PROSIDING SNETE 2012 SEMINAR NASIONAL DAN EKSPO TEKNIK ELEKTRO 2012 ISSN: NOVEMBER 2012 SANTIKA DYANDRA HOTEL & CONVENTION MEDAN

(1)

PROSIDING

SNETE 2012

SEMINAR NASIONAL DAN EKSPO TEKNIK ELEKTRO 2012

ISSN: 2088-9984

14 NOVEMBER 2012

SANTIKA DYANDRA HOTEL & CONVENTION

MEDAN

Editor:

Dr. Ir. Rizal Munadi M.M.,M.T.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SYIAH KUALA

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012 ISSN : 2088-9984

Studi Pemodelan Integrasi Pembangkit Skala Mikro Terdistribusi

Pada Daerah Isolated Di Aceh

A-8

Fajrul Ghafur Nst

1)

, Syukriyadin

2)

1)

Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala

Jl. Syech A. Rauf No. 7, Darussalam 23111 Banda Aceh, Aceh, Indonesia

email : [email protected]

2)

Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala

Jl. Syech A. Rauf No. 7, Darussalam 23111 Banda Aceh, Aceh, Indonesia

email : [email protected]

ABSTRAK

Paper ini menjelaskan tentang pemodelan pembangkit skala kecil menggunakan model MTG (Micro-Turbine Generator) pada daerah isolated dalam kondisi terdistribusi yang terintegrasi di Aceh. Salah satu tujuan dalam mengintegrasikan pembangkit terdistribusi dalam sistem mikrogrid secara optimal adalah agar didapatkan pelayan listrik yang terpadu dan kontinyu sehingga dapat menanggulangi defisit energi listrik didaerah isolated tersebut. Mikrogrid merupakan sekelompok pembangkit kecil (Tegangan Rendah) yang terdistribusi dan terintegrasi dalam suatu jaringan grid. Kelompok pembangkit kecil (mikro) tersebut mensuplai kebutuhan energi listrik untuk komunitas beban yang kecil misal seperti perumahan, sekolah, perkantoran, pertokoan (pasar) dan industri kecil yang ada di daerah desa/kecamatan ataupun kelurahan. Mikrogrid secara esensial adalah jaringan distribusi aktif karena merupakan sistem pembangkitan terdistribusi (Distribution Generation ) yang mandiri dan memiliki beban yang beragam pada level sistem distribusi. Dari hasil pembahasan diperoleh bahwa respon penggunaan model MTG dalam sistem mikrogrid terhadap perubahan beban memiliki performansi yang baik .

Kata Kunci

: Mikrogrid, Interkoneksi, Pembangkit

Terdistribusi, Isolated.

1. Pendahuluan

Pasca bencana Tsunami akhir Desember 2004 lalu, Provinsi Aceh terus melakukan sejumlah proses pemulihan. Infrastruktur merupakan salah satu target pembenahan tersebut. Infrastruktur kelistrikan Aceh masih belum sepenuhnya lepas dari krisis listrik. Di berbagai wilayah di Aceh masih kerap dilanda persoalan pemadaman listrik. Akibat pemadaman tersebut pada akhirnya berujung dengan aksi protes warga Aceh.

Infrastruktur kelistrikan Aceh masih belum mandiri. Saat ini kebutuhan listrik di Aceh masih bergantung dari pasokan listrik dari pembangkit listrik di Sumatera Utara

Jika terjadi gangguan pasokan listrik di Sumatra Utara, bisa dipastikan listrik di Aceh juga pasti akan terganggu. Kondisi beban puncak total sistem kelistrikan Aceh saat ini mencapai 270 MW yang dipasok oleh dua sistem interkoneksi sebesar 195 MW (dipasok oleh pembangkit di Sumatera Bagian Utara sebesar 165 MW, dan dari PLTD Leung Bata, Sigli dan Lhokseumawe sebesar 30 MW) dan sistem isolated sebesar 75 MW (dipasok dari PLTD Blang Keujeren, Takengon, Meulaboh dan Sabang). Dengan ini diketahui Aceh hanya mampu menangani 105 MW dan mengalami defisit 165 MW. [3]

Salah satu solusi dalam penanggulangan defisit tersebut adalah dengan mengoptimalkan potensi pembangkit terdistribusi di daerah isolated yang tersebar di seluruh Aceh. Diketahui dari sistem isolated Aceh diperoleh daya sebesar 75 MW, jumlah daya tersebut dapat dieksplotasi secara lebih, apabila di gali potensinya di berbagai daerah lain yang terisolasi dan tersebar diseluruh Aceh.

