i
ANALISA ALIRAN DAYA DISTRIBUTED GENERATION AND DISTRIBUTED STORAGE (DGDS) PADA RING
INTERCONNECTION DC MICROGRID MENGGUNAKAN METODE NEWTON RAPHSON
SKRIPSI
Sebagai Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun oleh:
DANDY DWI SAPUTRA NIM. 201710130311084
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2022
ii
LEMBAR PERSETUJUAN
ANALISA ALIRAN DAYA DISTRIBUTED GENERATION AND DISTRIBUTED STORAGE (DGDS) PADA RING
INTERCONNECTION DC MICROGRID MENGGUNAKAN METODE NEWTON RAPHSON
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
DANDY DWI SAPUTRA 201710130311084
Diperiksa dan disetujui oleh :
Pembimbing I, Pembimbing II,
Machmud Effendy, S.T, M. Eng Ilham Pakaya, S.T., M.Tr.T.
NIDN. 0715067402 NIDN. 0717018801
iii
iv
v
ABSTRAK
Pada sistem pembangkit tenaga listrik umumnya jaringan DC hanya digunakan sebagai sistem penyimpanan atau beban pada konsumen. Sistem DC sudah mulai dikembangkan yaitu jaringan sistem DC microgrid yang menerapkan sumber pembangkit yang bersifat renewable energy. Jaringan sistem ini dapat dihubungkan dengan beberapa saluran jaringan yang sama, hal ini dapat menyebabkan keadaan power sharing antar beberapa grid lainnya. Pada penerapanya ada beberapa arsitektur yang digunakan pada microgrid salah satunya yaitu Distributed Generation And Distributed Storage (DGDS). Pada penelitian ini menggunakan sumber pembangkit dari solar cell, penggunaan PV ini sangat dipengaruhi dari nilai intensitas sinar matahari atau biasa disebut nilai irradiance. Dalam pengaturan sebuah PV membutuhkan sebuah control yang disebut Maximum Power Point Tracking (MPPT) yang berfungsi untuk membatasi titik daya sebuah sumber energi hal ini diperlukan karena intensitas sinar matahari yang selalu tidak menentu karena cuaca. Kemudian dengan hasil Vout dari PV tahap selanjutnya diperlukan sebuah converter untuk menyesuaikan kebutuhan konsumen, jenis yang digunakan adalah Boost Converter yang berfungsi untuk menaikkan tegangan input dari sumber PV. Selain itu arsitektur yang dipilih untuk merancang suatu jaringan sistem microgrid, topologi yang digunakan untuk antar grid lainnya juga harus diperhatikan diantaranya topologi ring sangat cocok digunakan pada arsitektur DGDS. Pada penerapan sistem ini diperlukan analisa aliran daya menggunakan metode Newton Raphson untuk mengetahui nilai losses, voltage drop, efisiensi pada sistem yang dibangkitkan.
Kata kunci : Microgrid, Distributed Generation And Distributed
Storage (DGDS), Ring, Newton Raphson.
vi
Abstract
In power generation systems, DC networks are generally only used as a storage system or load on consumers. The DC system has begun to be developed, namely a DC microgrid system network that applies a renewable energy source.
This system network can be connected to several of the same network channels, this can lead to a state of power sharing between several other grids. In its application, there are several architectures used in microgrids, one of which is Distributed Generation And Distributed Storage (DGDS). In this study using a generator source from a solar cell, the use of PV is strongly influenced by the value of the intensity of sunlight or commonly called the irradiance value. In setting up a PV requires a control called Maximum Power Point Tracking (MPPT) which functions to limit the power point of an energy source. This is necessary because the intensity of sunlight is always erratic due to the weather.
Then with the results of Vout from PV, the next stage requires a converter to suit consumer needs, the type used is the Boost Converter which functions to increase the input voltage from the PV source. In addition, the architecture chosen to design a microgrid system network, the topology used for other grids must also be considered, including the ring topology, which is very suitable for use in the DGDS architecture. In the application of this system, it is necessary to analyze the power flow using the Newton Raphson method to determine the value of losses, voltage drop, and efficiency of the generated system.
