6 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Penelitian Terdahulu
Pada penelitian terdahulu ini digunakan untuk perbandingan atau bahan acuan pada penelitian berikut ini.
Penelitian yang dilakukan oleh Mohammed A. Ghalib, E. G. Shehat, Jean Thomas, dan R. M. Mostafa, pada tahun 2019 jurnal yang berjudul “Adaptive Droop Control for High-Performance Operation in Low-Voltage DC Microgrids” menurut hasil simulasi dua sistem DC Microgrid menggunakan buck konverter membuktikan dengan metode Adaptive Droop Control, memperoleh hasil yang cukup baik meningkatkan pembagian arus, tegangan dan mempertahankan keluaran tegangan bus DC yang optimal dibandingan metode Konvensional Droop Control. Sesuai dengan hasil tabel dibawah ini [10].
Tabel 2.1 Hasil Simulasi Konvensional Droop Control
Tabel 2.2 Simulasi Saluran Kabel yang berbeda
7 Tabel 2.3 Hasil Simulasi Saluran Kabel sama
2.2 Teori Dasar
Terdapat beberapa teori dasar terkait penelitian yang akan dilakukan diantaranya :
2.2.1 Sistem Jaringan DC Microgrid
Beberapa tahun terakhir ini, penggunaan sistem jaringan DC Microgrid telah meningkat. Konsep DC Microgrid telah banyak ditulis pada beberapa literatur, diantaranya AC Microgrid, hibrid AC-DC dan DC Microgrid yang akan dibahas dalam penelitian ini [14].
Microgrid adalah jaringan distribusi tegangan rendah yang terdiri dari berbagai generator terdistribusi, Microgrid dapat beroperasi dengan baik jika saling terhubung dengan microgrid lainnya yang dapat dikontrol dan dikendalikan salah satu contohnya DC Microgrid. DC Microgrid memiliki sistem jaringan yang lebih baik dan efisiensi yang lebih tinggi, arsitektur yang lebih sederhana, lebih mudah untuk mengintegrasikan sumber terbarukan.
Sumber energi terbarukan tersebut dihubungkan secara paralel ke DC bus melalui konverter DC-DC, untuk mengoptimalkan sistem kerja DC Microgrid dengan arus beban harus distribusikan secara merata diantara arus konverter.
Metode yang dapat digunakan dalam literatur DC Microgrid terhadap konverter diantaranya yaitu, Average Current Method, Centralized Method, Master Slave, Konvensional, Adaptive Method dan lainnya. Sebagian besar metode tersebut untuk interkoneksi antara konverter [15].
8
DC Microgrid memilki beberapa keunggulan dibandingan AC Microgrid:
a. Tidak ada kontrol untuk daya reaktif dan frekuensi karena kontrol aliran daya tidak diperlukan
b. Tidak ada grid sinkronisasi.
c. Tidak ada transformator.
d. Tidak ada kemampuan Fault-Ride Through [16].
DC Microgrid umumnya terhubung secara paralel. Salah satu hal utama dalam DC Microgrid adalah pembagian tegangan dan arus yang akurat [17].
2.2.2 Faktor Umum Pengaruh Kinerja Droop Control
Faktor-faktor Droop Control
Hambatan kabel dan kesalahan pengukuran adalah faktor utama yang dapat mempengaruhi kinerja tegangan dan pembagian beban dalam Droop Control.
Dampak dari kinerja tersebut secara kuantitatif dianalisis dibawah ini.
1. Hambatan Kabel
Dalam sistem terdistribusi hambatan kabel tidak dapat dihindari.
Mengingat jaringan DC Microgrid saling terhubung dengan jaringan DC Microgrid yang lain, hambatan kabel dapat membentang beberapa meter hingga puluhan meter. Data menunjukkan penurunan tegangan terhadap kabel sebesar 2,5% hingga 5% untuk jaringan DC Microgrid. Mencangkup 50 meter kabel yang terhubung antara jaringan DC Microgrid lain, sehingga terjadi penurunan tegangan sebesar 5% dari tegangan bus nominal.
2. Kesalahan Pengukuran
Faktor lain yang dapat mempengaruhi pembagian beban adalah kesalahan keluaran tegangan yang disebabkan oleh pengukuran. Dalam pengujian untuk sistem DC 380 V berdasarkan datasheet yang diberikan tegangan drift 1 V dapat mengakibatkan efek sensor tegangan LV 25-P memiliki keakurasian sekitar 1%. Lebih banyak kesalahan pengukuran.
Kesalahan ini selalu ada dan tidak dapat dihindarkan [7].
