BAB II TINJAUAN PUSTAKA

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 DGDS DC Microgrid

DGDS (Distributed Generation and Distributed Storage) DC microgrid adalah arsitektur microgrid yang terdiri dari rumah tangga / nanogrid. Dimana setiap nanogrid memiliki panel surya sendiri yang dipasang di bagian atas atap dan penyimpanan sendiri. Dengan demikian, setiap rumah disebut sebagai nanogrid yang dapat beroperasi baik dalam bentuk independen maupun yang saling berhubungan [8].

Nanogrid dimodelkan dengan kombinasi PV sel surya, beban rumah, baterai, converter DC-DC, converter flyback dua arah, dan dual active bridge. Setiap nanogrid memiliki dua bus. Bus tempat photovoltaic (PV), penyimpanan, dan beban terhubung disebut sebagai bus PV, sedangkan bus yang menghubungkan setiap rumah tangga / nanogrid lainnya disebut bus pengumpan [5].

Arsitektur DGDS DC microgrid memiliki keunggulan bawaan yakni : a) efisiensi yang lebih tinggi karena pembangkitan terdistribusi dan penyimpanan terdistribusi, b) skalabilitas modular untuk ekspansi di masa mendatang, c) penyaluran daya berlebih dari tiap rumah tangga / nanogrid ke beban komunal seperti : sekolah, unit kesehatan, dan lampu taman [3].

Prinsip kerja dari arsitektur DGDS DC microgrid adalah panel PV di rumah 1 harus mampu menyediakan listrik ke rumah 2 jika daya yang dihasilkan panel PV tidak digunakan di rumah 1 dan begitu pula sebaliknya. Jika kebutuhan beban disetiap rumah terpenuhi dan memiliki kelebihan daya, diperlukan mekanisme agar daya dapat digunakan untuk beban komunal seperti pompa air dan penerangan jalan [3]. Aliran daya dua arah ini dikendalikan melalui converter yang disebut sebagai central power processing units (CPPU). CPPU ini berisi mikrokontroler bersamaan dengan converter DC-DC berbasis maximum power point tracking (MPPT) dan converter flyback dua arah.

7 2.2 Radial Insterconnection System

Sistem interkoneksi radial memiliki konfigurasi paling sederhana dan nilai investasi terhadapat system interkoneksi radial tergolong murah [12]. Untuk kontrol sistem proteksi menjadi lebih mudah karena strukturnya yang sederhana [13].

Didalam desain Distributed Generation and Distributed Storage (DGDS) dengan radial interconnection system, lebih sedikit menggunakan konduktor dari pada desain ring interconnection system sehingga menekan pengeluaran [3]. Ini mengapa system interkoneksi radial merupakan salah satu interkoneksi yang paling sering digunakan.

2.3 Panel Surya

Untuk memperoleh energy alternative yang bersumber dari cahaya matahari, panel surya merupakan alat yang diperlukan dalam hal ini. Perangkat yang dapat mengkonversikan energi matahari menjadi listrik ialah panel surya. Faktor sinar datang atau Ultra Violet merupakan salah satu factor yang mempengaruhi hasil energy listrik dari panel surya[14]. Besar intensitas cahaya yang diterima panel surya dari pencahayan matahari, berbanding lurus dengan listrik yang dihasilkan.

Struktur sel surya merupakan diode sambungan (junction) antara dua lapisan.

Semikonduktor yang kelebihan muatan positif yakni semikonduktor jenis p (positif) dan semikonduktor dengan kelebihan muatan negative yakni semikonduktor jenis n (negatif) [15].Pada gambar 2.1 dibawah ini diilustrasikan pembuatan silicon.

Gambar 2.1 Ilustrasi Pembuatan Silicon [15].

Di dalam semikonduktor intrinsik ini, muatan elektron ataupun hole memiliki jumlah yang sama. Meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikonduktor, merupakan kelebihan electron dan hole. Pada gambar 2.2 mengilustrasikan cara kerja panel surya [15].

