4.4 Pengaturan daya Aktif dan Reaktif

Skema pengaturan daya aktif dan reaktif inverter dapat dilihat pada Gambar 3.12. Skema kontrol ini didasarkan pada teknik kombinasi antara arus trasnformasi dq dengan metode linear regulator carrier-based. Daya aktif dan reaktif inverter dapat diatur berdasarkan nilai Id referensi yang didapat dari algoritma MPPT dan Iq referensi yang didapat dari rangkaian kontrol VAR. Pada penelitian ini dibatasi untuk tidak membahas algoritma MPPT dan kontrol VAR, sehingga nilai Id dan Iq didapat dari block konstanta pada simulink.

29

Gambar 3.12 Rangkaian Pensaklaran SPWM dengan Pengaturan Daya Inverter

3.5 Metode Anti-Islanding

3.5.1 Discrete Wavelet Transformation

Pada penelitian ini tipe wavelet yang digunakan adalah Daubichies dengan nilai vanishing moment adalah 2 dan level dekomposisi hingga level ke-6.

Penentuan ini berdasarkan pada uji coba macam-macam wavelet yang memberikan hasil yang terbaik dengan mempertimbangkan parameter jumlah filter digital yang paling sedikit dan waktu komputasi yang tidak terlalu lama. Nilai-nilai filter digital wavelet didapat dengan menghitung menggunakan syntax wavelet filter (wfilters) pada MATLAB.

w='db2';

[LoD,HiD,LoR,HiR] = wfilters(w);

subplot(221);

stem(LoD);

title('Decomposition Lowpass Filter');

subplot(222);

stem(HiD);

title('Decomposition Highpass Filter');

subplot(223);

stem(LoR);

title('Reconstruction Lowpass Filter');

subplot(224);

stem(HiR);

title('Reconstruction Highpass Filter');

30

LoD dan LoH masing-masing adalah filter analisis/dekomposisi dan sintesis/rekonstruksi frekuensi rendah, sedangkan HiD dan HiR masing-masing adalah filter analisis/dekomposisi dan sintesis/rekonstruksi frekuensi tinggi. Plot koefisien dari masing-masing filter dapat dilihat pada Gambar 3.13. Pada penelitian ini hanya menggunakan proses dekomposisi dalam penentuan nilai threshold sehingga parameter filter rekonstruksi dapat diabaikan. Nilai-nilai parameter dari filter dekomposisi Daubichies db2 dapat dilihat pada Tabel 3.3.

Gambar 3.13 Filter dekomposisi dan rekonstruksi Daubichies wavelet db2

Tabel 3.3 Koefisien Filter Dekomposisi Daubichies p=2 (db2)

n LoD HiD

0 −0.129409522550921 −0.482962913144690 1 0.224143868041857 0.836516303737469 2 0.836516303737469 −0.224143868041857 3 0.482962913144690 −0.129409522550921

Filter digital wavelet didapat dengan menyusun secara bertingkat blok “Two- Channel Analysis Subband Filter” sebanyak level dekomposisi yang ingin

31

digunakan seperti terlihat pada Gambar 3.14, dengan mengisikaan nilai-nilai filter LoD dan HiD ke dalam blok tersebut.

Gambar 3.14 Blok Discrete Wavelet Transformation

Gambar 3.15 Diagram Alir Deteksi Islanding

32

Gambar 3.15 menunjukkan diagram alir dari algoritma deteksi yang digunakan. Pemilihan nilai threshold=8 didapat setelah mensimulasikan kondisi normal dan islanding dari berbagai kondisi seperti yang ditunjukkan pada diagram alir proses penelitian (Gambar 3.1).

33

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Bagian ini membahas mengenai hasil simulasi dari karakteristik model PV, inverter, simulasi berbagai kondisi normal dan islanding, serta waktu deteksi yang perlukan algoritma wavelet dalam mengenali kondisi islanding.

4.1 Pengujian Model Photovoltaic

Hasil plot kurva karakteristik PV dengan berbagai kondisi iradian dengan nilai Nss=1 dan Npp=1 ditunjukkan pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Kurva Karakteristik I-V dan P-V pada Pemodelan PV KC200GT

Pada penelitian ini menggunakan jumlah modul seri Nss=15 dan jumlah modul paralel Npp=2 agar dapat memenuhi syarat minimum interkoneksi dengan tegangan grid dan memiliki rentang transfer daya yang tinggi. Hasil plot kurva karakteristik PV yang dirangkai seri paralel dapat dilihat pada Gambar 4.2.

34

Gambar 4.2 Kurva Karakteristik I-V dan P-V pada Pemodelan PV KC200GT 15 seri dan 2 paralel

Dari Gambar 4.1 terlihat bahwa hasil plot kurva karakteristik model yang dibuat telah mendekati kurva pada datasheet PV Kyocera KC200GT. Pada Gambar 4.2 dengan irradian 1000W/m² (magenta), nilai tegangan open circuit model dan arus short circuit model dapat dihitung berdasarkan jumlah modul seri paralel.

_ _

15 32,9 493,5 2 8, 21 16, 42

oc seri

sc paralel

V V

I A

=  =

=  =

Gambar 4.3 Perbesaran kurva karakteristik I-V pada iradian 1000W/m²

35

Gambar 4.3 menunjukkan hasil plot kurva karakteristik modul PV dengan perhitungan sudah mendekati sesuai.

4.2 Karakteristik Inverter Current Source terhubung grid.

4.2.1 Keadaan Steady State

Subbab ini mengamati karakteristik gelombang pada bagian-bagian blok sistem dalam keadaan steady state Simulasi dilakukan pada setting arus referensi sumbu d/d-axis (Id) sebesar 6A dan arus referensi sumbu q/q-axis (Iq) sebesar 0A.