9
2.2.3 Pemodelan Dua Skema Untuk Droop Control
Struktur khusus dalam DC Microgrid umumnya terdiri dari DC-DC konverter secara paralel dengan beberapa sistem penyimpanan energi (ESS) dan beban DC atau AC ditunjukkan dalam Gambar 2.1. ESS dan beban dapat mendukung tegangan bus dengan menggunakan Droop Control pada mode (islanded) operation. V-I metode Droop Control untuk DC-DC konverter paralel dapat dilakukan secara linear untuk mengurangi referensi tegangan ketika keluaran arus meningkat. Sering disebut dengan metode Virtual Resistance Loop [18].
Gambar 2.1 Struktur Umum DC Microgrid 2.2.4 Pengertian Metode Rdroop Control
Metode Rdroop Control adalah metode yang populer untuk mengontrol pembagian beban, kemudian metode ini umumnya dipergunakan untuk resistansi yang dihubungkan secara seri dengan konverter. Pada resistansi yang dihubungkan secara seri dapat mengurangi penurunan tegangan keluaran secara keseluruhan, penurunan tegangan ini akan berbanding lurus dengan arus beban yang diberikan oleh konverter jika salah satu konverter mendominasi arus beban, selanjutnya penurunan resistansi meningkat, akibatnya tegangan keseluruhan berkurang dan arus beban ikut berkurang. Kekurangan utama dari metode ini adalah kehilangan daya di seluruh resistansi. Sehingga muncul konsep Rdroop Virtual. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.2 berikut :[19].
10
Gambar 2.2 Paralel Konverter dengan Rdroop 2.2.5 Konsep Load Sharing dan Sirkulasi Arus
Konverter DC-DC yang dihubungkan secara paralel sangat rentan saat pembagian beban. Untuk mengontrol pembagian beban konverter DC-DC perlu pengontrolan sangat tepat, konsep ini membahas pembagian beban dan permasalahan sirkulasi arus saat dibagikan dari konverter yang dihubungkan secara paralel dengan pertimbangan resistansi kabel. Gambar 2.3 mengambarkan dua konverter DC-DC yang terhubung secara paralel dengan jaringan tegangan rendah, untuk kesederhanaan beban diambil sebagai beban resistif. Pada Gambar 2.4, VDC1, VDC2, I1, I2 dan R1, R2 mewakili tegangan keluaran konverter, arus keluaran dan resistansi kabel masing-masing konverter.
Gambar 2.3 Paralel Konverter DC-DC Tegangan Keluaran yang Tidak Sama Resistansi kabel dihubungkan seri dengan konverter, ditunjukan Gambar 2.4 rangkaian equivalent. Arus yang bersikulasi disebabkan karena tegangan keluaran
11
konverter tidak sama, lebih tepatnya jika VDC > VDC2, IC12 mewakili arus yang bersikulasi dari konverter-1 ke konverter-2 dan I1 mewakili arus beban dari konverter-1. Selanjutnya diasumsikan resistansi kabel yang berbeda yang diwakili oleh R1 dan R2. Jika kabel tersebut berbeda maka memilki hambatan yang berbeda yang menyebabkan tegangan dan arus tidak seimbang pada DC bus karena perbedaan pada kabel [19].
Gambar 2.4 Rangkaian Equivalent Steady State 2.3 Konvensional Droop Control
Sistem DC Microgrid memiliki kendala utama yaitu untuk mempertahankan hasil tegangan keluaran dengan nilai batas yang ditentukan sebesar 5%, dan hasil pembagian beban yang sama. Gambar 2.5 model ilustrasi untuk sumber daya terdistribusi mencangkup dari dua sumber konverter yang terhubung paralel. Sistem ini menyederhanakan analisis Konvensioanl Droop Control.