Oleh karena itu, dengan melihat akan besarnya potensi energi tersebut di Aceh, digagas sebuah penerapan sistem mikrogrid, yaitu sebuah integrasi pembangkit skala mikro pada daerah terisolasi yang terkoneksi pada jaringan distribusi (Tegangan Rendah) untuk komunitas beban skala kecil.

2. Mikrogrid

Mikrogrid merupakan sekelompok pembangkit kecil (Tegangan Rendah) yang terdistribusi dan terintegrasi dalam suatu jaringan grid. Kelompok pembangkit kecil (mikro) tersebut mensuplai kebutuhan energi listrik untuk komunitas beban yang kecil misal seperti perumahan, sekolah, perkantoran, pertokoan (pasar) dan industri kecil yang ada di daerah desa/kecamatan ataupun kelurahan. Mikrogrid secara esensial adalah jaringan distribusi aktif karena merupakan sistem pembangkitan terdistribusi (Distribution Generation) yang mandiri dan memiliki beban yang beragam pada level sistem distribusi. [1]

Pembangkit skala kecil (microsource) dalam mikrogrid tersebut merupakan pembangkit energi listrik yang menggunakan sumber energi terbaharui yang terintegrasi secara bersama membangkitkan energi listrik pada level

(7)

A-9 tegangan distribusi. Pembangkit skala kecil tersebut harus dilengkapi dengan perangkat kendali (kontrol) agar memberikan fleksibilitas yang diperlukan untuk menjaga kualitas daya output sistem. Fleksibelitas Kontrol yang dilakukan memungkinkan mikrogrid memiliki utilitas sistem pelayanan yang prima untuk memenuhi kebutuhan energi lokal yang handal dan aman. [1]

Topologi jaringan mikrogrid adalah seperti yang terlihat pada gambar 1 [1]. Gambar 1, jaringan mikrogrid terintegrasi dari beberapa pembangkit skala mikro yang terinterkoneksi secara grid pada jaringan distribusi tegangan rendah. [1]

Gambar 1. Konfigurasi Jaringan Mikrogrid

2.1 Sumber Energi Terdistribusi (Microsources)

Renewable atau non-konvensional generator yang

digunakan pada mikrogrid disebut dengan sumber energi terdistribusi atau microsources [2]. Microsources technologies dalam sebuah mikrogrid adalah Micro Combined Heat And Power Systems (Micro-CHP Systems), Micro Wind Energy Conversions Sytems, Micro Solar Photovoltaic Systems, Micro Small Scale Hydroelectric Generation, Other Micro Renewable Resources, dan Storages Devices [2].

A. Micro Combined Heat And Power Systems (Micro-CHP Systems)

Micro Combined Heat And Power Systems (Micro-CHP) adalah sistem pembangkitan yang menggunakan

panas yang terbuang dari local heating process sebagai pembangkit listrik. Micro-CHP secara umum dapat digunakan pada perumahan atau industri komersial skala kecil. Kapasitas daya dari pembangkit Micro-CHP diketahui adalah 10-100 kW. Proses pembangkitan dari Micro-CHP adalah seperti terlihat pada gambar 2 [2].

Gambar 2. Proses pembangkitan dari Micro-CHP

B. Micro Wind Energy Conversions Sytems

Wind Turbine digunakan untuk mengkonversi energi,

dari bentuk energi angin kedalam bentuk energi listrik

Micro Wind Energy Conversions Sytems adalah desain Wind Turbine yang digunakan dalam skala kecil.

Kapasitas daya yang dihasilkan dapat berkisar antara 100-200 kW. Proses Pembangkitan pada Micro Wind Energy adalah seperti pada gambar 3 [2].

Gambar 3. Pembangkitan pada Micro Wind Energy

C.

Micro Solar Photovoltaic Systems

Micro Solar Photovoltaic Systems adalah pembangkit

listrik solar cell atau sel surya dimana energi radiasi matahari dikonversi menjadi energi listrik dalam skala mikro. Kapasitas daya yang dihasilkan dapat berkisar antara 10-100 kW . Proses pembangkitannya adalah seperti gambar 4 [2].

Gambar 4. Proses Pembangkitan Micro Solar Photovoltaic

D.

Micro Small Scale Hydroelectric Generation

Micro Small Scale Hydroelectric adalah sistem

pembangkitan energi listrik dengan tenaga air pada skala mikro (mikrohidro). Kapasitas daya yang dihasilkan dapat berkisar antara 500 kW- 1 mW . Proses pembangkitannya dapat dilihat pada gambar 5 [2]

(8)

A-10

Gambar 5. Micro Hydro Systems Generation

D.

