BAB II TINJAUAN PUSTAKA

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian Terdahulu

Penelitian terdahulu ini akan digunakan sebagai bahan acuan atau perbandingan dengan penelitian ini. Pada penelitian oleh Rabia Khan,Noel N. Schulz dan Mashood Nasir IEEE Global Humanitarian Technology Conference (GHTC) 2019 yang berjudul “Distribution Loss Analysis of DC Microgrids for Rural Electrification” menurut hasil penelitian tentang sistem DC microgrid pada penelitian ini mencoba membandingkan dari dua jenis macam interkoneksi jaringan sistem kelistrikan yaitu Radial dan Ring didapatkan pada percobaan ini membandingkan bebrapa nilai tegangan yang dibandingkan yaitu berupa efisiensi, voltage drop, line losses dan didapatkan pada penelitian sebelumnya penggunaan topologi ring lebih efisien dibandingkan dengan interkoneksi radial sesuai pada gambar dibawah ini.[10]

Tabel 2.1 Hasil Perbandingan Pengukuran Radial dan Ring pada Musim Panas

Tabel 2.2 Hasil Perbandingan Pengukuran Radial dan Ring pada Musim Dingin

Dapat dilihat pada penelitian sebelumnya terdapat hasil perbandingan pengukuran pada sistem Ring dan Radial pada penelitaian tersebut terdapat dua kali pengujian pada musim dingin dan panas, karena kondisi cuaca sangat berbeda di eropa kemudian pada hasil

7

penelitian sebelumnya terdapat perbedaan pengujian pada segi tegangan yaitu mulai pengujian 120 v, 240 v, 325 v, 380 v. Pada penelitian ini didapatkan perbedaan dari kedua metode untuk pengukuran pada topologi Ring dan Radial perbedaan dapat terlihat sangat signifikan dari keduanya.

2.2 Sistem Microgrid

Microgrid merupakan suatu sistem yang terjalankan dengan pembangkit dan penyimpanan energi lokal, sehingga menghasilkan jaringan listrik kecil dan pada sistem energi listrik microgrid menggunakan sumber daya energi terbarukan yang terhubung dengan sistem penyimpanan distribusi [11]. Sistem jaringan microgrid mampu mengatasi masalah energi secara lokal dikarenakan tiap konsumen mempunyai unit pembangkit dan penyimpanan secara mandiri dan terhubung di tiap grid sebagai energi yang dikonsumsi sehari-hari.

Pada sistem suatu microgrid diperlukan arsitektur atau sistem jaringan yang andal,ada beberapa arsitektur yang dapat dipilih dalam pembuatan sistem listrik lokal ini yaitu ada DGDS (Distributed Generation Distributed Storage), CGCS (Central Generation Central Storage), CGDS (Central Generation Distribution Storage).

Pemilihan arsitektur tersebut sangat berpengaruh nantinya terutama dari sistem penyimpanan.

2.3 Arsitektur DGDS (Distributed Generation Distributed Storage)

Arsitektur DGDS (Distributed Generation Distributed Storage) merupakan salah satu dari jenis arsitektur DC microgrid , yang susunan unit pada tiap nanogrid terdiri dari pembangkit yang digunakan berupa energi baru terbarukan dan kemudian dari energi yang dihasilkan dari pembangkit disimpan pada unit storage dan kemudian akan dialirkan daya ke beban yang digunakan pada konsumen.Untuk merancang suatu arsitektur DGDS (Distributed Generation And Distributed Storage) diperlukan beberapa komponen penting sehingga nantinya akan menjadi sistem jaringan listrik microgrid dengan arsitektur yang kita inginkan.

8 2.4 Nanogrid

Pada sistem jaringan DC Microgrid pada pembuatannya perlu adanya Nanogrid untuk susunan jaringan lisrik terdistribusi. Nanogrid adalah bagian dari Microgrid yang memberikan daya pada satu rumah dan distribusi tegangan DC dengan tegangan rendah yang pemanfaatannya digunakan untuk beban DC pada rumah tangga. Susunan dari nanogrid ada beberapa komponen yang diperlukan untuk menjadi suatu pembangkit yang nantinya terdistribusi ke konsumen dengan menggunakan sumber energi baru terbarukan seperti pemanfaatan solar PV [12].

Selain PV yang digunakan pada komponen utama dalam menghasilkan energi listrik dari sinar matahari dan menyimpan energi yang dihasilkan nanti ke sebuah baterai.