Mengimplementasikan hukum Kirchhoff tegangan (KVL) pada Gambar 2.5, dimana tegangan dasar DC dari setiap konverter dapat dinyatakan dalam Droop Control:[12]
𝑉𝑑𝑐𝑖 = 𝑉∗𝑑𝑐 − 𝐼𝑜𝑖 𝑥 𝑅𝑑𝑖 i = 1,2 (1)
Dimana Vdci tegangan keluaran, V*dc referensi tegangan DC nominal, Ioi arus keluaran, dan Rdi resistansi Virtual dari sumber konverter. Kemudian nilai koefisien Droop Control Rdi harus dibatasi:
12 𝑅𝑑𝑖 ≤∆𝑉𝑑𝑐,𝑚𝑎𝑥
𝐼𝑜𝑖,𝑚𝑎𝑥 (2)
∆𝑉𝑑𝑐𝑖 = |𝑉∗𝑑𝑐 − 𝑉𝑑𝑐𝑖| ≤ ∆𝑉𝑑𝑐, 𝑚𝑎𝑥 (3)
Dimana ∆Vdci adalah deviasi maksimum (5%) dari nilai tegangan DC bus dan 𝑖𝑜,𝑖 𝑚𝑎𝑥 arus maksimum dari konverter. Kemudian saat steady-state arus keluaran konverter dihitung sebagai berikut:
Gambar 2.5 Model Rangkaian Equivalent Dua DC Microgrid Terhubung Paralel 𝐼𝑜, 𝑖 = 𝑉∗𝑑𝑐−𝑉𝑏
𝑅𝑑𝑖+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒,𝑖 (4)
Dimana Vb tegangan DC bus, kemudian arus yang mengalir diantara dua konverter dapat diturunkan sebagai berikut :
𝐼𝑐12 = −𝐼𝑐21 = 𝑉𝑑𝑐1−𝑉𝑑𝑐2
𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2 (5)
=𝐼𝑜1−𝐼𝑜2
2 (𝐽𝑖𝑘𝑎 𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1 = 𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2) (6)
=𝐼𝑜1 𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1−𝐼𝑜2 𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2
𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2 (𝐽𝑖𝑘𝑎 𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1 ≠ 𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2) (7)
Dimana Rline1 dan Rline2 adalah saluran kabel dari setiap konverter ke beban, Io1 dan Io2 adalah arus keluaran setiap konverter, sehingga hubungan antara resistansi droop dan arus keluaran konverter adalah :
𝐼𝑜1
𝐼𝑜2=𝑅𝑑2+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2
𝑅𝑑1+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1 (8)
13
Sehingga didapatkan kesalahan pembagian beban diantara dua konverter sebagai berikut :
∆𝑖12 =(𝑅d2+𝑅line2) (𝑉∗𝑑𝑐−𝑉𝑏)−(𝑅𝑑1+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1)(𝑉∗𝑑𝑐−𝑉𝑏)
(𝑅𝑑1+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒1)(𝑅𝑑2+𝑅𝑙𝑖𝑛𝑒2) (9)
Konvensional Droop Control ini dapat disesuaikan terhadap Error Current Sharing yang dihasilkan, akan tetapi memilki keterbatasan dan akurasi tegangan yang kurang efektif akibat keterbatasan metode yang digunakan. Gambar 2.6 mengilustrasikan pembagian beban yang tidak sama karena kesalahan pada tegangan konverter[10].
Gambar 2.6 Kurva Droop Pada DC Microgrid Dengan Control Konvensional 2.4 Control DC Microgrid
DC Microgrid terdiri dari sumber DC yang terhubung secara paralel dengan DC bus melalui boost konverter DC-DC. Dalam penelitian ini mempertimbangkan sumber DC yang ideal. Kontrol dasar DC Microgrid terdiri dari dua loop seperti yang ditunjukan Gambar 2.7. Metode droop digunakan dalam Primary Control Loop untuk mengontrol setiap konverter memastikan arus dapat berbagi antara konverter lainnya. Kemudian untuk mengurangi deviasi tegangan maka perlu adanya Secondary Control Loop[20].
14
Gambar 2.7 Arsitektur Adaptive Droop Control DC Microgrid 2.5 Primary Control Loop
Primary Control Loop digunakan untuk mengatur tegangan dan arus pada keluaran konverter. Primary Control Loop harus menjaga kestabilan selama DC konverter bekerja dan kestabilan pada tegangan DC bus. Selama perubahan beban, tegangan harus tetap pada batas yang diinginkan. Oleh karena itu, Primary Control harus tetap menjaga perubahan dalam sistem yang diinginkan dan memberikan sinyal Control yang sesuai [21]. Maka di Droop Control Konvensional terdapat penambahan ±ΔR untuk meningkatkan pembagian daya.
Nilai yang diperbaruhi dari resistansi Virtual diperoleh sebagai berikut:
Vdci = V*dc – io,I x (Rdi ±∆Ri) (9)
Penerapan Adaptive Droop Control digunakan untuk memperbaiki garis karakteristik ke posisi yang benar dan meminimalkan kesalahan tegangan terhadap karakteristik konverter. Dengan cara karakteristik droop yang lama dipindahkan ke posisi yang baru Rd1 dan Rd2 untuk memenuhi pembagian arus dan tegangan dengan mempertahankan tegangan bus dalam batas yang diizinkan.
2.6 Secondary Control Loop
Secondary Control Loop digunakan untuk mengatur kualitas daya DC Microgrid diluar dari pengontrolan Primary Control Loop[22]. Primary Control Loop sebelumnya digunakan untuk memastikan keakuratan pembagian beban
15
diantara semua konverter di DC Microgrid dengan memperbaiki nilai resistansi Virtual sebelumnya. Penyimpangan tegangan bus tergantung pada kesalahan umpan balik arus dan tegangan atau beban.