Keywords: Microgrid, Distributed Generation And Distributed Storage (DGDS), Ring, Newton Raphson.
vii
LEMBAR PERSEMBAHAN
Puji syukur kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Allah SWT yang selalu memberikan kemudahan dan petunjuk dalam pengerjaan tugas akhir ini.
2. Kedua orang tua saya Bapak Sutego dan Ibu Umroh Fatimah yang telah mendidik saya dan memberikan dukungan serta kakak saya Septa Eka Anggraeni atas doa dan dukungannya.
3. Dekan Fakultas Teknik Bapak Prof. Ir. Ilyas Masudin,M,LogSCM,Ph.D. dan Keluarga (FT). Serta para Pembantu Dekan Fakultas Teknik dan keluarga besar Universitas Muhammadiyah Malang.
4. Ketua Jurusan Teknik Elektro Bapak Khusnul Hidayat, S.T., M.T. dan Sekretaris Jurusan Teknik Elektro Ibu Merinda Lestandy, S.Kom., M.T. beserta seluruh stafnya.
5. Bapak Machmud Effendy, S.T, M. Eng dan Bapak Ilham Pakaya, S.T., M.Tr.T. yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
6. Ibu Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T. dan Bapak Khusnul Hidayat S.T., M.T. yang telah menjadi penguji sidang skripsi ini.
7. Seluruh Civitas Akademika (dosen, asisten, dan karyawan) Universitas Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu penulis selama proses studi.
8. Bapak Catur Diah Rochmat, S.T dan Bapak Hari Setiawan, S.T selaku laboran yang telah memberikan ilmu dan pembelajaran selama saya menjadi mahasiswa dan asisten laboratorium.
9. Sahabat- sahabat dari Asisten Laboratorium Teknik Elektro 2017 Jannata, Mega, Trisep, Dila, Ninggar, Rochmat, Ahim dan Fia yang berjuang dan mengabdi bersama selama menjadi asisten laboratorium dan mengerjakan tugas akhirnya masing- masing.
viii
10. Teman - teman Asisten Laboratorium Angkatan 2015, 2016, 2018 dan 2019 yang sudah mengabdi bersama selama menjadi asisten laboratorium.
11. Teman - teman kontrakan saya Risang, Wahyu, Izzat, Edo, dan Agum yang telah menemani dan berjuang bersama selama tinggal di Malang.
12. Teman – teman anggota Base Camp antara lain: Wahyu, Izzat, Edo, Jibran, Keta, Iqbal, Disca, Jannata, Ehop, dan Heppy yang sudah menemani selama perkuliahan untuk mengerjakan tugas bersama- sama dan seperti keluarga yang memotivasi satu sama lain.
13. Teman – teman dari Himpunan Mahasiswa Elektro yang selama ini membantu saya dalam berorganisasi.
14. Teman – teman dari Badan Eksekutif Mahasiswa Teknik yang selama ini membantu saya dalam berorganisasi.
Semoga Allah Subhanahu Wa Ta’ala memberikan rahmat dan hidayah-Nya atas segala kebaikan dan semoga kita semua selalu dalam lindungan serta tuntunan-Nya.
ix
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala. Atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul :
“ANALISA ALIRAN DAYA DISTRIBUTED GENERATION AND DISTRIBUTED STORAGE (DGDS) PADA RING INTERCONNECTION DC
MICROGRID MENGGUNAKAN METODE NEWTON RAPHSON”
Penulisan tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik di Universitas Muhammadiyah Malang, selain itu penulis berharap tugas akhir ini dapat memperluas pustaka dan pengetahuan utamanya dalam bidang elektronika dan informatika.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan ke depan.