Storages Devices

Storages Devices adalah bagian penting didalam

sistem mikrogrid. Storages Devices merupakan

uninterruptible power source yang terdiri atas : storage batteries, flywheels, dan ultra capacitors. [2]

2.2 Mikrogrid dan Jaringan Aktif Distribusi

Microsources yang telah diekspolitasi potensinya akan

dapat dikembangkan, salah satunya adalah menjadikan microsources yang awalnya bersifat off-grid tergabung kedalam sebuah sebuah jaringan on-grid yang merupakan kordinasi dari beberapa microsources lainnya. Jaringan on-grid tersebut merupakan sebuah topologi mikrogrid, dikarenakan terhubung dalam beberapa pembangkit terdistribusi skala mikro. Beberapa pembangkit skala mikro tersebut akan dihubungkan kedalam sebuah jaringan distribusi aktif bertegangan rendah. Jaringan tersebut dilengkapi dengan transfer switch untuk proses pengalihan dari main system distribution power ke pembangkit sekunder. Jaringan tersebut juga dilengkapi komponen elektrikal lain seperti inverter, storage, dan kontrol untuk pengaturan suplai ke beban-beban kecil dan bersifat lokal. Skematik perancangannya adalah seperti terlihat pada gambar 6 [2]

Gambar 6. Skematik On-Grid Untuk Secondary Distribution

Generation, Pada Jaringan Distribusi

A

. Schematic Planning of Micro-CHP On Grid Systems

Micro-CHP adalah salah satu dari distribution generation yang dapat digunakan secara multifungsi

secara off-grid, maupun on-grid. Berikut adalah schematic perancangan sistem jika sebuah micro-CHP dihubungkan kedalam sebuah jaringan on-grid untuk distribusi beban kecil seperti terlihat pada gambar 7 [2]

Gambar 7. Skematik Diagram Micro-CHP On-Grid Pada Jaringan Distribusi

B.

Schematic Planning of Photovoltaic Cell On Grid

Systems

Photovoltaic Cell juga adalah salah satu dari distribution generation yang dapat digunakan secara

multifungsi secara off-grid, maupun on-grid. Berikut adalah schematic perancangan sistem jika sebuah

Photovoltaic Cell dihubungkan kedalam sebuah jaringan

on-grid untuk distribusi beban kecil seperti terlihat pada gambar 8 [2]

Gambar 8. Skematik Diagram Photovoltaic Cell On-Grid Pada Jaringan Distribusi

C.

Schematic Planning of Micro-Wind Turbine On Grid Systems

Berikut adalah schematic perancangan sistem jika sebuah Micro-Wind Turbine dihubungkan kedalam sebuah jaringan on-grid untuk distribusi beban kecil seperti terlihat pada gambar 9 [2]

Gambar 9. Skematik Diagram Micro-Wind Turbine On-Grid Pada Jaringan Distribusi

(9)

A-11

2.3

Manajemen Mikrogrid dan Sumber Energi Terdistribusi

Manajemen mikrogrid diperlukan untuk memastikan sistem keamanan, pengoptimalan operasi, pengurangan emisi, dan transfer hubungan dari suatu mode pengoperasian ke pengoperasian lain tanpa merusak peralatan sistem. [2]

A.

Microsource Generation Control

Microsource pada mikrogrid memiliki pemebangkit renewable energy yang berbeda dan karbon yang rendah

untuk menghasilkan listrik. Renewable microsource memiliki harga bahan bakar yang sangat minimal, namun dalam konversinya tetap akan membutuhkan keseluruhan dari kapasitas bahan bakar tersebut agar terkonversi secara maksimal dalam pembangkitan. [2]

B.

Domestic Process Control

Domestic Process Control merupakan sistem kontrol

peralatan pemanas dan AC dari bangunan pembangkit, seperti pusat sistem pemanas, lemari es, kipas angin, peredam dan pompa. Peralatan ini secara khusus digunakan untuk micro-CHP, namun menjadi pertimbangan untuk jenis microsources lain dalam control domestiknya pula. Beban panas untuk bangunan termasuk sistem pasokan air panas, sistem pengering, ruang pemanas, dan sebagainya harus mengoptimalkan

generating-heat peralatan tersebut dengan pertimbangan

tuntutan lain seperti penyediaan layanan tambahan dan mengurangi emisi dan biaya bahan bakar. [2]

C. Energy Storage

Untuk memastikan suplai energi tidak terputus pada jaringan, mikrogrid sangat bergantung dari keberadaan

Energy Storage. Perlu dilakukan kontrol penuh terhadap

device cadangan energi, yaitu UPS, Flow-Wheel, dan

Capasitor. Sebagai perangkat penyimpanan yang menghasilkan tegangan DC, storage devices harus terhubung pada inverter dari microsources untuk Konversi DC/AC . Sebaliknya, generator AC langsung menghasilkan AC dan secara langsung memberi energi pada bus mikrogrid. Karena perangkat penyimpanan harus merespon dengan cepat, mereka harus mengerahkan pengendali local untuk konversi sumber arus dari DC ke AC. [2]

D.

