Pengaturan Output Generator Induksi dengan Static Synchronous Compensator (STATCOM) pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Static Synchronous Compensator

(STATCOM) pada Pembangkit Listrik Tenaga

Angin

Riswan Dinzi

1

_{, Riswanta Sembiring}

1

_{, Fahmi Fahmi}

1,2

1_{Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan}

20155 INDONESIA

2 _{Pusat Unggulan Ipteks Energi berkelanjutan dan biomaterial, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater,}

Kampus USU Medan 20155 INDONESIA

fahmimn@usu.ac.id

Abstrak

—

Energi angin merupakan energi

terbarukan yang dapat digunakan untuk suplai tambahan kebutuhan energi listrik. Pada wilayah persawahan dan tepi pantai, energi angin memiliki potensi yang besar dalam memberi tambahan suplai daya kebutuhan energi listrik Pemanfaatan energi angin memiliki kendala pada kecepatan angin yang berubah-ubah yang menyebabkan frekuensi dan tegangan output pembangkitan tidak stabil. Generator induksi merupakan salah satu solusi karena tidak harus diputar pada

kecepatan tetap. Tulisan ini membahas

pengaturan output generator induksi dengan static synchronous compensator pada pembangkit listrik tenaga angin. Melalui pengaturan STATCOM, diuji output generator induksi berupa tegangan, frekuensi, daya aktif, dan daya reaktif. Metode yang digunakan ialah dengan mengubah jumlah

kutub generator induksi dan perubahan

kecepatan angin. Pengaturan dilakukan dengan menggunakan software simulasi PSIM. Hasil yang

diperoleh menunjukkan bahwa STATCOM

mampu mempertahankan keluaran tegangan pada 285 Volt dan frekuensi pada 50 Hz pada kondisi perubahan kecepatan angin dan perubahan jumlah kutub generator induksi.

Kata Kunci

—

Static Synchronous Compensator

(STATCOM), energi angin

I. PENDAHULUAN

Pembangkit Listrik Tenaga Angin memberikan

banyak keuntungan seperti bersahabat dengan

lingkungan (tidak menghasilkan emisi gas), tersedia dalam banyak variasi rating (mulai dari kW sampai MW), mudah untuk dihubungkan ke grid yang ada, lahan turbinnya dapat digunakan untuk fungsi yang lain (seperti areal sawah, ladang, rumah tempat tinggal), tidak membutuhkan bahan bakar [1].

Permasalahan pada pembangkit tenaga angin ialah kecepatan angin yang tidak tetap (berubah-ubah dan tidak dapat dipastikan setiap saat). Hal ini tidak baik untuk pembangkitan energi listrik karena akan menyebabkan tegangan dan frekueni berubah-ubah juga.

Generator induksi merupakan solusi untuk energi terbarukan seperti energi angin karena keuntungan dari generator induksi seperti harganya murah, tidak membutuhkan eksitasi, tidak harus diputar pada kecepatan tetap. Pada tulisan ini, akan dibahas generator induksi masukan ganda dengan bantuan

sistem kontrol STATCOM untuk mengatasi

perubahan putaran prime mover (energi angin). Sistem dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin yang mengkonversi tenaga angin menjadi tenaga mekanik yang kemudian energi mekanik dikonversi menjadi energi listrik dapat dilihat pada Gambar 1.

Gear Box Generator _Induksi

T u rb in A n g in

Gambar 1. Sistem dasar pembangkit listrik tenaga angin

Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox. Daya

mekanik𝑃𝑀 yang dihasilkan oleh turbin angin

dirumuskan pada Persamaan 1 dan tip speed ratio 

pada Persamaan 2.

𝑃𝑀=1₂𝜌𝑎𝑖𝑟𝑐𝑝(, 𝛽)𝜋𝑅2𝑉𝑤3… … … … .(1)

=𝜔𝑚𝑅

𝑉𝑤 … … … . .(2)

Dimana 𝜌𝑎𝑖𝑟 adalah kerapatan udara, 𝜋𝑅2 adalah luas

area pemutar turbin, 𝑉𝑤3 adalah kecepatan angin dan

𝑐𝑝 (,β) adalah koefisien efisiensi turbin angin yang

pitch angle (β), 𝜔𝑚 adalah kecepatan sudu turbin

angin, R adalah panjang sudu tubin (tubine blade).