Akhir kata semoga buku ini dapat bermanfaat di masa sekarang dan masa mendatang. Sebagai manusia yang tidak luput dari kesalahan, maka penulis mohon maaf apabila ada kekeliruan baik yang sengaja maupun yang tidak sengaja.
Malang, Maret 2022
Penulis
x
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ... i
LEMBAR PERSETUJUAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
SURAT PERNYATAAN ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
LEMBAR PERSEMBAHAN ... vii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR GRAFIK ... xiii
DAFTAR TABEL ... xiv
BAB I PEDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 4
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan ... 4
1.5 Manfaat ... 4
1.6 Sistematika Penulisan ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Penelitian Terdahulu ... 6
2.2 Sistem Microgrid ... 7
2.3 Arsitektur DGDS (Distributed Generation Distributed Storage)... 7
2.4 Nanogrid ... 7
2.4.1 Bidirectional DC-DC Converter ... 8
2.4.2 Solar Panel ... 10
2.5 Analisa Aliran Daya ... 11
xi
2.5.1 Metode Newton-Raphson ... 11
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 14
3.1 Desain Arsitektur Distributed Generation Distributed Storage ... 14
3.2 Desain Topologi Jaringan Sistem Microgrid ... 14
3.3 Langkah Penelitian ... 15
3.4 Flowchart aliran Daya Newton Raphson ... 17
3.5 Data Parameter Arsitektur DC Microgrid ... 18
3.5.1 Parameter Spesifikasi PV ... 18
3.6 Pemodelan MPPT (Maximum Power Point Tracking) ... 19
3.7 Pemodelan DC-DC Converter ... 19
3.8 Dual Active Bridge Converter ... 21
3.9 Analisa Aliran Daya Metode Newton Raphson ... 22
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENELITIAN ... 25
4.1 Pengujian Hasil Rangkaian DC Nanogrid ... 25
4.2 Pengujian Hasil Rangkaian DC Microgrid ... 27
4.3 Pengujian Hasil Rangkaian DC Microgrid Topologi Ring ... 29
4.4 Pengujian Aliran Daya DC Microgrid dengan Metode Newton Raphson ... 31
4.4.1 Pengujian Kondisi Pertama ... 32
4.4.2 Pengujian Kondisi Kedua ... 34
4.4.3 Pengujian Kondisi Ketiga ... 36
BAB V PENUTUP ... 40
5.1 Kesimpulan ... 40
5.2 Saran ... 40
DAFTAR PUSTAKA ... 42
LAMPIRAN ... 44
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bidirectional DC-DC Converter Mode Boost ... 9
Gambar 2.2 Bidirectional DC-DC Converter Mode Buck ... 10
Gambar 3.1 Diagram Blok Nanogrid DGDS ... 14
Gambar 3.2 Skema Topologi Ring ... 15
Gambar 3.3 Flowchart tahapan penelitian ... 16
Gambar 3.4 Flowchart Aliran Daya Metode Newton Raphson ... 17
Gambar 3.5 Rangkaian Boost DC-DC Converter ... 20
Gambar 3.6 MPPT Controller Boost Converter ... 20
Gambar 3.7 Dual Active Bridge Converter ... 22
Gambar 3.8 Skema Aliran Daya ... 22
Gambar 4.1 Pengujian DC Nanogrid ... 25
Gambar 4.2 Pengujian DC Microgrid ... 27
Gambar 4.3 Pengujian DC Microgrid Topologi Ring ... 29
Gambar 4.4 Pengujian Kondisi Pertama 3 Bus DC Microgrid... 32
Gambar 4.5 Pengujian Kondisi Kedua 3 Bus DC Microgrid ... 34
