TESIS
OLEH:
DIAN PUTRA SARAGI 157034028
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2020
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH:
DIAN PUTRA SARAGI 157034028
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2020
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Ir. Syafrudin HS,. M.Sc., Ph.D.
Anggota : Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D.
: Ir. Surya Hardi,. M.Sc., Ph.D.
: Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T., M.T.
ABSTRAK
Penggunaan energi terbarukan dalam distributed generation (DG) merupakan satu solusi dalam evolusi teknologi kelistrikan dalam mengurangi penggunaan energi yang menghasilkan emisi karbon. Konverter DC-AC merupakan satu bagian pada DG yang memiliki fungsi sebagai penghubung antara sumber energi terbarukan dengan beban atau grid, mengubah mengubah listrik DC menjadi listrik AC. Penelitian ini bertujuan membahas konverter DC-AC tiga fasa dengan kemampuan kendali daya aktif dan reaktif yaitu metode grid-feeding power converter dan desain filter LCL yang berguna mereduksi harmonisa pada saat interkoneksi dengan grid. Pemodelan dalam penelitian ini menggunakan perangkat lunak PSIM. Simulasi dilakukan dengan dua kondisi, simulasi pertama hanya menggunakan referensi daya aktif (Pref) yang bertahap hingga 20000 W, sedangkan pada Simulasi kedua dengan referensi daya aktif (Pref) yang bertahap hingga 20000 W dan referensi daya reaktif (Qref) yang bertahap hingga 10000 VAR. Konverter DC-AC bekerja secara sinkron dengan grid, Respon daya output yang terukur mendekati nilai referensi, filter LCL bekerja lebih maksimal jika menambah resistor filter (Rf).
Kata kunci : konverter DC-AC, distributed generation, grid-feeding power converter, filter LCL.
ABSTRACT
The use of renewable energy in distributed generation (DG) is a solution in the evolution of electricity technology in reducing the use of energy that produces carbon emissions. DC-AC converter is a part of DG that has a function as a link between renewable energy sources with a load or grid, changing the conversion of DC electricity into AC electricity. This study aims to discuss three- phase DC-AC converters with active and reactive power control capabilities, namely the grid-feeding power converter method and the LCL filter design that is useful to reduce harmonics during interconnection with the grid. Modeling in this study uses PSIM software. The simulation is carried out with two conditions, the first simulation uses only active power reference (Pref) which is gradual up to 20000 W, while in the second simulation is active power reference (Pref) which is gradual up to 20000 W and the reactive power reference (Qref) which is gradually up to 10000 VAR. The DC-AC converter works synchronously with the grid, the measured output power response approaches the reference value, the LCL filter works more optimally if it adds a filter resistor (Rf).
Keywords : DC-AC converter, distributed generation, grid-feeding power converter, LCL filter.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan rahmat dan anugerah-Nya yang besar, dan telah memberikan kesehatan, pengetahuan serta pengalaman pada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan baik.
Adapun judul tesis ini adalah “Studi Pemodelan Kendali Konverter Elektronika Daya untuk DG dengan Filter LCL”, yang merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Magister Teknik Elektro di Universitas Sumatra Utara.
Dalam Penulisan Laporan ini penulis banyak mendapatkan bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, untuk itu dengan tulus penulis mengucapkan terimakasih kepada pihak-pihak berikut ini :
1. Bapak Prof. Dr. Runtung Sitepu, S.H., M.Hum., selaku Rektor Universitas Sumatera Utara Medan, yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas kepada penulis untuk mengikuti dan menyelesaikan program studi Magister Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
2. Ibu Ir. Seri Maulina, M.Si. Ph.D, selaku dekan Fakultas Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara Medan, yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas kepada penulis untuk mengikuti dan menyelesaikan program studi Magiser Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
3. Bapak Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D, selaku ketua Program Studi Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan arahan dan bantuan bagi penulis untuk menyelesaikan Magister Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
4. Bapak Ir. Syafruddin HS, M.Sc., Ph.D., selaku dosen Pembimbing I dan Bapak Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D. sebagai Pembimbing II. Bapak Surya Hardi, Ph.D dan Bapak Dr. Ali Hanafiah, S.T, M.T., sebagai Komisi Pembanding yang meluangkan waktunya untuk berdiskusi, memberikan masukan, bimbingan dan motivasi selama penulisan tesis ini.
5. Orangtua, Parlindungan Saragi dan Ermida Manullang, yang telah mendidik, mendoakan dan memberi semangat kepada penulis, selalu memberikan motivasi, dukungan materi dan moral menjalankan studi ini.
6. Seluruh staff Pengajar khususnya jurusan teknik elektro yang telah memberikan banyak ilmu pengetahuan dan keterampilan selama penulis menuntut ilmu di Magister Teknik Elektro USU
7. Untuk teman–teman seperjuangan atas segala bantuan, dukungan dan perhatian yang telah diberikan kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa tesis ini masih memiliki kekurangan, baik dari segi isi maupun penulisannya. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi perbaikan dan juga kesempurnaan thesis ini, agar nantinya dapat bermanfaat bagi penulis dan juga pembaca.
Akhir kata hanya kepada Tuhan penulis memohon ampun dan kepada pembaca penulis meminta maaf, seperti ada kata bijak mengatakan “kekurangan datangnya dari manusia dan kesempurnaan datangnya dari Tuhan”.
Sekian dan terima kasih.
Medan, 22 April 2020 Penulis
Dian Putra Saragi
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
I. IDENTITAS PRIBADI
Nama : Dian Putra Saragi
Tempat/Tanggal Lahir : Sidikalang, 15 Desember 1989
Agama : Protestan
Jenis Kelamin : Laki-Laki
Umur : 30 Tahun
Kewarganegaraan : Indonesia
Nama Ayah : Parlindungan Saragi Nama Ibu : Ermida Manullang, S. Pd.