8

Gambar 2.2 Ilustrasi Cara Kerja Panel Surya[15]

Berikut proses pembentukan energi listrik dari panel surya:

 Material semikonduktor mampu menyerap foton dari cahaya matahari yang mengenai panel surya.

 Elektron yang merupakan muatan negatif terlempar keluar dari atomnya, sehingga mengalir melalui material semikonduktor untuk menghasilkan listrik. Hole merupakan muatan positif yang mengalir dengan arah yang berlawanan dengan elektron pada panel surya silikon.

 Baterai sebagai wadah penyimpan sumber daya listrik DC yang dihasilkan dari beberapa panel surya disusun secara parallel ataupun seri.

 Energi listrik yang dihasilkan akan dihubungkan dengan inverter dan dapat digunakan untuk kebutuhan listrik harian rumah tangga.

Berikut merupakan jenis - jenis Panel Surya [16]:

1. Monocrystalline

Yakni panel yang paling efisien yang menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Penel surya jenis ini dirancang untuk penggunaan yang memerlukan konsumsi daya listrik yang tinggi pada tempat-tempat yang beriklim ekstrim dan dengan cuaca yang sangat ganas. Panel jenis ini memiliki efisiensi sampai dengan 15%.

Efisiensinya akan turun drastic dalam cuaca berawan, dan adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang merupakan kelemahan jenis panel ini.

2. PolyCrystalline

Yakni panel Surya yang tersusuna oleh kristal yang acak karena dipabrikasi dengan proses pengecoran. Dibandingkan dengan jenis

9

monokristal, jenis ini memerlukan luas permukaan yang lebih besar untuk menghasilkan daya listrik yang sama. Panel suraya jenis ini memiliki harga yang cenderung murah, ini dikarenakan efisiensi lebih rendah dibandingkan tipe monokristal.

3. Thin Film Photovoltaic

Yakni jenis panel surya yang terdiri dari dua lapisan dengan struktur lapisan tipis amorphous dan mikrokristal silicon dengan efisiensi modul hingga 8.5%, sehingga per watt daya yang dihasilkan memerlukan luas permukaan yang lebih besar dari pada monocrystalline dan polycrystalline. Dapat menghasilkan daya listrik hingga 45% lebih tinggi dari jenis panel surya lain dengan daya yang setara dan efisiensi yang tinggi dalam kondisi yang sangat berawan, inovasi terbaru berupa thin film triple junction photovoltaic yang terdiri dari tiga lapisan ini ditawarkan.

2.4 Boost Converter

Boost converter merupakan perangkat yang digunakan untuk meningkatkan nilai tegangan DC ke level yang lebih tinggi. Alat ini merupakan bentuk catu daya yang digunakan jika ingin menghasilkan output tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan input-nya [17].

Gambar 2.3 Rangkaian Boost Converter saat (a) On State (b) Off State[17]

Boost coverter mempunyai dua mode fungsi pada posisi saklar. Pada gambar 2.3 (a) arus mengalir melewati dan menyimpan sejumlah energi pada induktor dengan meregenerasi medan magnet di sebelah sisi kiri polaritas positif induktor

10

saat saklar tertutup. Pada gambar 2.3 (b) saat saklar terbuka, medan magnet akan berubah (sisi kiri berubah negatif) dan medan magnet akan menjadi arus listrik dan disalurkan ke beban[17].

2.5 Bidirectional DC-DC Converter

Dengan meningkatnya kebutuhan sistem dengan kemampuan perpindahan energi dua arah antar bus DC, salah satunya pada sistem energi terbarukan maka sistem bidirectional DC-DC converter sangat diperhatikan. Konverter DC-DC dasar seperti boost atau buck converter memiliki keterbatasan yakni tidak memiliki kemampuan aliran daya dua arah. Ini disebabkan oleh adanya diode yang mencegah aliran arus balik[18].

Gambar 2.4 Rangkaian Bidirectional DC-DC Converter

2.6 Dual Active Bridge (DAB) Converter

Dua active bridge converter merupakan konverter yang dipasang disetiap nanogrid dan dihubung ke bus DC eksternal dengan tujuan galvanic isolation dan pembagian daya antar nanogrid[19].