Baterai disini mempunyai peran penting sebagai storage atau penyimpanan utama yang nantinya didistribusikan ke rumah-rumah. Selain itu ada juga beberapa komponen yang diperlukan dalam pembuatan nanogrid.

2.4.1 Bidirectional DC-DC Converter

Bidirectional DC/DC Converter merupakan suatu sistem yang digunakan untuk mengubah atau mengkonversi tegangan yang dikeluarkan dari sistem unit pembangkit.

Pada umumnya pada unit pembangkit dari sistem transmisi dan kemudian akan diedarkan ke distribusi, tetapi pada unit pembangkit energi baru terbarukan yang biasanya memanfaatkan energi dari alam seperti sinar matahari, angin, ombak dan sebagainya.

Perbedaan dari sistem pembangkit renewable energy dengan pembangkit konvensional pada pembangkit EBT ini menggunakan baterai sebagai sistem storage atau penyimpanan utama yang sifatnya nanti baterai berupa tegangan DC. Untuk mengubah tegangan itu diperlukan converter atau pengubah tegangan arus.

Sebagai converter atau pengubah tegangan arus yang bersifat dua arah salah satunya pada pembahasan ini adalah bidirectional DC-DC converter yang digunakan mempunyai dua macam jenis atau bisa disebut dua mode pengaturan yaitu mode boost dan mode buck[13]. Berikut ini penjelasan dari kedua mode yang sudah disebutkan:

9 1. Boost converter

Pada bidirectional DC-DC mode ini mempunyai cara kerja pada ouput keluaran tegangan yang dihasilkan akan lebih besar dibandingkan dengan tegangan inputannya.

Gambar 2.1 Bidirectional DC-DC converter mode boost

Dari gambar terdapat beberapa komponen penyusunnya diantaranya capasitor, inductor, IGBT diode, dan diode. Dapat dilihat dari rangkaian gambar 2.3 dari susunan tersebut bahwasannya nilai tegangan keluaran memiliki nilai lebih besar dibandingkan nilai tegangan masuk. Untuk hubungan antara tegangan keluan (Vo) dengan tegangan masukkan (Vin) pada mode boost dapat dinyatan secara matematis seperti berikut ini.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = ^𝑉𝑖𝑛

1−𝐷 (1)

2. Buck converter

Pada mode buck ini bidirectional DC-DC bekerja seperti umumnya buck converter yaitu tegangan keluaran yang dihasilkan akan lebih kecil dibandingkan dengan tegangan inputan yang diberikan pada rangkaian.

Untuk rangkaian pada mode buck converter berbeda dengan mode sebelumnya yaitu boost untuk rangkaian dapat dilihat pada gambar dibawah ini

10 .

Gambar 2.2 Bidirectional DC-DC converter mode buck

Hubungan dari tegangan keluaran (Vo) dengan tegangan masukan (Vin) pada buck converter secara matematis seperti berikut.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 𝑥 𝐷 (2)

2.4.2 Solar Panel

Dalam perkembangan teknologi modern sekarang salah satunya pada sebuah pembangkit listrik sudah banyak masyarakat yang sadar dengan penggunaan EBT (Energi Baru Terbarukan). Salah satunya pemanfaatan sinar matahari yang nantinya digunakan untuk sumber energi listrik untuk kebutuhan sehari-hari beban rumah tangga. Maka untuk kebutuhan distribusi ke tiap-tiap konsumen diperlukan pembangkit yang baik seperti penggunaan PV (solar panel) yang digunakan untuk sumber energi utama [14].

Di sisi lain selain PV berguna sebagai konversi sumber energi dari sinar matahari yang keuntungannya akan menghasilkan energi listrik yang berlimpah dan tidak akan ada habisnya juga tidak menimbulkan polusi. Tetapi dilain sisi sistem PV juga mempunyai kekurangan untuk menerima energi surya dikarenakan adanya iluminasi atau daya tangkap energi surya yang rendah karena dipengaruhi oleh perubahan iklim yang tidak menentu. Oleh karena itu pada penelitaian ini diperlukan teknologi penyimpanan energi listrik yang andal dengan penggunaan DC-DC Converter sesuai dengan pembahasan sebelumnya yang berfungsi untuk mempertahankan atau menjaga kestabilan daya yang diinginkan.