II. PENDIDIKAN
SD : SDN 030285 Sidikalang (1997-2002)
SMP : SMPN 1 Sidikalang (2002-2005)
SMA : SMA St. Petrus Sidikalang (2005-2008)
D3 : Politeknik Negeri Medan (2009-2012)
S1 : Universitas Darma Agung (2013-2014)
III. PEKERJAAN
Wirausaha :
Teknisi :
Pemusik :
Medan, 22 April 2020 Penulis
Dian Putra Saragi
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL ... xiv
BAB 1PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan masalah ... 4
1.3. Tujuan Penelitian ... 4
1.4. Batasan masalah ... 5
1.5. Manfaat penelitian ... 5
1.6. Sistematika Penulisan ... 6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 8
2.1. Distributed Generation... 8
2.1.1. Jenis-jenis DG ... 9
2.1.2. Kelebihan dan kekurangan DG ... 10
2.1.4. Konfigurasi umum DG ... 13
2.2. Divais Penyimpanan (Storage Device) ... 14
2.3. Daya ... 17
2.4. Piranti elektronika daya ... 18
2.5. Konverter elektronika daya ... 19
2.5.1. Konverter DC-DC ... 20
2.5.2. Konverter AC-DC ... 22
2.5.3. Konverter DC-AC ... 22
2.5.4. Konverter AC-AC ... 24
2.6. H-bridge tiga fasa ... 26
2.7. Metode sinkronisasi ... 29
2.7.1. Transformasi Clarke dan Park ... 29
2.7.2. Phase Locked Loop ... 31
2.8. Sistem kendali konverter daya ... 33
2.8.1. Grid-forming power converter ... 34
2.8.2. Grid-feeding power converter ... 35
2.8.3. Grid-supporting power converter ... 36
2.9. Kendali daya aktif dan reaktif ... 37
2.10. Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) ... 39
2.11. Filter ... 41
2.11.1.Resonansi ... 44
2.11.2.Desain Filter LCL ... 45
2.12. Perangkat lunak PSIM ... 47
BAB 3METODOLOGI PENELITIAN ... 50
3.1. Tempat penelitian ... 50
3.2. Teknik penelitian... 50
3.3. Alat dan Bahan penelitian ... 50
3.4. Diagram alir penelitian ... 51
3.5. Diagram alir perancangan konverter ... 52
3.6. Diagram alir menghitung filter ... 53
3.7. Diagram alir cara kerja konverter ... 55
3.8. Diagram satu garis ... 57
BAB 4HASIL DAN PEMBAHASAN ... 58
4.1. Pendahuluan ... 58
4.2. Hasil perancangan konverter DC-AC ... 59
4.2.1. Sumber DC ... 59
4.2.2. Hasil pemodelan rancangan H-bridge ... 60
4.2.3. Hasil pemodelan rancangan SPWM ... 62
4.2.4. Hasil pemodelan rancangan PLL ... 64
4.2.5. Hasil pemodelan rancangan kendali daya ... 67
4.2.6. Hasil rancangan filter LCL ... 70
4.2. Simulasi pertama dengan kendali daya aktif ... 76
4.3. Simulasi kedua dengan kendali daya aktif dan reaktif ... 83
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 91
5.1 Kesimpulan ... 91
5.2 Saran ... 92
DAFTAR PUSTAKA ... 93 LAMPIRAN 1. ... 98 LAMPIRAN 2. ... 99
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Distributed Generation (DG) [11] ... 9
2.2. Konfigurasi umum DG [13] ... 14
2.3. Daya AC ... 17
2.4. Karakteristik piranti elektronika daya [7] ... 19
2.5. Diagram aplikasi konverter elektronika daya [7] ... 20
2.6. Rangkaian dasar konverter DC-DC [7]... 21
2.7. Konverter AC-DC tiga fasa ... 22
2.8. Konfigurasi VSI ... 23
2.9. Konfigurasi CSI ... 24
2.10. Konfigurasi ZSI ... 24
2.11. Konfigurasi konverter AC-AC setengah glombang ... 25
2.12. Konfigurasi konverter AC-AC gelombang penuh ... 25
2.13. H-bridge konverter DC-AC tiga fasa... 26
2.14. Transformasi Park dan Clarke ... 29
2.15. Diagram blok dasar PLL [27] ... 32
2.16. SRF-PLL [12] ... 33
2.17. Grid-forming power converter [30] ... 34
2.18. Grid-feeding power converter [30] ... 35
2.19. Grid-supporting power converter operating as a voltage source ... 36
Nomor Judul Halaman
2.20. Grid-supporting power converter operating as a current
source ... 37
2.21. Kendali daya aktif dan reaktif ... 38
2.22. SPWM ... 40
2.23. Konfigurasi filter L, LC dan LCL... 41
2.24. Pemodelan filter LCL ... 43
2.25. Logo perangkat lunak PSIM [10] ... 47
2.26. Tampilan PSIM... 48
2.27. Tampilan SimView ... 48
3.1. Diagram alir penelitian... 51
3.2. Diagram alir perancangan konverter... 52
3.3. Diagram alir menghitung filter ... 53
3.4. Diagram alir cara kerja konverter ... 55
3.5. Diagram satu garis ... 57
4.1. Konverter DC-AC dengan kendali daya ... 58
4.2. Pemodelan rancangan H-bridge ... 61
4.3. Pemodelan rancangan SPWM ... 63
4.4. Hasil pemodelan rancangan PLL ... 65
4.5. Hasil pengukuran tegangan grid tiga fasa ... 65
4.6. Bentuk gelombang tegangan alpha dan beta ... 65
4.7. Bentuk gelombang theta ... 66
4.8. Bentuk gelombang theta terhadap grid ... 66
Nomor Judul Halaman
4.9. Pemodelan perhitungan referensi dengan output idref ... 67
4.10. Pemodelan perhitungan referensi dengan output iqref ... 68
4.11. Pemodelan kendali arus ... 69
4.12. Pemodelan pengukuran daya dq ... 69
4.13. Letak filter LCL ... 73
4.14. Bode diagram filter LCL ... 74
4.15. Output konverter dengan filter LCL tanpa Rf ... 75
4.16. Output konverter dengan filter LCL dengan Rf ... 75
4.17. Kondisi referensi daya (Pref dan Qref) simulasi pertama ... 77
4.18. Tegangan grid dq (Vgd dan Vgq) simulasi pertama ... 78
4.19. Referensi arus dq Idref dan iqref simulasi pertama ... 78
4.20. Sinyal referensi (Va_ref) simulasi pertama ... 79
4.21. Tegangan switching (Vsa) simulasi pertama ... 79
4.22. Tegangan (Vka) simulasi pertama ... 80
4.23. Tegangan konverter terhadap tegangan grid simulasi pertama ... 80
4.24. Arus ika, ikb, ikc simulasi pertama ... 81
4.25. Arus dq ikd dan ikq simulasi pertama ... 81
4.26. Tegangan Vka, Vkb, Vkc terhadap arus ika, ikb, ikc simulasi pertama ... 82
4.27. Perbandingan Pref, Pdq dan Qref, Qdq simuasi pertama ... 83
4.28. Referensi daya Pref dan Qref simulasi kedua ... 84
4.29. Tegangan Vgd dan Vgq pada simulasi kedua ... 85
Nomor Judul Halaman
4.30. Referensi arus idref dan iqref simulasi kedua ... 85
4.31. Sinyal referensi (Va_ref) konverter simulasi kedua ... 86
4.32. Tegangan switching (Vsa) konverter simulasi kedua ... 86
4.33. Tegangan Vka simulasi kedua ... 86
4.34. Tegangan konverter terhadap tegangan grid simulasi kedua ... 87
4.35. Arus konverter ika, ikb, ikc simulasi kedua ... 88
4.36. Arus dq ikd dan ikq simulasi kedua ... 88
4.37. Tegangan Vka, Vkb, Vkc terhadap arus ika, ikb, ikc simulasi kedua... 89
4.38. Perbandingan Pref, Pdq dan Qref, Qdq simuasi kedua ... 90
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1. Standar kegagalan frekuensi pada IEEE 1547 [12] ... 11
2.2. Standar kegagalan tegangan [12] ... 12
2.3. Standar kegagalan frekuensi [12] ... 12
2.4. Standar rekoneksi setelah kegagalan [12] ... 13
2.5. Divais penyimpanan [16] ... 16
2.6. Switching H-bridge konverter DC-AC tiga fasa [21] ... 27
2.7. Kelebihan dan kekurangan pada filter L, LC dan LCL [28] ... 42
4.1. Spesifikasi parameter pemodelan Konverter DC AC ... 59
4.2. Spesifikasi sumber DC pemodelan Konverter DC-AC ... 60
4.3. Keterangan label H-bridge ... 62
4.4. Keterangan label SPWM ... 63
4.5. Parameter LCL ... 73
4.6. Referensi simulasi pertama ... 77
4.7. Referensi simulasi kedua... 84
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kenyataan saat ini angka pertumbuhan penduduk di dunia yang semakin meningkat tidak dapat dihentikan.Diperkirakan pada tahun 2050 populasi penduduk bumi mencapai 9 milliar dan 70% merupakan penduduk yang tinggal di perkotaan. Dengan istilah lain penduduk kota akan tumbuh 1.5% pertahun tingkat urbanisasi juga mempengaruhi. Ini merupakan tantangan dunia akan kebutuhan ekonomi yang semakin tinggi. Dengan kondisi seperti ini diharapkan dapat tercipta perkotaan baru yang lebih efisien dengan mengoptimalkan kegiatan ekonomi, konsumsi energi dan dampak lingkungan atau dikenal dengan istilah smart city.Dengan konsep smart city maka diharapkan hasilnya dapat mempertahankan hidup dalam tantangan pertumbuhan penduduk, urbanisasi, perubahan iklim global serta berkurangnya sumber daya alam [1].