Secondary Control Loop ini digunakan untuk mengatur dan meningkatkan tegangan bus dan menjaga arus tetap berbagi diantara konverter seperti Gambar 2.7. Untuk mendapatkan sinyal deviasi tegangan, maka nilai V MG,ref dibandingkan dengan nilai terukur dari tegangan Bus V MG dengan menggunakan Control PI.
∆V MG = Kp1 ( V MGref – V MG) + Ki1 ∫ (V MGref – V MG) dt (10) Untuk mengembalikan tegangan bus ke nilai yang diperlukan ke setiap konverter maka diseimbangkan dengan nilai deviasi tegangan ΔVMG, tegangan referensi karakteristik droop kemudian diperbarui sebagai berikut:[10]
Vdci = V*dc + ∆V MGi - io,i x Rdi (11)
2.7 Adaptive Droop Control
Metode Konvensional Droop Control pada bagian sebelumnya memiliki keterbatasan terhadap pembagian beban yang tidak sama, untuk itu dapat diselesaikan dengan metode Adaptive Droop Control untuk menyesuaikan karakteristik beban yang tidak merata. Gambar 2.8 menyajikan kurva Adaptive Droop Control yang diusulkan untuk DC Microgrid. Pembagian arus dapat lebih baik dengan menyesuaikan tegangan nominal konverter. Tegangan disesuaikan melalui Voltage Control PI dan Current Control PI untuk meminimalkan arus dan tegangan yang tidak sama. Oleh karena itu, Adaptive Droop Control ini untuk meningkatkan tegangan DC tergantung deviasi tegangan bus dan pembagian beban.
Dengan demikian tegangan referensi disesuaikan pada setiap konverter dengan menggunakan Resistansi Virtual Rdroop[10].
Dapat dilihat Gambar 2.8 karakteristik kurva droop sebagai berikut:
16
Gambar 2.8 Kurva Droop Pada DC Microgrid Dengan Metode Adaptive 2.8 Boost Konverter DC-DC
Konverter DC-DC berfungsi mengubah tegangan DC lain dengan tegangan level yang diperlukan. Keluaran tegangan konverter DC-DC ini dapat divariasikan tergantung pada kebutuhan yang diperlukan. Konverter DC-DC memiliki beberapa jenis tergantung besar keluaran yang dibutuhkan beban. Boost konverter adalah rangkaian transmisi daya untuk melakukan penyerapan dan injeksi energi dari supply DC. Proses penyerapan dan injeksi energi tersebut memiliki empat komponen yaitu, induktor, dioda, mosfet dan kapasitor. Boost konverter adalah sebuah perangkat untuk menaikkan tegangan DC, diperlukan ketika tegangan yang diperlukan oleh suatu perangkat atau rangkaian elektronik tegangan keluar lebih tinggi dari tegangan supply. Dengan syarat tegangan keluaran selalu lebih besar dari tegangan masukan dan tegangan keluaran memiliki polaritas yang sama dengan tegangan masukan, seperti gambar berikut:
17
Gambar 2.9 Rangkaian Boost Konverter
Nilai komponen induktansi, duty cycle dan kapasitor pada boost konverter dapat dicari dengan menggunakan persamaan:
Duty cycle D = 1- Vin
Vout (12)
Dengan :
D = duty cycle Vin = input tegangan Vout = output tegangan Resistor
R = Vout
2
Po (13)
Dengan :
R = resistansi Po = daya Induktor
Mencari nilai IL(avg) IL = Vin
(1-D)2R (14)
Dengan :
18 IL = arus induktor
Estimasi yang baik untuk arus riak induktor adalah 20% hingga 40% dari arus output (datasheet)[23]
Mencari nilai ∆IL = 20%-40% x IL L = Vin . D
∆iL . fs (15)
Dengan :
∆IL = estimasi arus riak induktor Fs = frekuensi switching Kapasitor
∆Vo = 0.01 x Vout C = D
R(∆VoVo)fs (16)
Dengan :
∆Vo = riak tegangan output yang diinginkan
Faktor utama dalam perancangan boost konverter yang harus diperhatikan diantaranya adalah variabel awal dalam merancang boost konverter yang pada nantinya digunakan sebagai parameter perhitungan untuk mendapatkan nilai besaran komponen-komponen lain seperti induktor, duty cycle, kapasitor, dan resistor[24]. Pada sisi lain boost konverter nilai induktansi membutuhkan lebih tinggi dibandingkan dengan buck konverter karena buck konverter tidak selalu cocok untuk energi terbarukan, alasannya membutuhkan sisi input yang lebih tinggi. Oleh karena itu, boost konverter memiliki biaya implementasi yang lebih murah karena kapasitor input yang lebih rendah dan persyaratan switch mosfet yang lebih rendah dibandingkan dengan buck konverter [25].
