Mei Oleh: Eka Rakhman Priandana.

(1)

Forum Fungsional Balai Besar Teknologi

Konversi Energi – Badan Pengkajian dan

Penerapan Teknologi

Mei 2021

TEKNIK PEMBANGKITAN BARU UNTUK

INVERTER SUMBER ARUS KELUARAN

SINUS MURNI FASA TUNGGAL

(2)

www.bppt.go.id BPPT RI @BPPT_RI @BPPT_RI

• Program beasiswa: RisetPro (World Bank Loan 8245-IND).

• Universitas: Shizuoka University di Hamamatsu, Shizuoka, Japan.

• Departemen: Environment & Energy System (S3).

• Fokus penelitian: power electronics – converter – current source inverter.

• Supervisor: Prof. Dr. Toshihiko Noguchi.



Inventor Direct Torque Control Bersama Prof. Isao Takahashi – paten dipegang ABB.



Specialities: High speed PMSM (150 krpm).



Website:

http://www.noguchi-lab.com

• Masa studi:



April 2017 – November 2018.



Desember 2018 – Desember 2019.



Januari 2020 – Agustus 2020.

2

Trivia

(3)

• Mulai riset: Oktober 2017.

• Topik: Konverter sumber arus AC-DC-AC fasa tunggal.

(4)

• Mengapa meneliti Current Source Converter?



Rugi-rugi konduksi tinggi.



Densitas daya rendah karena menggunakan induktor.



Membutuhkan beban minimum.



Respon dinamis rendah.



Proteksi alami terhadap hubung singkat.



dv/dt atau di/dt yang rendah.



Kemampuan untuk menyuplai beban yang tinggi (induktif).



Tahan terhadap fluktuasi tegangan jaringan.



Jarang sekali diriset, sehingga peluang diterima publikasi ilmiahnya besar.

4

(5)

Tujuan riset:



Mengubah tegangan sekaligus frekuensi (50 Hz ↔ 60 Hz)

menggunakan CSC 1ϕ dengan sedikit perangkat saklar (setengah

jembatan).

(6)

www.bppt.go.id BPPT RI @BPPT_RI @BPPT_RI 6

Konverter sumber arus AC-DC-AC fasa tunggal

(7)

Konverter sumber arus AC-DC-AC fasa tunggal

Parameter:

• Input: 220V/50Hz.

• Output:

100V/60Hz.

• Load:

1.07Ω/0.97mH.

• MI: 0.9

• Carrier Freq. for

Rectifier: 6 kHz.

• Carrier Freq. for

(8)

• Topik: Teknik Pembangkitan Baru untuk Inverter Sumber Arus Keluaran Sinus Murni Fasa Tunggal.

• Eng: Study on Pure Sinusoidal Output Generation Techniques for Single-Phase Current Source Inverter.

8

(9)

Konsep (Pertama) Yang Diajukan

(10)

(11)

(12)

Kesimpulan Eksperimen Penelitian Pertama

• Hibridisasi antara inverter sumber arus multilevel konvensional

dengan amplifier daya audio adalah dapat dan layak untuk

diterapkan.

• Kontribusi penelitian: Tidak menggunakan modulasi penyaklaran

frekuensi tinggi pada proses inversi arus,

tidak menggunakan

penguat audio aktual yang digunakan untuk menghasilkan arus

sinusoidal murni, dan

tidak menggunakan filter pasif keluaran dengan

ukuran besar.

• Temuan pada hasil eksperimen: menekankan peran masing-masing

kompensator. Kompensator Kelas-A = Kualitas daya. Kompensator

Kelas-D = Efisiensi daya.

• Problem tersisa: Bagaimana meningkatkan efisiensi pada hybrid CSI

yang menggunakan kompensator class-A?

(13)

(14)

Publikasi dan Konferensi Internasional

1. E. R. Priandana and T. Noguchi, “Pure Sinusoidal Output Current-Source Inverter Using New Current Waveform Generation Technique,” 2019 IEEE 13th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS),

Toulouse, France, 2019, pp. 1-6. DOI: 10.1109/PEDS44367.2019.8998805.

2. E. R. Priandana and T. Noguchi, “Pure Sinusoidal Output Single-Phase Current-Source Inverter with Minimized Switching Losses and Reduced Output Filter Size,” Electronics 8, no. 12, pp. 1556-1578, 2019. DOI: 10.3390/electronics8121556.