Konsep pada kota pintar atau lebih terkenal dengan istilah smart city yaitu dengan memanfatkan penggunaan energi yang seminimal mungkin dan memaksimalkan penggunaan energi terbarukan serta mengurangi penggunaan energi yang menghasilkan emisi karbon [1].Untuk mencapai konsep penggunaan energi terbarukan serta penurunan penggunaan energi yang menghasilkan emisi karbon ini evolusi teknologi kelistrikan telah sampai pada era dimana telah diterapkan konsep sistem Distributed Generated (DG) [2].
Perbedaan utama sistem DG dan sistem konvensional adalah sistem DG memungkinkan aliran daya dua arah pada jaringan distribusi. Pada sistem
konvensional, daya selalu mengalir dalam satu arah yaitu dari pembangkit menuju beban. Konsep sistem DG adalah memasang pembangkit listrik skala kecil di sekitar jaringan distribusi atau di sekitar jaringan listrik konsumen. Keuntungan utama menyebarkan unit DG adalah untuk meningkatkan kualitas daya dan keandalan bagi konsumen [3], [4], [5]. Selain memanfaatkan energi dari penyedia, konsumsi listrik juga dapat menggunaan energi terbarukan. Energi terbarukan adalah energi dari sumber daya alam seperti angin, sinar matahari, pasang surut, gelombang, panas bumi, dan biomassa [2], [3], [4]. Interkoneksi DG ke sistem distribusi yang ada memberikan berbagai manfaat bagi beberapa entitas seperti pemilik, utilitas, dan pengguna akhir, Karenanya listrik tersebut akan dibangkitkan lebih dekat dengan pelanggan [6].
Permasalahan yang terjadi pada DG saat terhubung dengan sumber energi terbarukan dengan grid adalah sinkronisasi, efisiensi konverter, kualitas daya, integrasi divais penyimpanan, manajemen energi. Perkembangan perangkat elektronik daya berkontribusi besar dalam mengembangkan teknologi DG, sedangkan setiap unit DG perlu saling berhubungan dengan jaringan utama melalui konverter elektronik daya untuk mengontrol dan meningkatkan daya output. Konverter elektronika daya merupakan kunci untuk peningkatan operasi dan fungsi, tujuan utama menggunakan konverter daya pada DG adalah kendali daya, berbagi daya, penghubung energi terbarukan, peningkatan kualitas daya, dan manajemen energi [7].
Penelitian ini membahas konverter elektronika daya dengan jenis DC-AC yang terhubung dengan grid kemampuan yang dapat mengendalikan daya aktif
reaktif output, sedangkan filter yang digunakan adalah filter LCL. R. Kabiri, D. G.
Holmes, dan B. P. McGrath, pada tulisannya “DigSILENT Modelling of Power Electronic Converter for Distributed Generation Networks” yang membahas konverter DC-AC yang sinkron dengan grid yang sistemnya tanpa menggunakan transformator menggunakan filter LCL antara grid dan output konverter.
Konverter DC-AC menggunakan metode Pulse Width Modulation (PWM) sebagai sinyal driver pada switching H-bridge sedangkan pada Phase Locked Loop (PLL) sebagai metode sinkronisasi menggunakan transformasi park (abc-dq), konverter DC-AC menggunakan kendali daya aktif dan reaktif (grid-feeding power converter). Parameter frekuensi switching yang digunakan 5 kHz dan grid 50 Hz, tegangan grid 400 V. Set referensi daya aktif 4 kW pada waktu 0 s, 10 kW pada waktu 0.04 s pada percobaan pertama. Pada percobaan kedua set referensi daya aktif 4 kW pada waktu 0 s, kemudian injeksi referensi daya reakif 2 kVAR pada waktu 0.05 s. Aplikasi yang digunakan untuk simulasi adalah DigSILENT, dengan hasil cukup akurat dan dapat dijadikan sebagai bahan acuan untuk tahap realitas konverter DC-AC interkoneksi grid [8].
Thong-In Suyat, Sakorn Po-Ngam, dan Chanlit Tarasantisuk dalam tulisannya ‘The Active Reactive Power Control for Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic Inverters” membahas konverter DC-AC menggunakan metode pengontrolan daya aktif untuk konverter PV yang terhubung jaringan grid tiga fasa yang dilaksanakan di laboratorium dengan parameter VDC 700V, tegangan grid 240V, step set referensi daya aktif 1300W ke 2700W, daya reaktif tahap set referensi 0 VAR ke 500 VAR kembali 0 VAR ke -500 VAR. Hasil percobaan
pada jurnal tersebut, konverter dapat menyuplai daya aktif yang baik dan kemampuan regulasi daya reaktif, transisi yang lancar dan respons cepat terhadap sistem kendali daya aktif dan daya reaktif. Distorsi harmonis terjadi pada arus grid, ini efek dari parameter dalam sistem grid [9].