Regulation And Load-Shifting

Dalam hal ini, sangat dibutuhkan sebuah manajemen energi, yaitu Energy Manager Module (EMM). Salah satu fungsi penting dari EMM akan memonitoring dan menyesuaikan profil beban listrik dengan penjadwalan yang tepat dari beban termasuk pengisian perangkat penyimpanan energi dan pergeseran puncak beban individual pada sistem off-grid pembangkit tersebut. [2]

3. Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian yang akan dilakukan adalah menerapkan konsep integrasi mikrogrid pada daerah isolated dengan potensi distribution generation yang telah dilakukan studi potensinya atau telah di lakukan sebuah survei lapangan pada isolated area. Setelah konsep integrasi mikrogrid tercapai, maka akan dilakukan manajemen mikrogrid terhadap sistem grid yang telah dirancang dengan berbagai langkah penyempurnaan lainnya berikutnya. Agar lebih jelasnya algoritma penelitian dapat diperhatikan secara lebih skematis sebagaimana terlihat pada flowchart (gambar.10) berikut ini :

Gambar 10. Algoritma Metodologi Penelitian

4. Hasil Dan Pembahasan

Pada bagian dilakukan simulasi dengan mengambil suatu model mikrogrid berdasarkan teori model dan perfomansi sebuah mikroturbin secara stand-alone dan

Start Integrasi Distribution Generation dengan Mikrogrid Studi potensi Distribution Generation

pada daerah Terisolasi di Aceh secara Random Tinjauan Kepustakaan Mikrogrid Management Layak /Tidak Layak Kesimpulan End

(10)

A-12 grid pada sistem mikrogrid. Simulasi dilakukan dengan menggunakan MATLAB dan Simulink. [2]

A.

Micro-Turbine Generation Model (MTG)

MTG memiliki sistem konfigurasi diagram seperti yang terlihat pada gambar 11 [2]

Gambar 11. Blok diagram konfigurasi MTG Kemudian dengan menggunakan MATLAB pemodelan tersebt dapat dibuat seperti yang terlihat pada gambar 12 [2].

Gambar 12. Model MTG dengan menggunakan MATLAB

B.

Model Parameters

Parameter model pada MTG adalah berupa parameter- parameter yang terdapat dalam tabel.1 Mikroturbin (a), parameter alternator (b), dan parameter grid (c) berikut [2].

Tabel.1 Parameter Model MTG

(a) (b) (c)

C.

Stand-Alone Case

Kondisi mikroturbin bekerja secara mandiri, dengan representasi grafis gambar.13 [2].

(a) (b) (c) (d)

Gambar.13 Respon Model MTG Untuk Kondisi Stand-Alone

(a) load MTG, (b) MT Mechanical Power, (c) MTG Speed, dan (d) Generator Electrical Power

C.

Grid Case

Kondisi mikroturbin bekerja secara on-grid, dengan Representasi grafis gambar.14 [2].

(a) (b) (c)

(d) (e)

Gambar.14 Respon Model MTG Untuk Kondisi On-Grid (a) MT Mechanical Power, (b) Gen.Electrical Power,

(c)Generator Voltage, (d) MTG Speed, dan (e) Grid Power

C.

MTG Perfomance

Dari hasil simulasi dengan MATLAB/Simulink diperoleh perfomansi MTG dalam table 2 berikut [2]

Tabel 2. Generator Load Versus Operating Parameters

5.

Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari perancanaan ini adalah :

 Dari simulasi dengan menggunakan MATLAB/Simulink dapat diperoleh hasil perfomansi MTG Generator load versus operating parameters.

 Model MTG yang digunakan memiliki performansi respon yang baik dalam keadaan stand-alone dan on-grid terhadap perubahan beban.

 Dalam perancangan dan pengaplikasiannya, mikrogrid harus memiliki manajemen khusus yaitu Energy Module Manager.

 Dalam menanggulangi defisit kelistrikan pada daerah isolated di Aceh sistem mikrogrid dengan model MTG dapat diaplikasikan.

(11)

A-13

REFERENSI

[1] Zamora, Ramon; Srivastava, Anurag K; Syukriyadin, “Microgrids for Reliable, Clean, and Efficient Power

Delivery”, Proceedings AIWEST-DR 2009, Banda

Aceh, hal. 183-187, Nov. 2009 (ISSN: 2086-3195), November 2009.

[2] S. Chowdhury, S.P. Chowdhury and P. Crossley, “Microgrids and Active Distribution Networks” The

Instution of Engineering and Technology, London,

United Kingdom: 2009.

[3] Mei, Shengwei; Zhang, Xuemin; Cao, Ming; “Power

Grids Complexity” Tsinghua University