11 2.5 Analisa Aliran Daya

Pada sistem distribusi tenaga listrik diperlukan analisa aliran daya pada suatu desain dan operasinya. Untuk mengetahui keadaan aliran daya pada suatu sistem distribusi tenaga listrik dan nantinya dapat memperbaiki jika diperlukan perbaikan ataupun pengembangan. Perhitungan analisa aliran daya memiliki beberapa metode yaitu Gauss-Seidel, Newton-Raphson, dan Fast Decoupled.[15]

2.5.1 Metode Newton-Raphson

Dalam topik pembahasan aliran daya disebutkan sebelumnya bahwasannya dalam menganalisanya diperlukan metode perhitungan, salah satunya yaitu menggunakan metode Newton Raphson. Untuk menyelesaikan masalah aliran daya pada arsitektur microgrid diperlukan metode yang cocok dikarenakan pada arsitektur ini metode konvensional mengalami kegagalan [16]. Untuk menyelesaikan metode ini diperlukan perhitungan atau formula khusus dikarenakan arsitektur yang digunakan berupa sistem dengan pembangkit menggunakan sistem DC, tentunya formula yang digunakan berbeda dengan metode Newton Raphson pada umumnya. Pada sistem pembangkit konvensional tegangan AC dalam perhitungan aliran daya terdapat tiga bus pada umumnya yaitu swing bus atau slack bus, load bus, generator bus. Tetapi pada arsitektur DGDS terdapat juga 3 bus yaitu generator bus, internal bus, external bus. Untuk menyelesaikan LF (Load Flow) pada DC microgrid diperlukan tahapan seperti berikut.

Pertama perlu menentukan nilai hambatan total Rij yang dapat ditentukan dari bus i dan j dengan menggunkan nilai resistansi

𝑅_𝑖𝑗 = Resistansi x jarak (3)

Nilai 𝑅_𝑖𝑗 ini diperlukan untuk tahap selanjutnya yaitu untuk menentukan konduktansi matriks G antara dua bus i dan j.

𝐺_𝑖𝑗 = {

∑^2𝑛_𝑗=1𝑟_𝑖𝑗 𝑓𝑜𝑟 𝑖 = 𝑗

𝑗≠1

−𝑟_𝑖𝑗 𝑓𝑜𝑟 𝑖 ≠ 𝑗

} (4)

12 𝐺 =

[

𝐺₁₁ 𝐺₂₁

𝐺₁₂

𝐺₂₂ ⋯ 𝐺_1,2𝑛−1

𝐺_2,2𝑛−1 𝐺_1,2𝑛 𝐺_2,2𝑛

⋮⋮ ⋱ ⋮⋮

𝐺_2𝑛−1,1 𝐺_2𝑛,1

𝐺_2𝑛−1,2

𝐺_2𝑛,2 ⋯ 𝐺_{2𝑛−1,2𝑛−1} 𝐺_{2𝑛−1,2𝑛−1}

𝐺_{2𝑛−1,2𝑛} 𝐺_2𝑛,2𝑛 ]

;G𝜖ℝ^2𝑛×2𝑛 (5)

Kemudian pada daya yang dibutuhkan pada setiap beban pada setiap bus untuk kebutuhannya dijadwalkan dengan persamaan

𝑃_𝑡^𝑠𝑐ℎ = 𝑃_𝑡^𝑔𝑒𝑛 − 𝑃_𝑡^{𝑙𝑜𝑎𝑑} (6)

𝑃_𝑡^𝑠𝑐ℎ = [𝑃_1,𝑡^𝑠𝑐ℎ 𝑃_2,𝑡^𝑠𝑐ℎ 𝑃_3,𝑡^𝑠𝑐ℎ … … 𝑃_2𝑛,𝑡^𝑠𝑐ℎ] ;𝑃_𝑡^𝑠𝑐ℎ𝜖ℝ^2𝑛×24 (7) Setelah penentuan daya yang dibutuhkan untuk setiap beban selanjutnya untuk daya sesaat dapat dihitung dengan menggunakan tegangan bus dan arus total yang mengalir ke tiap bus dengan rumus matematis seperti berikut

𝑃_𝑡^{𝑐𝑎𝑙𝑐} = 𝑉_𝑖,𝑡∗ 𝐼_𝑖,𝑡 (8)

𝐼_𝑖,𝑡 =∑^2𝑛_𝑗=1𝐺_𝑖𝑗∗ 𝑉_𝑗,𝑡 (9)