1.2. Rumusan masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
a. Bagaimana perbandingan tegangan konverter DC-AC ketika menyuplai daya ke grid tiga fasa 380V/50Hz.
b. Berapa nilai masing-masing komponen filter LCL untuk setingan kemampuan daya aktif konverter DC-AC sebesar 20000 W.
c. Perbedaan antara filter LCL yang menggunakan resistor filter (Rf) dan yang tidak menggunakan Rf.
d. Nilai daya aktif dan besar arus output yang terukur jika konverter DC- AC hanya dengan setingan daya aktif yaitu Pref = 20000 W.
e. Nilai daya aktif, reaktif serta arus output yang terukur jika konverter DC-AC dengan setingan daya aktif dan reaktif yaitu Pref = 20000 W, Qref = 10000 VAR.
1.3. Tujuan Penelitian
Beberapa tujuan dari penelitian ini adalah:
a. Merancang pemodelan konverter DC-AC dimana konverter DC-AC dapat mengendalikan daya aktif dan daya reaktif, serta memodelkan pada PSIM simulasi pertama dengan Pref = 20000 W, simulasi kedua dengan Pref 20000 W dan Qref = 10000 VAR.
b. Menentukan nilai parameter LCL yang diperlukan pada konverter DC- AC dengan Pref = 20000 W.
c. Menentukan nilai daya aktif dan arus output yang terukur pada simulasi pertama dengan setingan daya aktif Pref = 20000 W.
d. Menentukan nilai daya aktif, reaktif dn arus output yang terukur pada simulasi kedua dengan setingan daya aktif Pref = 20000 W dan setingan daya reaktif Qref = 10000 VAR.
1.4. Batasan masalah
Batasan masalah penelitian ini adalah penggunaan sumber DC yang dalam pelaksanaannya diperoleh dari PV atau generator DC, karena pembahasan primer penelitian ini tentang kendali elektronika daya dan filter LCL maka pembahasan sumber DC adalah sebatas penentuan parameternya. output konverter DC-AC terhubung dengan grid tiga fasa yang seimbang dengan kondisi tegangan frekuensi (380V/50Hz). Konverter DC-AC pada simulasi ini menggunakan sistem kendali jenis grid-feeding power converter dengan referensi daya aktif dan reaktif.
Hasil diperoleh dengan dua tahap simulasi, pertama dengan menggunakan referensi daya aktif dan kedua menggunakan kombinasi referensi daya aktif dan reaktif.
1.5. Manfaat penelitian
Manfaat penelitian adalah sebagai berikut:
a. Sebagai studi pemahaman dalam bidang elektronika daya dengan topik konverter DC-AC yang interkoneksi dengan grid serta kemampuan kendali daya aktif dan reaktif, dan pemahaman bagian sinkronisasi,
SPWM, H-bridge, filter LCL dalam mereduksi tegangan output konverter DC-AC.
b. Pemahaman dan menerapkan salah satu aplikasi simulasi yaitu perangkat lunak PSIM yang berhubungan dengan teknik elektro bidang elektronika daya.
c. Mengukur daya output konverter DC-AC hasil rancangan dengan referensi daya yang diseting berdasarkan simulasi PSIM dan membuat desain filter yang sesuai dengan kebutuhan dan kemampuan daya konverter DC-AC.
d. Sebagai bahan referensi untuk penelitian dengan pembahasan dibidang yang sama.
1.6. Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pemahaman hasil, penulis memaparkan mulai dari latar belakang, tinjauan pustaka, perancangan hingga pengujian dalam beberapa bab, dimana setiap bab memiliki keterkaitan.
BAB 1. PENDAHULUAN
Pada bab ini berisi latar belakang penulisan, permasalahan, batasan masalah, tujuan, kegunaan dan manfaat, metode pengumpulan data serta sistimatika penulisan penelitian.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini mambahas teori-teori dasar perkenalan sistem DG, divais penyimpan, kofigurasi dasar DG piranti elektronika daya, jenis-jenis konverter elektronika daya, H-bridge, sinkronisasi, transformasi Park dan
Clarke, phase locked loop, SPWM, kendali elektronika daya, desain filter LCL.
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini menjelaskan waktu dan tempat penelitian alat dan bahan yang dibutuhkan, diagram alir dan diagram satu garis.
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini memaparkan desain pemodelan H-bridge, SPWM, phase lock loop, filter dan pengendalian konverter DC-AC terhubung grid dengan menggunakan aplikasi software, menampilkan hasil gelombang serta analisis.
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan akhir penulisan dengan isi berupa kesimpulan yang diperoleh dalam penelitian, serta saran-saran yang ingin disampaikan penulis.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Distributed Generation
Secara umum Distributed Generation (DG) didefinisikan berdasarkan ukuran dan lokasi tetapi beberapa negara mendefinisikan DG memiliki beberapa karakteristik dasar. Dalam sebuah jurnal ada beberapa definisi untuk DG yang dirangkum,akan tetapi definisi atau pengertian DG pada setiap Negara dan asosiasi memang berbeda. Pada jurnal tersebut terdapat salah satu defenisi sistem DG yang diartikan sebagai pembangkit terhubung langsung ke jaringan pada tegangan tingkat distribusi atau pada sisi meteran pelanggan [4]. Pengertian lain dari Wikipedia menyatakan bahwa DG adalah pembangkitan dan penyimpanan listrik dilakukan oleh berbagai perangkat kecil yang terhubung, terhubung ke jaringan atau sistem distribusi [10]. Sementara itu pada majalah IEEE Industry applications magazine, DG adalah unit yang dipasang pada sistem distribusi biasanya akan tidak lebih besar dari 1 atau 2 MW dipasang sebagian besar oleh utilitas itu sendiri atau oleh pengguna akhir [11].
Konsep sistem kelistrikan konvensional adalah aliran daya yang disalurkan satu arah dari pembangkit hingga konsumen. Sementara pada sistem kelistrikan terbaru sama seperti pada kelistrikan konvensional hanya perbedaannya adanya pemasukan energi sistem DG pada sisi distribusi. Sistem DG ini juga memungkinkan konsumen untuk menyuplai listrik ke sisi distribusi penyedia listrik. Untuk lebih jelas pada Gambar 2.1 dapat dilihat pada sistem distribusi
terdapat koneksi dua arah dengan DG, dalam pengertian DG dapat menyuplai daya ke sistem distribusi [11].
Gambar 2.1. Distributed Generation (DG) [11]
2.1.1. Jenis-jenis DG
Pada aplikasinya, permasalahan teknis pada tiap jenis DG akan berbeda tantangannya, hal ini akan sesuai dengan jenis tingkatan masing-masing DG.