3. E. R. Priandana and T. Noguchi, “Study on Pure Sinusoidal Output Generation Techniques for Single-Phase Current-Source Inverter,” 2020 23rd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Hamamatsu, Japan,

(15)

• Novelty ke-2: Teknik Hibrida Dengan Jumlah Modul Sumber Arus yang Dikurangi.

• Eng: Hybrid Technique with Reduced Current Modules Count.

• Problems:

1. Untuk menghasilkan harmonisa rendah tanpa filter yang besar, harus menggunakan kompensator berbasis penguat class-A.

2. Sesuai dengan grafik terakhir, untuk mencapai nilai efisiensi yang dapat diterima, harus menggunakan Multilevel CSI dengan bilangan tingkat/level yang tinggi.

3. Level yang tinggi membutuhkan modul sumber arus yang banyak sehingga ukuran inverter menjadi besar.

4. Selain itu, level yang tinggi menyebabkan rugi-rugi penyaklaran lebih dominan daripada pengurangan rugi-rugi konduksi. Sehingga efisiensi harusnya makin naik malah makin turun.

• Research Question: Bagaimana mendesain hybrid multilevel CSI dengan bilangan

tingkat yang tinggi hanya dengan menggunakan modul sumber arus yang sedikit?

(16)

Recursive/Fractal Multilevel

... ... ... Current Sources Switching Modules Polarity Alternator Linear Generator 0~Im/M vo io _Load Co DCM-1 DCM-2 DCM-(M-1) Linear Current Generator Im/M Im/M Im/M QA QB QC QD DC Source

...

vo io _Load Co DC Module Layer-1 DC Module Layer-2 DC Module Layer-(M-1) Linear Current Generator Im/2 Im/4 QA QB QC QD DC Source

...

Im/2M-1 0~Im/2M-1

(17)

Problem: Modul arus pada lapisan/layer pertama menggunakan induktor yang

besar karena harus menghasilkan arus sebesar setengah dari total arus DC link yang

akan dikonversi ke AC.

Solusi: Multilayer Stage Combination (tiap lapisan dibangkitkan oleh minimal satu

modul sumber arus).

Tips: Untuk menghasilkan arus keluaran yang besar, pembangkit arus pada lapisan

pertama disarankan menggunakan beberapa modul supaya dapat mengecilkan

ukuran induktornya.

(18)

• 121-level hybrid multilevel CSI dengan 9 unit

DCM dan sebuah class-A amplifier:

18

Multilayer Stage Combination

vo io _Load Co Linear Im/5 Im/5 QA QB QC QD DC Source DCM 3-2 DCM 3-1 DCM 2-3 DCM 2-2 DCM 2-1 DCM 1-4 DCM 1-3 DCM 1-2 DCM 1-1 0~Im/60 Im/60 Im/5 Im/5 Im/20 Im/20 Im/20 Im/60

I

m

= √2 i

o Number of

DCM (P)1 Number of DCM _{layers (L)} Possible configuration of DCMs_{in each layer (P}

L)2 1 1 1 2 1₂ _1-12 3 12 1-2 and 2-13 3 1-1-1 4 1 4 2 3-1, 2-2, and 1-3 3 2-1-1, 1-2-1, and 1-1-2 4 1-1-1-1 5 1 5 2 4-1, 3-2, 2-3, and 1-4 3 3-1-1, 1-3-1, 1-1-3, 2-2-1, 2-1-2, and 1-2-2 4 2-1-1-1, 1-2-1-1, 1-1-2-1, and 1-1-1-2 5 1-1-1-1-1

• Tabel Multilayer Stage Combination untuk

DCM sampai 5 unit saja:

(

)

1

1 2

L

1

LEVEL i i

N

P

=

= +

∏

+

(19)

Eksperimen

vo io _Load Co Im/5 QA QB QC QD DC Source Im/5 DCM-1 Layer-1 Linear DCM-2 Layer-1 DCM-3 Layer-1 DCM-4 Layer-1 Im/5 0 ~ Im/5 vo i QA QB Im/4 Im/4 DCM-1 Layer-1 DCM-2 Layer-1 DCM-3 Layer-1 DCM-1 vo io _Load Co QA QB QC QD DC Source Im/3 DCM-1 Layer-1 Linear DCM-2 Layer-1 DCM-1 Layer-2 DCM-2 Layer-2 _I_m_/9 0 ~ Im/9 Im/9 vo i QA QB Im/3 DCM-1 Layer-1 DCM-2 Layer-1 DCM-1 Layer-2 DCM-1 Im/6

(20)

(21)

Kesimpulan Eksperimen Penelitian Kedua

• Dengan menerapkan recursive/fractal multilevel, hybrid

multilevel CSI dengan bilangan level yang tinggi namun hanya menggunakan sedikit modul sumber arus dapat dimungkinkan untuk dibuat.