Gambar 4.4 menampilkan simulasi tegangan dan arus photovoltaic.

Gambar 4.4 Tegangan dan Arus PV

Terlihat bahwa gelombang tegangan PV berosilasi dari keadaan short circuit hingga sedikit di atas tegangan maksimum grid. Pada gelombang arus PV sudah cukup stabil dikisaran 16A dengan ripple 5,5%.

Gambar 4.5 Arus Inverter Sebelum Difilter

36

Gambar 4.5 menunjukkan gelombang arus output inverter sebelum difilter dan Gambar 4.6 adalah gelombang arus inverter setelah melewati filter. Hasil yang didapat pada simulasi sudah sesuai teori yaitu dengan teknik switching yang dilakukan adalah SPWM, kerapatan gelombang pulsa pada tiap setengah periode berbeda-beda. Setelah melewati filter low-pass angka harmonik yang tinggi pada gelombang yang berbentuk pulsa ditekan hingga ke titik yang cukup rendah sehingga bentuk gelombang arus mendekati sinusoidal.

Nilai total harmonic distortion (THD) dari arus output inverter saat iradian 1000W/m² ditunjukkan pada Gambar 4.6 yaitu sebesar 3,05% untuk arus dengan magnitudo 6A pada frekuensi fundamental 50Hz. Nilai THD pada berbagai magnitudo arus ditunjukkan pada Tabel 4.1.

Gambar 4.6 Bentuk Gelombang dan THD Arus Output Inverter

Tabel 4.1 THD arus output inverter

Magnitudo Arus (A) THD (%)

2 5,50

4 4,35

6 3,05

8 1,15

10 1,54

12 1,06

14 0.88

16 2,09

37

Nilai THD dihitung dari 5 siklus keadaan steady state pada tiap-tiap besaran magnitudo arus output inverter. Nilai dari parameter filter inverter dirancang pada arus maksimum 16,42A, namun nilai THD terkecil didapat pada saat magnitudo arus inverter mencapai 14A. Nilai THD terbesar didapat pada saat inverter mengeluarkan arus sebesar 2A, pengoperasian pada nilai arus ini sebaiknya dihindari karena telah keluar batas standar (THD<5%).

Berikutnya adalah pengujian untuk mengamati perbedaan fasa antara tegangan dan arus output inverter apabila menggunakan atau tidak menggunakan fitur VAR support pada inverter. Fitur VAR support bertujuan agar dapat mengoperasikan inverter dengan memberikan daya reaktif ke grid apabila grid kekurangan daya reaktif atau dapat mengambil daya reaktif dari grid apabila grid kelebihan daya reaktif . Hal ini bertujuan untuk meminimalisir terjadinya over/under voltage akibat daya reaktif pada beban yang tidak sepadan dengan daya reaktif yang dibangkitkan generator lain yang terhubung grid. Simulasi tanpa VAR support dilakukan dengan menyetel arus Id ref sebesar 6A dan arus Iq ref sebesar 0A (Gambar 4.7), sedangkan simulasi dengan VAR support dilakukan dengan menyetel arus Id ref sebesar 6A dan arus Iq ref sebesar -3A (Gambar 4.8).

Gambar 4.7 Tegangan, Arus, dan Daya Inverter Tanpa VAR Support

38

Gambar 4.8 Tegangan, Arus, dan Daya Inverter Dengan VAR Support

Pada Gambar 4.7 terlihat bahwa saat inverter mensuplai daya ke grid pada kisaran 1000W dan 0VAR, gelombang tegangan dan arus output inverter berada pada fasa yang sama, sedangkan saat inverter mensuplai daya ke grid pada kisaran 1000W dan 500VAR, gelombang arus sedikit terlambat (lagging) dari gelombang tegangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8.

4.2.2 Respon close-loop

Pada pengujian respon close loop sistem, simulasi dilakukan berdasarkan dua kondisi yaitu dengan mengubah arus referensi inverter dan dengan memvariasikan nilai iradian matahari. Gambar 4.9 menunjukkan karakteristik respon inverter terhadap perubahan arus referensi sedangkan Gambar 4.11 menunjukkan karakteristik respon inverter terhadap perubahan iradiasi matahari.

39

Gambar 4.9 Karakteristik Parameter Kontrol, Tegangan, dan Arus Inverter pada Perubahan Nilai Arus Referensi

40

Pada Gambar 4.9 terlihat bahwa dengan mengganti arus referensi Id dan Iq maka daya inverter juga akan berubah secara proporsional. Dengan kapasitas PV yang sama menyebabkan parameter kontrol indeks modulasi dan sudut theta pada rangkaian pensaklaran inverter menyesuaikan secara otomatis untuk menaikkan/menurunkan arus output inverter agar sama dengan nilai referensinya.

Respon perubahan nilai kedua parameter kontrol ini terlihat sudah cukup baik.

Gambar 4.10 Respon Arus Id dan Iq terhadap Perubahan Nilai Referensi

Perubahan arus Id output inverter seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.10 menunjukkan hasil yang cukup baik dengan eror yang cukup kecil. Pada arus Iq memberikan eror yang cukup besar ketika inverter dioperasikan pada daerah leading/menyerap daya reaktif dari grid.

Pada skema perubahan nilai iradiasi yaitu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.11 terlihat bahwa dengan mengubah nilai iradiasi tanpa mengubah nilai arus referensi, maka parameter kontrol seperti indeks modulasi dan sudut theta akan menyesuaikan secara otomatis dalam rangka untuk menjaga arus dan daya PV agar tetap konstan.

41

Gambar 4.11 Karakteristik Parameter Kontrol, Tegangan, dan Arus Inverter pada Perubahan Nilai Iradiasi Matahari.