Gambar 4.6 Pengujian Kondisi Ketiga 3 Bus DC Microgrid ... 36
Gambar 4.7 Hasil Sinyal Tegangan dan Arus pada Bus Load Simulink……….38
Gambar 4.8 Hasil Sinyal Tegangan dan Arus pada Bus Voltage Simulink ... 38
Gambar 4.9 Hasil Sinyal Power Sharing Arus Saluran 3 Bus ... 39
Gambar 4.10 Hasil Sinyal Power Sharing Tegangan Saluran 3 Bus ... 39
xiii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 3.1 Model PV type 1STH-250-WH Matlab ... 19
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Hasil Perbandingan Pengukuran Radial dan Ring pada Musim Panas ... 6
Tabel 2.2 Hasil Perbandingan Pengukuran Radial dan Ring pada Musim Dingin.. 6
Tabel 3.1 Spesifikasi PV ... 18
Tabel 3.2 Irradiance PV ... 18
Tabel 3.3 Parameter Komponen Boost Converter ... 21
Tabel 3.4 American Wire Gauge (AWG) ... 23
Tabel 3.5 Jarak Sistem Jaringan DC Microgrid Ring Interconnection ... 23
Tabel 4.1 Pengujian PV Nanogrid ... 26
Tabel 4.2 Pengujian Beban Nanogrid ... 26
Tabel 4.3 Pengujian Baterai Nanogrid ... 26
Tabel 4.4 Pengujian Bus Internal dan Eksternal Nanogrid ... 26
Tabel 4.5 Pengujian PV Microgrid... 28
Tabel 4.6 Pengujian Beban Microgrid ... 28
Tabel 4.7 Pengujian Baterai Microgrid ... 28
Tabel 4.8 Pengujian Bus Internal dan Eksternal Microgrid ... 29
Tabel 4.9 Pengujian PV Microgrid Ring Interconnection ... 30
Tabel 4.10 Pengujian Beban Microgrid Ring Interconnection ... 30
Tabel.4.11 Pengujian Baterai Microgrid Ring Interconnection ... 31
Tabel 4.12 Pengujian Bus Internal dan Eksternal Microgrid Ring Interconnection.31 Tabel 4.13 Hasil Data 3 Bus DC Microgrid Kondisi Pertama ... 33
Tabel 4.14 Aliran Daya dan Rugi Daya Kondisi Pertama ... 33 Tabel 4.15 Hasil Pengujian Distributed Ring Interconnection Kondisi Pertama…33
xv
Tabel.4.16 Hasil Data 3 Bus DC Microgrid Kondisi Kedua ... 35 Tabel 4.17 Aliran Daya dan Rugi Daya Kondisi Kedua ... 35 Tabel 4.18 Hasil Pengujian Distributed Ring Interconnection Kondisi Kedua .... 35 Tabel 4.19 Hasil Data 3 Bus DC Microgrid Kondisi Ketiga ... 37 Tabel 4.20 Aliran Daya dan Rugi Daya Kondisi Ketiga ... 37 Tabel 4.21 Hasil Pengujian Distributed Ring Interconnection Kondisi Ketiga .... 37
42
DAFTAR PUSTAKA
[1] Septian Kevin Adiatama, “Analisis Pengaruh Penyambungan Distributed Generation Pada Rugi-Rugi Daya Saluran Distribusi”. Skripsi Teknik Elektro Universitas Brawijaya, 2015
[2] M. Nasir, N. A. Zaffar, and H. A. Khan, “Analysis on central and distributed architectures of solar powered DC microgrids,” 2016, doi:
10.1109/PSC.2016.7462817.
[3] S. Menggunakan and P. Etap, “Analisis Konfigurasi Radial Dan Ring Terhadap Security N-1 Sistem Tenaga Listrik Di Pt . Kondur Petroleum Sa,” pp. 44–49.
[4] W. Jiang, J. Zhao, K. Qu, L. Mao, Y. Zhu, and H. Liu, “An enhanced drop control method for DC microgrids with accurate current sharing and DC bus voltage restoration,” in 2019 4th International Conference on Intelligent Green Building and Smart Grid, IGBSG 2019, 2019, pp. 727–731, doi:
10.1109/IGBSG.2019.8886270.