• Dapat dikonfirmasi dari hasil eksperimen bahwa

recursive/fractal multilevel mampu meningkatkan efisiensi daya sekaligus densitas daya.

• Namun, peningkatan efisiensi tidak signifikan jika hanya

menggunakan modul sumber arus yang jumlahnya terbatas. Tidak disarankan memperbesar level dengan modul sumber arus yang sedikit karena akan menurunkan kualitas daya. • Oleh karena itu, untuk medesain hybrid multilevel CSI yang

menerapkan recursive/fractal multilevel dengan optimal, perancang jangan hanya berfokus pada efisiensi dan densitas daya, namun juga kualitas daya perlu dipertimbangkan.

(22)

Publikasi dan Konferensi Internasional

1. E. R. Priandana and T. Noguchi, “High-Level Number Multilevel Single-Phase Current-Source Inverter with Reduced Switching Device Count,” 2019 Journal of Physics: Conference Series, International Conference on Engineering, Technology and Innovative

Researches (ICETIR), Purwokerto, Indonesia, vol. 1367, no. 012046. DOI: 10.1088/1742-6596/1367/1/012046.

2. E. R. Priandana and T. Noguchi, “Power Efficiency and Power Density Enhancements of Pure Sinusoidal Output Single-Phase Multilevel Current-Source Inverter Using Class-A Amplifier-Based Current Compensator,” IEEJ Journal on Industry

(23)

Manfaat untuk Peningkatan Penetrasi Energi Terbarukan

Load Co H-bridge CSI-1 H-bridge

CSI-2 H-bridge CSI-M Linear Current Compensator PV-1 vo Im/M Im/M Im/M Ilinear M = (NLEVEL-1)/2 Im = √2io Point of Common Coupling S1 AC Main Grid DC Source

(24)

Manfaat untuk Peningkatan Penetrasi Energi Terbarukan

Number of Levels

7-level 9-level 11-level

Power Efficiency 78.4 % 81.5 % 83.4 %

THD-I after filtering 0.44 % 0.54 % 0.71 %

THD-I before filtering 1.69 % 1.65 % 1.77 %

THD-V 0.49 % 0.58 % 0.75 % Staircase Generator Switch L Q1 Q2 D1 PV IN D2 QA QB QC QD PV RETURN OUTPUT Buck Chopper H-bridge Switches Io = VLIN / RSENSE V+LIN - _Q_A _Q_B QC QD Io OUTPUT +

-DC Source Paper:_{E. R. Priandana and T. Noguchi, “}Pure Sinusoidal Interconnection

to The Power Grid Using H-Bridge Multilevel Current-Source Inverter and Linear Current Compensator,” Proceedings of the

National Convention of the Institute of Electrical Engineers of 2020, Japan, no. 4-034, pp. 58-59, 2020.

(25)

Kesan dan Pesan

• Studi di Jepang: April 2017 – September 2020 (42 bulan atau 3 tahun 6 bulan). • Penelitian doktoral Alhamdulillah diselesaikan dalam 22 bulan.

• Masa-masa berat ada di setahun terakhir. Namun jika publikasi utama sudah diterima, beban tidak terlalu berat. • Menjadi Doktor tidak harus tahu semuanya, tapi fokus dan istiqomah pada apa yang mau dicapai.

• Menjadi Doktor tidak perlu malu untuk bilang tidak tahu, kalau memang tidak tahu. Doktor juga manusia. • Beasiswa Internasional: 1. LPDP. 2. MEXT (Monbusho). • Beasiswa Lokal: 1. Honda. 2. Mitsubishi. 3. Shizudai ABP. 4. dll.

• Untuk calon mahasiswa S3 Jepang:

1. Jika target kelulusan > 1 tahun, submit publikasi/jurnal utama ke IEEE atau Elsevier (Q1).

(26)