Gambar 2.5 Rangkaian Dual Active Bridge Converter

11 2.7 Baterai

Baterai atau aki dibutuhkan sebagai penyimpan energy listrik yang dihasilkan panel surya, oleh karena itu baterai dimanfaatkan ketika cahaya matahari tidak ada seperti ketika mendung atau malam hari [6]. Kapasitas baterai tergantung dari besarnya beban yang digunakan dalam rumah dan lamanya penyimpanan energy listrik. Jika baterai terisi penuh, maka secara otomatis proses pengisian akan terhenti.

2.8 Analisa Aliran Daya

Studi analisa aliran daya merupakan proses perhitungan dari tegangan, arus, daya aktif maupun daya reaktif yang terdapat di berbagai titik jaringan listrik pada saat beroperasi secara normal, ataupun untuk menganalisa apa yang akan terjadi dimasa mendatang [20]. Dalam proses perhitungan aliran daya, terdapat tiga jenis bus yakni[21]:

a. Swing Bus atau Slack Bus: Bus ini hanya berjumlah satu. Bus ini dipilih sebagai bus referensi dengan magnitude tegangan (V) dan sudut tegangan ditentukan

b. Bus Beban atau Load Bus: Pada load bus ini, parameter yang telah ditentukan sebelumnya ialah daya aktif dan daya reaktif. Sedangkan sudut dan magnitut tegangan tidak diketahui.

c. Bus Pembangkit atau Generator Bus : Bus pembangkit adalah pembangkit itu sendiri, karena di bus pembangkit ini daya nyata (P) dan magnitut tegangan (V) diketahui.

Tujuan utama menganalisa aliran daya adalah untuk menentukan besaran tegangan (V) tiap titik atau busbar jaringan listrik [22]. Dengan diperolehnya nilai V, maka nilai daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) dapat dihitung. Jika P dan Q diketahui, maka aliran daya dapat diketahui juga dan rugi-rugi daya disetiap saluran diketahui.

2.9 Metode Backward Forward Sweep (BFS)

Metode yang digunakan untuk menganalisa aliran daya biasanya banyak dikenal metode Gauss Seidel, Newton Raphson, dan Fast Decoupled. Tetapi dalam

12

skema radial interconnection, metode backward forward sweep (BFS) lebih efektif digunakan untuk menganalisa aliran daya, karena solusi dapat lebih cepat terselesaikan tanpa banyak perhitungan dan efisien pada setiap iterasi.

Metode ini mengacu pada prinsip hukum Kirchoff 1. Langkah kerjanya dimulai dari backward sweep dengan menghitung besar arus pada setiap saluran.

Lalu forward sweep untuk mengitung voltage drop pada setiap saluran [23][24][25].

Langkah pertama, menghitung matriks Bus Injection to Branch Current (BIBC) berdasar arus cabang (I) dan saluran (B) seperti pada persamaan (2.1) dibawah ini.

[B] = [BIBC][I] (2.1)

Kemudian menghitung matriks Branch Current to Branch Voltage (BCBV) berdasarkan voltage drop (∆V) dan saluran (B), seperti persamaan (2.2) dibawah ini.

[∆V] = [BCBV][B] (2.2)

Selanjutnya dari persamaan (1) dan (2), maka selanjutnya dapat menghitung matriks Distribution Load Flow (DLF) dan voltage drop (∆V), seperti pada persamaan (2.3) dan (2.4) dibawah ini

[∆V] = [BCBV][BIBC][I] (2.3)

[∆V] = [DLF][I] (2.4)

Dari voltage drop tersebut, maka dapat dihitung nilai tegangan baru (Vi) dan arus saluran baru (Ii) melalui iterasi seperti persamaan (2.5) dan (2.6) dibawah ini.

[Vi] = [V] - [∆V] (2.5)

Ii = ^𝑃𝑖

𝑉𝑖 (2.6)

Dimana: i = Nomor bus (1,2,3…,n) Pi = Beban di tiap bus (W)