Terdapat nilai optimal dari tip speed ratio (opt),

yang memampukan penangkapan maksimum dari energi angin. Nilai ini ditemukan dari karakteristik

koefisien energi angin 𝑐𝑝 yaitu f(,𝛽) dan data ini

disediakan oleh pembuat turbin. Kurva karakteristik

koefisien energi angin 𝑐_𝑝 dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Karakteristik turbin angin

Karakteristik dari 𝑐𝑝 bergantung pada desain

sudu/ bilah turbin. Oleh karena itu, pengaturan akan

𝑐𝑝 melalui pengaturan pitch angle (𝛽) terbatas pada

kapasitas turbin. dimana hal ini dapat diketahui dengan melakukan eksperimen terhadap turbin yang dibuat oleh suatu produsen.

Dari Persamaan (1) menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan trubin bergantung pada dua kondisi.

Kondisi pertama ialah 0.5 𝜌𝑎𝑖𝑟A𝑉𝑤, dimana hal ini

tidak dapat diatur karena kecepatan angin yang

fluktuatif. Kondisi kedua ialah 𝑐_𝑝 yaitu f(,𝛽) dapat

dimanipulasi dengan pengaturan  dan 𝛽. Akan tetapi,

 berdasarkan Persamaan (2) merupakan fungsi dari

𝑉𝑤 (kecepatan angin) dan 𝜔𝑚𝑅 (kecepatan sudu

turbin). Oleh karena itu pengontrolan 𝑐𝑝 dilakukan

melalui pengontrolan 𝜔𝑚𝑅 dan 𝛽 [2].

Generator induksi merupakan alat untuk

mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik dalam bentuk ggl (gaya gerak listrik) yang

menerapkan prinsip motor induksi (induksi

elektromagnet). Besarnya ggl yang dihasilkan

diberikan dalam Persamaan 3.

𝐸 = 𝑐. 𝑛. ∅… … … …(3)

Dimana 𝐸 merupakan ggl yang dihasilkan, 𝑐

merupakan konstanta, 𝑛 merupakan kecepatan putar

generator, ∅ merupakan besarnya fluks magnet yang

dihasilkan. Dari perumusan diatas dapat dilihat bahwa putaran generator berpengaruh terhadap ggl yang dihasilkannya.

Generator induksi bekerja dengan menerapkan prinsip medan putar pada belitan stator maupun rotornya. Medan putar rotor menginduksi stator sehingga pada stator timbul ggl induksi. Timbulnya medan putar dilakukan dengan menghubungkan tegangan 3 phasa pada belitan stator. Kecepatan medan putar stator diberikan dalam Persamaan 4.

𝑁𝑠=120𝑓_𝑃 … … … . .(4)

Dimana 𝑁𝑠 merupakan kecepatan putar stator, 𝑓

adalah frekuensi jala-jala, P adalah jumlah kutub.

Medan putar stator akan memotong batang konduktor rotor sehingga pada kumparan rotor (medan) timbul tegangan induksi (gaya gerak listrik) diberikan dalam Persamaan 5.

𝐸𝑟= 4,44. 𝑓2. 𝑁2. ∅𝑚… … … .(5)

Dimana 𝐸_𝑟 merupakan tegangan induksi pada saat

rotor berputar, 𝑓2 adalah frekuensi putaran rotor, 𝑁2

ialah jumlah lilitan rotor, ∅𝑚 merupakan fluksi yang

menginduksi rotor. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl akan menghasilkan arus. Adanya arus dalam medan magnet menimbulkan gaya pada rotor. Bila kopel (torsi) mula yang dihasilkan oleh gaya tersebut pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Dari penjelasan diatas terlihat bahwa syarat timbulnya tegangan induksi haruslah ada perbedaan kecepatan relatif (slip) antara kecepatan medan putar stator (Ns) dan kecepatan putar rotor (Nr) [3]. Slip dapat dirumuskan pada Persamaan 6.