Berdasarkan besarnya kemampuan daya, perbedaan sistem DG dapat dikategorikan sebagai berikut [4]:
a) Micro DG: 1W – 5kW b) Small DG: 5kW - 5MW c) Medium DG: 5MW - 50MW d) Large DG: 50MW – 300MW
Penerapan DG dengan membuat pembangkitan listrik yang dekat dengan beban. Sumber energi DG dapat berupa combined heat and power (CHP) dan renewable energy sources (RES). Sumber energi dari alam yaitu angin, sinar matahari, pasang surut, gelombang, panas bumi, dan biomassa merupakan sumber
energi terbarukan (RES). Berikut jenis teknologi DG yang umum diaplikasikan serta ukuran dayanya [3]:
1) Turbin Angin: 200 W - 3 MW
2) Array Fotovoltaik (Array PV): 20 W - 100 kW 3) Hidro Kecil: 1 - 100 MW
4) Mikro Hidro: 25 kW - 1 MW 5) Panas Bumi: 5 - 100 MW 6) Energi Laut: 100 kW - 5 MW
7) Gasifikasi Biomassa: 100 kW - 20 MW 8) Penyimpanan Baterai: 500 kW - 5 MW 2.1.2. Kelebihan dan kekurangan DG
Salah satu hambatan utama sistem DG adalah biaya mahal namun beberapa tahun terakhir biaya telah menurun secara signifikan. Sistem DG dapat digunakan dengan cara island untuk menyuplai permintaan suatu area konsumen, atau dengan interkoneksi dengan grid untuk memasok energi ke sistem distribusi tenaga listrik. Umumnya sistem DG terhubung pada tingkat distribusi atau konsumen. Sistem DG memiliki beberapa fitur yang belum terpenuhi [3]:
a) Daya yang dihasilkan relatif kecil dan memiliki variasi tergantung pada ketersediaan sumber energi primer.
b) Aliran daya adalah dua arah, dibandingkan dengan sistem pembangkit terpusat di mana aliran daya yang searah.
c) Lokasi di area jaringan tergantung dari keberadaan sumber energi primer.
Beberapa fitur dibawah ini yang dianggap sebagai kelebihan yang diperoleh dari DG yaitu [3]:
1) Mengurangi kerugian transmisi.
2) Meningkatkan kualitas daya.
3) Meningkatkan keandalan jaringan.
4) Memberikan suplai tegangan yang lebih baik.
5) Mengurangi emisi rumah kaca.
2.1.3. Standar Internasional DG
Untuk terhubung ke jaringan, standar yang telah ditetapkan harus diterapkan sistem DG. Oleh karena itu, konverter yang terhubung ke jaringan harus mematuhi standar ini. Standar IEEE1547, IEC61727, VDE-AR-N 4105 adalah beberapa standar yang berhubungan dengan sistem DG. Standar yang disebutkan berhubungan dengan masalah-masalah seperti kualitas daya, pendeteksian mode island. Beberapa standar ini dalam pengoperasian DG dijabarkan dalam Tabel 2.1 hingga Tabel 2.4. Waktu yang diperlukan DG untuk memutuskan sambungan dengan jaringan dengan kondisi daya nominal lebih besar atau lebih kecil dari 30 kW dan ketika kegagalan frekuensi dapat dilihat pada Tabel 2.1 [12].
Tabel 2.1. Standar kegagalan frekuensi pada IEEE 1547 [12]
DG size (kW) Frequency range (Hz) Clearing Time (s)
≤30 >60.5 0.16
<59.3 0.16
≥30 >60.5 0.16
<59.8 to 57 (adjustable) Adjustable 0.16 to 300
<57.0 0.16
Tegangan DG dan grid harus dalam keadaan yang sama pada saat sinkron.
DG tidak bisa melebihi atau kurang dari standar terhadap tegangan grid, batas yang ditetapkan oleh standar dan untuk kondisi abnormal dan waktu pemutusan untuk sistem DG ditampilkan pada Tabel 2.2 [12].
Tabel 2.2. Standar kegagalan tegangan [12]
IEEE 1574 IEC 61727 VDE-AR-N 4105
Voltage range
%
Disc (s)
Voltage range
%
Disc (s)
Voltage range
%
Disc (s) V < 50 0.16 V < 50 0.10 V < 80 0.1 50 ≤ V < 88 2.00 50 ≤ V < 88 2.00 V ≥ 110 0.1 110 < V < 120 1.00 110 < V < 135 2.0
V ≥ 120 0.16 V ≥ 135 0.05
Selain masalah tegangan, DG juga menempatkan masalah frekuensi sebagai masalah yang serius, sehingga dibuat aturan mengenai kegagalan frekuensi untuk melindungi pengguna dan peralatan. Demi kualitas yang baik maka sistem DG harus memutuskan sambungan dari jaringan dalam periode tertentu ketika perubahan frekuensi terjadi. Untuk standar kegagalan frekuensi yang dijabarkan dalam Tabel 2.3 [12].
Tabel 2.3. Standar kegagalan frekuensi [12]
IEEE 1574 IEC 61727 VDE-AR-N4105
Frequency Range (Hz)
Disc (s)
Frequency Range (Hz)
Disc (s)
Frequency Range (Hz)
Disc (s) 59.3<f<60.5 0.16 49<f<51 0.20 47.5<f<51.5 0.10
Untuk memperbaiki tingkat kualitas daya aliran listrik yang tetap mengalir maka sistem DG diharuskan untuk terhubung kembali ke jaringan grid setelah terjadi kegagalan. untuk standar waktu penundaan tertentu seperti yang dijabarkan dalam Tabel 2.4 [12].
Tabel 2.4. Standar rekoneksi setelah kegagalan [12]
IEEE 1574 IEC 61727 VDE-AR-N4105
88 < V < 110 (%) 85 < V < 110 (%) 80 < V < 110 (%)
And And And
59.3 < f < 60.5 (Hz) Fn-1 < f < fn+1 (Hz) 47.5 < f < 51.5 (Hz)
And And And
Delay of 5 minutes Delay of 3 minutes Delay of 5 seconds
2.1.4. Konfigurasi umum DG
Struktur sistem DG yang terhubung daya input berupa sumber energi, dengan konfigurasi yang berbeda seperti: fotovoltaik, sel bahan bakar, turbin angin, dll. Sumber energi pada input DG tersebut biasanya menghasilkan tegangan DC, sehingga untuk interkoneksi dengan jaringan grid DG memerlukan konverter DC-AC. Konverter yang diaplikasikan dapat berupa konverter satu tahap (konverter DC-AC) atau konverter dua tahap (konverter DC-DC dan konverter DC-AC). Konverter juga memiliki dua mode operasi yang terpisah, bertindak sebagai sumber arus jika mereka terhubung ke jaringan dan sebagai sumber tegangan jika mereka bekerja secara island. Bagian filter keluaran (L, LC, LCL, dan LCL dengan resistor peredam (Rf)) yang terhubung secara seri dengan konverter mempengaruhi kinerja harmonik pada frekuensi switching yang lebih rendah. Filter LCL telah banyak diterapkan pada konverter dengan dengan interkoneksi grid. Konfigurasi umum dengan sumber daya input berbeda digambarkan pada Gambar 2.2. Unit DG dapat dihubungkan ke beban dan jaringan grid melalui Point of Common Coupling (PCC) tunggal. Teknologi sistem DG difungsikan untuk pembangkitan listrik dan harus dapat menyalurkan energi dari sumber ke grid, mengendalikan aliran daya yang aktif dan reaktif serta mengelola energi penyimpanan [13].