Maka untuk perhitungan daya pada setiap bus didapatkan persamaan akhir dari mensubtitusikan persamaan (8) dan (9) diperoleh rumus matematis sebagai berikut

𝑃_𝑡^{𝑐𝑎𝑙𝑐} = ∑^2𝑛_𝑗=1𝑉_𝑖,𝑡∗ 𝑉_𝑗,𝑡∗ 𝐺_𝑖𝑗 (10)

Kemudian dari rumus diatas, selanjutnya matriks yang digunakan menjadi 𝑃_𝑡^𝑠𝑐ℎ = [𝑃_1,𝑡^𝑠𝑐ℎ 𝑃_2,𝑡^𝑠𝑐ℎ 𝑃_3,𝑡^𝑠𝑐ℎ … … 𝑃_2𝑛,𝑡^𝑠𝑐ℎ] ;𝑃_𝑡^𝑠𝑐ℎ𝜖ℝ^2𝑛×1 (11)

[

∆𝑃^2,𝑡(𝑘)

∆𝑃_3,𝑡^(𝑘)

⋮

∆𝑃_2𝑛,𝑡^(𝑘)] =

[

𝜕𝑃_2,𝑡^(𝑘)

𝜕𝑉2,𝑡

𝜕𝑃3,𝑡(𝑘)

𝜕𝑉_2,𝑡

⋯

𝜕𝑃_2,𝑡^(𝑘)

𝜕𝑉2𝑛,𝑡

𝜕𝑃3,𝑡(𝑘)

𝜕𝑉_2𝑛,𝑡

⋮ ⋱ ⋮

𝜕𝑃_2𝑛,𝑡^(𝑘)

𝜕𝑉2,𝑡 ⋯ ^{𝜕𝑃2𝑛,𝑡(𝑘)}

𝜕𝑉2𝑛,𝑡 ] [

∆𝑉^2,𝑡(𝑘)

∆𝑉_3,𝑡^(𝑘)

⋮

∆𝑉_2𝑛,𝑡^(𝑘)]

(12)

Pada persamaan (12) dapat dilihat ∆𝑃_𝑖,𝑡^(𝑘) pada daya terjadwal dan daya pada bus terdapat perbedaan pada persamaan (6) dan (10). Istilah ∆𝑉_𝑖,𝑡 pada matriks diatas

13

menjelaskan bahwasannya terdapat perubahan tegangan dari bus disetiap iterasi.

Kemudian tegangan pada setiap bus diperbarui dengan menambah 𝑉_𝑖,𝑡 dan tegangan ∆𝑉_𝑖,𝑡 dari iterasi sebelumnya sampai diperoleh konvergensi. Konvergensi inilah nilai tegangan yang digunakan untuk menemukan rugi-rugi daya LLg (t) dan persentase rugi-rugi daya

%𝐿𝐿_𝑔(𝑡). Untuk perhitungan rugi-rugi daya dan persentasenya dapat dicari secara matematis seperti rumus dibawah ini.

𝐿𝐿_𝑔(𝑡) = ¹

2 ∑^𝑛_𝑖=1∑^𝑛_𝑗=1𝐺_𝑖𝑗∗ (𝑉_𝑖,𝑡(𝑉_𝑖,𝑡− 𝑉_𝑗,𝑡) + 𝑉_𝑗,𝑡(𝑉_𝑗,𝑡− 𝑉_𝑖,𝑡)) (13)

%𝐿𝐿_𝑔(𝑡) = ^{𝐿𝐿𝑔(𝑡)}

𝑃_𝐺(𝑡); 𝑃_𝐺(𝑡) = ∑^𝑛_𝑖=1(𝑃_𝑖,𝑡> 0) (14)

Nilai persentase rugi-rugi daya ini nantinya dapat diturunkan untuk mencari nilai efisiensi dengan rumus.

%𝜂_𝑔(𝑡) = 100 - 𝐿𝐿_𝑔(𝑡) (15)

Kemudian setelah kita mendapatkan rugi-rugi daya dan efisiensinya analisa aliran daya pada umumnya juga memerlukan nilai tegangan jatuh. Pada sistem DC microgrid untuk mencari voltage drop dapat dirumuskan sebagai berikut

𝑉𝐷_𝑔(𝑡) = 𝑉_𝑚𝑎𝑥(𝑡) − 𝑉_𝑚𝑖𝑛(𝑡) (16)