𝑠 = 𝑁𝑠−𝑁𝑟

𝑁_𝑠 ………(6)

Dimana Ns adalah kecepatan putaran stator dan Nr adalah kecepatan putaran rotor. Sebagai catatan bahwa rotor berputar pada kecepatan sinkron pada slip = 0 dan rotor pada keadaan stationary (seimbang /tetap/ belum berjalan) pada slip = 1. Semua motor dalam kecepatan normal/ bekerja dalam keadaan normal, slipnya berada pada kedua limit tersebut.

Jika rotor diputar lebih cepat dari stator (slip bernilai negatif) maka arah induksi akan berubah. Induksi akan terjadi dari rotor ke stator sehingga pada stator timbul ggl induksi. Dengan demikian mesin induksi telah berfungsi sebagai generator karena menghasilkan ggl pada statornya. Proses mesin induksi berfungsi sebagai motor atau generator dapat

dilihat pada Gambar 3

.

Gambar 3. Karakteristik mesin induksi

Generator Motor Speed Slip -100 0 1 0 0 2.0 0 2 0 0 -1.2 Torsi (Nm)

Generator induksi masukan ganda adalah generator induksi rotor belitan dimana rangkaian rotor terhubung ke grid melalui device elektronika daya.

Tidak seperti generator induksi rotor sangkar, dimana rotornya dihubung singkat, DFIG memiliki terminal pada rotornya. Rotor diberi masukan variabel

frekuensi (𝜔𝑟), variabel tegangan tiga phasa yang

dibangkitkan oleh konverter PWM Tegangan AC pada

rotor akan membangkitkan flux dengan frekuensi 𝜔𝑟

selama rotor belum berputar (standing still). Ketika

rotor diputar oleh kecepatan 𝜔𝑚 medan putar rotor

dengan tegangan yang diinjeksikan pada rotor akan

memiliki frekuensi 𝜔𝑟 + 𝜔𝑚. Ketika kecepatan angin

berubah, kecepatan rotor akan berubah 𝜔𝑚 dan untuk

menghasilkan frekuensi 50 Hz, frekuensi injeksi ke rotor juga harus dirubah[4].

Static Synchronous Compensator adalah sebuah shunt controller yang digunakan untuk meregulasi tegangan dengan membangkitkan/ menyerap daya reaktif[5]. Schematic diagram dari sebuah STATCOM dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Skematik STATCOM

Pada tulisan ini, STATCOM dilengkapi dengan sistem kontrol daya aktif dan reaktif untuk mengatur output generator induksi.

Ketika sistem tegangan turun, STATCOM membangkitkan daya reaktif (STATCOM kapasitif). Ketika sistem tegangan naik, STATCOM menyerap daya reaktif (STATCOM induktif). Variasi dari daya reaktif dilakukan oleh VSC (Voltage Source Converter) yang terhubung ke sekunder trafo. VSC menggunakan devais elektronika daya untuk mengatur tegangan V2 dari sumber tegangan DC.Pada operasi kondisi steady state, tegangan V2 yang dibangkitkan VSC adalah pada fasa yang sama dengan V1 (beda fasa = 0), agar hanya daya reaktif yang mengalir (P=0). Jika V2 lebih rendah dari V1, Q mengalir dari V1 ke V2 (STATCOM menyerap daya reaktif). Sebaliknya, apabila V2 lebih tinggi dari V1, Q mengalir dari V2 ke V1 (STATCOM menghasilkan daya reaktif [5]. Prinsip kerja STATCOM dijelaskan oleh Gambar 5 menunjukkan transfer daya aktif dan reaktif antara sumber V1 dan sumber V2

Power System (V1) VSC Voltage Source Converter (V2) Induktor Transfer P dan Q

Gambar 5. Prinsip Kerja STATCOM

Pengaturan daya aktif dan daya reaktif STATCOM dirumuskan pada Persamaan 7 dan 8.

𝑃 =

𝑉

1

𝑉

2

sin 𝜃

𝑋

… … … . (

7)

𝑄 =

𝑉

1

(𝑉

1

− 𝑉

2

cos 𝜃)

𝑋

… … … .