Gambar 2.2. Konfigurasi umum DG [13]
2.2. Divais Penyimpanan (Storage Device)
Penggunaan teknologi storage device yang dikombinasikan dengan unit konversi energi adalah jalan keluar dari ketidakmampuan sumber energi terbarukan untuk memberikan daya dalam sebuah sistem dengan konsumsi dan persyaratan jaringan. Divais penyimpanan digunakan untuk menyimpan pada saat energi yang dialirkan ke beban mengalami penurunan, sementara itu divais penyimpanan akan mengalirkan energi pada saat permintaan beban bertambah (beban puncak) dan energi listrik dari sumber energi terbarukan terputus-putus
[12], [13]. Divais penyimpanan energi memiliki peran penting dalam sistem DG, seperti untuk backup pada beban dengan cepat, meningkatkan keandalan sistem, dan menjaga profil pembangkitan dari sumber yang tidak bisa dikirim.
Penyimpanan energi dihubungkan ke grid melalui konverter DC-AC biasanya sumber tegangan konverter [14]. Ada 4 pembagian sistem teknologi divais penyimpanan yaitu mechanical, electrical, electromechanical, dan thermal. Untuk jenis-jenis tiap sistem teknologi divais penyimpanan yang dapat digunakan sebagai penyimpan energi pada sistem DG adalah sebagai berikut [15], [16]:
a) Mechanical
1) Phumped Hydro Electric Storage (PHES) 2) Compressed Air Energy Storage (CAES) 3) Flywheel Energy Storage
b) Electrical
1) Super Capasitor Storage
2) Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) c) Electromechanical
1) Lead Acid Battery Storage 2) Lithium-ion Battery Storage 3) Vanadium Redox-Flow Battery 4) Hydrogen Fuel Cell
d) Thermal
1) Low Temperature Thermal Storage 2) High Temperature Thermal Storage
Perbedaan storage device berdasarkan energy efficiency (efisiensi energi), power density (kepadatan daya), energy density (kepadatan energi), energy installation cost (biaya pemasangan energi), life time (lama beroperasi), deployment time (durasi penyebaran), applications (aplikasi) dijabarkan pada Tabel 2.5 [16].
Tabel 2.5. Divais penyimpanan [16]
Storage Device
Energy Efficiency
(%)
Power Density (W/kg)
Energy Density (Wh/kg)
Energy Instalati on Cost (€/kwh)
Life Time (cycles)
Deploy ment Time
Applycations
PHES 80-92 - 0.5-1.5 5 to 20 40 years About 3 min
Voltage control, load levelling, peak
shaving, standing reverse
CAES 60-70 - 30-60 40 to
80 30 years 3 to 10 min
Voltage control, load levelling, peak
shaving, standing reverse
Flywheel 85-87 1500-
5000 5-50 3000 to
10000 106 About 10 ms
Primary frequency control, voltage
control, peak shaving, UPS
Lead
Acid 75-90 <1000 30-40 100 to
250 103-104 3 to 5 ms
Residential storage systems, UPS, Load Levelling,
Peak shaving
Litium-ion 87-94 800-2000 80-170 300 to
800 103-104 3 to 5 ms
Residential storage systems, Load Levelling, Peak
shaving Vanadium
Redox 65-67 80-150 25-35 300 to
500 103-104 -
Frequency control, island
grid
Super
Capasitor 90-94 1000-
10000 <50
10000 to 20000
106 <10 ms
Primary frequency control, voltage
control, peak shaving, UPS
SMES 95 - 30-100 350 106 1 to 10
ms
Primary frequency control, voltage
control, peak shaving, UPS
2.3. Daya
Daya merupakan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan kerja atau usaha. Daya listrik biasanya dinyatakan dalam satuan Watt atau Horsepower (HP), Horsepower merupakan satuan daya listrik dimana 1 HP setara 746 Watt.
Pada listrik AC terdapat daya aktif (P), daya reaktif (Q), dan daya semu (S) seperti pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Daya AC
Persamaan (2.1) merupakan daya aktif tiap fasa menggunakan satuan Watt.
fasacos
fasa
fasa V I
P Watt………... ( 2.1)
Persamaan (2.2) merupakan daya reaktif tiap fasa menggunakan satuan VAR.
fasasin
fasa
fasa V I
Q VAR………..…………. ( 2.2)
Persamaan (2.3) merupakan daya semu tiap fasa menggunakan satuan VA.
fasa fasa
fasa V I
S VA……….. ( 2.3)
Sedangkan dalam jumlah daya aktif dan daya reaktif dalam bilangan kompleks atau daya kompleks tiap fasa dapat dilihat pada Persamaan (2.4).
fasa fasa
fasa P jQ
S VA…………... ( 2.4) Daya aktif tiga fasa merupakan penjumlahan dari daya aktif tiap fasa seperti pada Persamaan (2.5). Untuk beban sistem bintang Ifasa IL, VL 3Vfasa . Sedangkan untuk beban sistem delta IL 3Ifasa, V L Vfasa,
3 cos cos
3
3fasa 3Pfasa VfasaIfasa VLIL
P Watt…… ( 2.5)
sedangkan untuk daya reaktif tiga fasa ada pada Persamaan (2.6) dan daya semu ada pada Persamaan (2.7).
3 3 sin
sin
3fasa 3VfasaIfasa Qfasa VLIL
Q VAR….. ( 2.6)
fasa fasa fasa
fasa fasa
fasa fasa
fasa Z
Z V I I
V S
S
2 2
3
3 3 3
3
VA…... ( 2.7) Dimana ZP ZP merupakan beban tiap fasa. Untuk daya kompleks tiga fasa ditulis pada Persamaan (2.8).
L L
fasa P jQ V I
S3 3 VA... ( 2.8)
Vfasa, Ifasa, VL merupakan nilai rms dan adalah sudut beban impedansi atau antara tegangan dan arus [17].
2.4. Piranti elektronika daya
Piranti semikonduktor merupakan bagian penting dalam konverter elektronika daya. Piranti elektronika daya ini memiliki karakteristik berbeda, seperti frekuensi switching, Safe Operating Area, suhu dan karakteristik lainnya.
Gambar 2.4 menunjukkan karakteristik nilai daya dan frekuensi switching yang berbeda pada piranti elektronika daya. Silicon Controlled Rectifier (SCR) dan Gate Turn Off Thyristor (GTO) beroperasi hingga mendekati 1 kHz dan digunakan dalam aplikasi konverter elektronika daya yang rating dayanya tinggi.
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) dan Metal Oxide Semiconductor Field- Effect Transistor (MOSFET), memiliki nilai frekuensi switching yang lebih tinggi. Piranti ini digunakan dalam aplikasi daya yang lebih rendah dari piranti
GTO. IGBT memiliki frekuensi switching yang lebih rendah dibandingkan dengan MOSFET [7].