[5] C. Li, S. K. Chaudhary, T. Dragicevic, J. C. Vasquez, and J. M. Guerrero,
“Power flow analysis for DC voltage droop controlled DC microgrids,” 2014 IEEE 11th Int. Multi-Conference Syst. Signals Devices, SSD 2014, 2014, doi:
10.1109/SSD.2014.6808896.
[6] D. SULISTIYONO, “Perbandingan metode gauss - seidel, metode newton raphson dan metode fast decoupled dalam solusi aliran daya,” Makal. Tugas Akhir, 2011.
[7] M. Nasir, H. A. Khan, A. Hussain, L. Mateen, and N. A. Zaffar, “Solar PV-based scalable DC microgrid for rural electrification in developing regions,” IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 9, no. 1, pp. 390–399, 2018, doi:
10.1109/TSTE.2017.2736160.
[8] M. A. Redfern, “Smart DC micro-grids,” Proc. 2014 15th Int. Sci. Conf. Electr.
Power Eng. EPE 2014, pp. 173–178, 2014, doi: 10.1109/EPE.2014.6839544.
[9] M. Nasir, S. Iqbal, and H. A. Khan, “Optimal Planning and Design of Low- Voltage Low-Power Solar DC Microgrids,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 33, no. 3, pp. 2919–2928, 2018, doi: 10.1109/TPWRS.2017.2757150.
[10] R. Khan, N. N. Schulz, and M. Nasir, “Distribution Loss Analysis of DC Microgrids for Rural Electrification,” pp. 1–8, 2020, doi:
10.1109/ghtc46095.2019.9033010.
[11] J. M. Guerrero, “Advanced Control Architectures for Intelligent Microgrids,”
APEC 2011, Inst. Energy Technol. Aalborg Univ., 2011.
43
[12] S. C. Joseph, S. Ashok, and P. R. Dhanesh, “An effective method of power management in DC nanogrid for building application,” 2017 IEEE Int. Conf.
Signal Process. Informatics, Commun. Energy Syst. SPICES 2017, pp. 1–5, 2017, doi: 10.1109/SPICES.2017.8091303.
[13] J. H. Teng, S. W. Chen, S. W. Luan, and J. R. Xu, “Bidirectional DC-DC Converter with a Wide-Range Voltage Conversion Ratio,” 2019 IEEE 4th Int.
Futur. Energy Electron. Conf. IFEEC 2019, pp. 1–6, 2019, doi:
10.1109/IFEEC47410.2019.9014688.
[14] J. Hofer, B. Svetozarevic, and A. Schlueter, “Hybrid AC/DC building microgrid for solar PV and battery storage integration,” in 2017 IEEE 2nd International Conference on Direct Current Microgrids, ICDCM 2017, 2017, pp. 188–191, doi: 10.1109/ICDCM.2017.8001042.
[15] A. Yaqin, “Studi Aliran Daya Sistem Distribusi Radial Tiga Fasa Metode Newton-Raphson Untuk Memperbaiki Profil Tegangan Menggunakan Rekonfigurasi Jaringan Dan Penempatan Kapasitor Bank,” 2015.
[16] K. Hesaroor and D. Das, “Improved Modified Newton Raphson Load Flow Method for Islanded Microgrids,” 2020 IEEE 17th India Counc. Int. Conf.
INDICON 2020, no. 1, 2020, doi: 10.1109/INDICON49873.2020.9342587.
[17] T. Selmi, M. Abdul-niby, and A. Davis, “P & O MPPT Implementation Using MATLAB / Simulink,” 2014 Ninth Int. Conf. Ecol. Veh. Renew. Energies, pp. 3–
6, 2014.
[18] M. Soleimanifard and A. Y. Varjani, “A Dual Active Bridge Converter with Full ZVS Range Using a Buck-Boost Converter,” 2021 12th Power Electron. Drive Syst. Technol. Conf. PEDSTC 2021, pp. 5–9, 2021, doi:
10.1109/PEDSTC52094.2021.9405856.
44