Gambar 2.4. Karakteristik piranti elektronika daya [7]
2.5. Konverter elektronika daya
Konverter elektronika daya adalah teknologi yang dapat mengubah daya listrik dari satu bentuk sistem ke bentuk sistem lain, dengan menggunakan kombinasi piranti semikonduktor daya tinggi dan komponen pasif seperti transformator, induktor, dan kapasitor [18]. Kombinasi konverter elektronika daya ini dapat digunakan untuk konversi daya sumber energi terbarukan sesuai keperluan ataupun tujuannya. Konverter daya dapat dibagi menjadi empat yaitu:
konverter DC-DC, konverter AC-DC, konverter DC-AC, konverter AC-AC.
Secara sederhana diagram kombinasi jenis konverter elektronika daya dapat dilihat Pada Gambar 2.5. [7].
Gambar 2.5. Diagram aplikasi konverter elektronika daya [7]
2.5.1. Konverter DC-DC
Konverter DC-DC merupakan salah satu jenis konverter elektronika daya.
Konverter DC-DC sering menjadi bagian dalam wilayah power suplly yang diaplikasikan dalam piranti elektronika. Dalam prakteknya peralatan elektronika konverter DC-DC sering diaplikasikan untuk mendapatkan tegangan DC dari power supply utama. Tegangan power suplly utama akan dikonversi ke nilai yang sesuai dengan kebutuhan suatu blok rangkaian. Pada aplikasi misalnya untuk menaikkan dari tegangan 1,5 V ke 5 V atau menurunkan tegangan dari 9 V menjadi 5 V. Kemungkinan yang terjadi pada input dan output pada suatu konverter DC-DC: input dan output mungkin berbeda besar nilainya, output mungkin terisolasi secara elektrik dari input, dan output tegangan diatur dengan adanya variasi tegangan input dan arus beban [18].
Gambar 2.6. Rangkaian dasar konverter DC-DC [7]
Konverter DC-DC terdiri dari tiga jenis yaitu konverter buck, boost, buck- boost seperti pada Gambar 2.6. Konverter buck dengan grafik rasio duty dari 0 ke 1 berfungsi menurunkan tegangan input, misalnya dari tegangan DC 12 V ke 5 V.
Konverter boost dengan grafik rasio duty yang meningkat hingga batas tertentu, misalnya menaikkan tegangan input dari 5 V menjadi 15 V. Konverter buck-boost dengan rasio duty yang bernilai negatif menunjukkan bahwa fungsi konverter ini adalah menaikkan atau menurunkan tegangan input, tetapi dengan polaritas yang berbeda dengan input, misalnya dari 12 V menjadi -15 V [7].
2.5.2. Konverter AC-DC
Konverter AC-DC atau penyearah merupakan sistem yang dapat mengubah sistem kelistrikan AC menjadi sistem kelistrikan DC. Hampir semua peralatan elektronik yang terhubung sumber AC mengaplikasikan konverter AC- DC. Konverter AC-DC pada peralatan elektronika biasanya digunakan untuk mendapatkan tegangan DC sesuai kebutuhan dengan masukan tegangan AC.
Konverter AC-DC ada yang memiliki kontrol dan tanpa memiliki kontrol, baik aplikasi pada sistem satu atau tiga fasa penyearah jembatan dioda untuk mengubah saluran AC ke tegangan DC yang tidak dikontrol. Untuk kontrol tegangan keluaran penyearah DC konverter AC-DC menggunakan thyristor dan konverter AC-DC tanpa kontrol menggunakan dioda. Untuk pemodelan rangkaian konverter AC-DC sistem tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.7 [18].
Gambar 2.7. Konverter AC-DC tiga fasa
2.5.3. Konverter DC-AC
Konverter DC-AC merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi AC. Konverter ini biasnya digunakan dalam berbagai aplikasi seperti UPS, motor drive dan aplikasi sistem tenaga [7].
Konverter DC-AC terbagi atas tiga jenis yaitu Voltage Source Inverter (VSI), Current Source Inverter (CSI), dan Z-source Inverter (ZSI) [19].
VSI menggunakan sumber tegangan konstan yang biasanya disediakan oleh penyearah sumber tegangan dan DC link kapasitif, untuk menghasilkan bentuk gelombang tegangan yang diaktifkan pada output dengan komponen tegangan dasar dengan frekuensi yang dapat disesuaikan, fasa, dan amplitudo yang sesuai dengan tegangan referensi yang diinginkan. VSI menggunakan PWM untuk mendapatkan tegangan output dengan kombinasi tegangan referensi dan carrier yang menghasilkan gelombang switching. Skema sederhana konfigurasi konverter DC-AC dengan sistem VSI dapat dilihat pada Gambar 2.8 [19].
Gambar 2.8. Konfigurasi VSI
CSI tidak seperti VSI, menggunakan sumber arus konstan yang biasanya disuplai oleh penyearah terkontrol dan DC link induktif, untuk menghasilkan bentuk gelombang arus yang diaktifkan pada output dengan penyesuaian frekuensi, fasa, dan amplitudo [20]. CSI juga memiliki kesamaan dengan VSI menggunakan PWM sebagai driver bagian komponen switching. Skema sederhana konfigurasi konverter DC-AC dengan sistem CSI dapat dilihat pada Gambar 2.9 [19].
Gambar 2.9. Konfigurasi CSI
ZSI menggunakan kapasitor dan induktor pada sisi tegangan input VDC.
ZSI terdiri dari impedansi LC berbentuk X, yang membuatnya berbeda dalam struktur dari VSI atau CSI. Sistem ZSI sebagian besar digunakan dalam sistem tiga fasa, dan tegangan input yang akan meningkat merupakan pengaruh kondisi impedansi jembatan penuh LC pada konverter. Skema sederhana konfigurasi konverter DC-AC dengan sistem ZSI dapat dilihat pada Gambar 2.10 [12].
Gambar 2.10. Konfigurasi ZSI
2.5.4. Konverter AC-AC
Konverter elektronika daya AC-AC bekerja dengan menerima tenaga listrik dari satu sistem AC dan mengubahnya untuk pengiriman ke sistem AC lain dengan bentuk gelombang amplitudo, frekuensi, dan fasa yang berbeda sesuai
kebutuhan. Konverter elektronika daya AC-AC dapat berupa sistem satu atau tiga fasa tergantung pada daya beban yang digunakan.
Gambar 2.11. Konfigurasi konverter AC-AC setengah glombang
Gambar 2.12. Konfigurasi konverter AC-AC gelombang penuh
Untuk membuat variasi tegangan efektif atau root-mean-square (rms) terhadap beban pada frekuensi konstan dikenal sebagai pengontrol tegangan AC.
Konverter daya AC-AC yang daya AC dengan frekuensi tertentu dikonversi menjadi daya AC frekuensi lain secara langsung tanpa konversi DC atau dikenal
sebagai cyclocoinverters, yang sebagian besar menggunakan thyrystor. Konverter AC-AC terdiri atas setengah gelombang dan gelombang penuh. Untuk konfigurasi konverter AC-AC setengah gelombang dapat dilihat pada Gambar 2.11, sedangkan konfigurasi konverter AC-AC gelombang penuh dapat dilihat pada Gambar 2.12 [21].
2.6. H-bridge tiga fasa
Pada konverter DC-AC terdapat satu blok yang berfungsi sebagai switching yang dibantu sinyal PWM sebagai driver untuk menghasilkan tegangan output AC, blok tersebut disebut dengan H-bridge. Piranti Switching pada H- bridge untuk konverter DC-AC tiga fasa ini terdiri dari 6 kombinasi piranti elektronika daya yaitu S1, S2, S3, S4, S5, dan S6. Komponen switching yang digunakan merupakan piranti semikonduktor, piranti semikonduktor yang sering diaplikasikan adalah Mosfet dan IGBT. untuk konfigurasi H-bridge dapat dilihat pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13. H-bridge konverter DC-AC tiga fasa
H-bridge konverter DC-AC tiga fasa mengalami delapan kondisi operasi switching. Pada fasa yang sama akan berada dalam kondisi on dan off secara
bersamaan seperti S1 dan S4 pada fasa a (Va). Kegagalan berupa short circuit akan terjadi bila kedua switching ini on secara bersamaan. Pada H-bridge yang mengalami delapan kondisi operasi ini, terdapat 6 kondisi yang menghasilkan tegangan AC, sedangkan dua kondisi lainnya menghasilkan tegangan 0 V. Output tegangan AC yang dihasilkan oleh konverter adalah vi, 0, dan -vi. Bantuan teknik modulasi dapat diaplikasikan untuk mendapatkan gelombang tegangan AC yang masih berbentuk switching. untuk memperjelas 8 kondisi pada H-bridge dapat dilihat pada Tabel 2.6 [21].
Tabel 2.6. Switching H-bridge konverter DC-AC tiga fasa [21]
No. Kondisi Vab Vbc Vca
1 (S1, S2, S6) on, (S4, S5, S3) off Vi 0 -Vi 2 (S2, S3, S1) on, (S5, S6, S4) off 0 Vi -Vi 3 (S3, S4, S2) on, (S6, S1, S5) off -Vi Vi 0 4 (S4, S5, S3) on, (S1, S2, S6) off -Vi 0 Vi 5 (S5, S6, S4) on, (S2, S3, S1) off 0 -Vi Vi 6 (S6, S1, S5) on, (S3, S4, S2) off Vi -Vi 0 7 (S1, S3, S5) on, (S4, S6, S2) off 0 0 0 8 (S4, S6, S2) on, (S1, S3, S5) off 0 0 0
Untuk tegangan setiap fasa output konverter dijabarkan dalam bentuk persamaan fourier pada Persamaan (2.9-2.11) [12].
cos5 ....
5 3 1 3cos cos 1
2V t t t
Vao DC
( 2.9)
....
3 5 2
5cos 1 3 3 2
3cos 1 3 cos 2
2
t t t
Vbo VDC ( 2.10)
....
3 5 2
5cos 1 3 3 2
3cos 1 3 cos 2
2
t t t
Vco VDC ( 2.11)
Tegangan antara fasa-fasa dalam bentuk fourier pada Persamaan (2.12- 2.17) [12].
bo ao
ab V V
V Volt…………... ( 2.12)
...
7 6 7cos 1 5 6
5cos 0 1 cos 6
3
2
V t t t
Vab DC ( 2.13)
co bo
bc V V
V Volt………... ( 2.14)
...
7 2 7cos 1 5 2
5cos 0 1 cos 2
3
2
t t t
Vbc VDC ( 2.15)
ao co
ca V V
V Volt………... ( 2.16)
...
6 7 5
7cos 1 6 5 5
5cos 0 1 6 cos 5
3
2
t t t
Vca VDC ( 2.17)
Asumsi bahwa daya sesaat input konverter sama dengan daya sesaat output, kapasitansi DC, filter, komponen switching frekuensi tinggi adalah bagian yang dilewati arus DC dengan tegangan nominal DC. Karena itu, nilai kapasitas (C) yang tepat harus dipilih untuk bus DC, tegangan DC sebagai input tegangan sumber konverter DC-AC (VDC) dan nilai konstanta waktu (t1) untuk bus DC ditunjukkan pada Persamaan (2.18), (2.20) dan (2.19). Dimana indeks modulasi switching (ma), tegangan rms fasa-netral output konverter DC-AC (V ), daya aktif n (P), frekuensi grid (fg) [22].
3 2 2
a n
DC m
V V Volt…………... ( 2.18)
fg
t 4
1
1 Second……….……… ( 2.19)
2 1
4 t
V C P
DC
Farad………... ( 2.20)
2.7. Metode sinkronisasi
Sehubungan dengan adanya standar yang harus dipenuhi, arus yang disuplai ke dalam jaringan grid harus sinkron antara tegangan konverter DC-AC dengan tegangan grid. Akibatnya dalam konverter DC-AC pada sistem DG, prosedur sinkronisasi grid merupakan hal yang sangat penting. Sinkronisasi sangat penting demi memenuhi kualitas daya dan standar yang berlaku. Variabel arus atau tegangan grid dapat kendalikan dengan menggunakan modul transformasi lainnya seperti abc ke dq disinkronkan oleh algoritma sinkronisasi yang menghasilkan fasa dari vektor tegangan grid [12].
2.7.1. Transformasi Clarke dan Park
Transformasi matriks yang digunakan dalam perhitungan sederhana kendali konverter DC-AC tiga fasa adalah transformasi Clarke dan Park.
Transformasi ini pertama kali diusulkan oleh Robert H. Park pada tahun 1929 [10]. Proyeksi sumbu pada Gambar 2.14 dapat menjelaskan perbedaan antara transformasi Clarke dengan sumbu αβ dan transformasi Park dengan sumbu dq yang membutuhkan theta (θ).
Gambar 2.14. Transformasi Park dan Clarke
Transformasi Clarke memiliki fungsi mengubah tegangan tiga fasaV , a V , b
V menjadi tegangan c V dan V. Pengertian lain yaitu sebagai proyeksi dari vektor tiga sumbu ke vektor dua sumbu referensi bergerak. Persamaan (2.21) merupakan transformasi Vabc ke V, untuk kebalikan Persamaan (2.21) yaitu dari
V ke Vabc dapat dilihat Persamaan (2.22) [23], [24], [25].
c b a
V V V V
V
2 3 2
0 3
2 1 2 1 1 3 2
Volt……… ( 2.21)
V V V
V V
c b a
2 3 2
1 2
3 2 1
0 1 3 2
Volt………. ( 2.22)
Transformasi Park mengubah tegangan V ke tegangan Vdq atau tegangan referensi bergerak V ke referensi diam Vdq. Transformasi V ke Vdq dapat dirumuskan pada Persamaan (2.23), sedangkan untuk inverse Persamaan (2.23) dapat dilihat Persamaan (2.24) [24], [25]. Dimana adalah sudut fasa yang berasal dari output phase locked loop (PLL) [23].
V V V
V
q d
cos sin
sin cos
Volt………... ( 2.23)
q d
V V V
V
cos sin
sin cos
Volt……… ( 2.24)