(8)

II. METODE DAN BAHAN

Penelitian dilakukan menggunakan software PSIM. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 6.

Pemodelan Sistem di Software PSIM Pengambilan Data Kecepatan Angin Simulasi Analisis hasil simulasi Penarikan Kesimpulan dan Saran MULAI SELESAI

Gambar 6. Diagram alir penelitian

Pemodelan sistem meliputi pemodelan turbin angin, generator induksi, sistem kontrol STATCOM, sistem kontrol grid, STATCOM, Grid Side Converter, sistem grid, VSC (Voltage Source Converter).

Data Kecepatan angin yang diambil ialah data kecepatan angin dari wilayah tuntungan berdasarkan pada data dari BMKG (Badan Meteorologi dan Geofisika).

Simulasi yang dilakukan meliputi simulasi perubahan kutub dan simulasi perubahan kecepatan angin. Simulasi perubahan kutub dilakukan dengan mengubah parameter jumlah kutub tetapi parameter mesin yang lain tetap sama menyebabkan kecepatan generator berubah walaupun kecepatan angin tetap. Simulasi perubahan kecepatan angin dilakukan pada jumlah kutub yang tetap. Tujuan dari kedua simulasi itu ialah untuk menghasilkan perubahan putaran generator dan kemudian dapat diamati output generator.Skematik total sistem dapat dilihat pada Gambar 7. Sist em

Gri

d

VSC (Voltage Source Converter

)

Penyimp an energi

(Kapasi

tor)

P ri m e M o v e r (T u rb in A n g in ) Gear Box Generator Induksi Masukan Ganda (rotor lilit)

STATCOM Grid Side Converter PWM PWM SISTEM GRID Arus Grid (sensor arus) Tegangan grid (Sensor Tegangan) Arus rotor (sensor arus) Arus Grid (sensor arus) Tegangan grid (Sensor Tegangan) P e rh itu n g a n P (D a y a A k tid ) d a n Q (D a y a R e a k tif P dan Q referensi Bandi ngkan Transformasi αβ ke dq Arus rotor (sensor arus) Transformasi abc ke αβ Bandingkan Iαβ antara grid dan rotor, α representasi dari P, β representasi dari Q Transformasi αβ ke abc Pengaturan sudut berdasarkan rotorspeed Arus output stator (sensor arus) Vdc Sistem Kontrol Grid (Grid Control)

STATCOM CONTROL

Gambar 7. Skematik total sistem pengaturan

Analisis Gambar 7 dapat dilihat pada diagram alir Gambar 8.

Input arus grid, tegangan output

stator

Hitung daya aktif dan daya reaktif

Bandingkan dengan daya referensi

Hasil perbandingan menjadi masukan untuk

transformasi αβ ke dq

Bandingkan dengan arus rotor yang sudah ditransformasi ke αβ

menghasilkan error Iα stator > Iα

rotor

Injeksi arus aktif ke rotor

Iβ stator > Iβ rotor

Injeksi arus reaktif ke rotor Iα stator < Iα

rotor

menarik arus aktif dari rotor

Iβ stator < Iβ rotor

menarik arus reaktif dari rotor

STATCOM menarik daya aktif

dari grid

STATCOM menarik daya aktif dari rotor

STATCOM membangkitkan daya reaktif STATCOM menyerap daya reaktif Ya Tidak Ya Ya Ya Ya Tidak Tidak Tidak MULAI SELESAI

Gambar 8. Diagram alir sistem pengaturan

Parameter yang diamati ialah frekuensi output atau frekuensi stator, daya aktif, daya reaktif dan kecepatan putar generator atao kecepatan rotor. Parameter yang diatur ialah jumlah kutub mesin induksi dan kecepatan angin.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil simulasi diperoleh sampel

data parameter yang diamati pada Tabel 1 dan

Tabel 2.

TABEL I

SAMPEL DATA HASIL SIMULASI PERUBAHAN KUTUB MESIN INDUKSI Jumlah Kutub (n) Daya Aktif /P (kW) Daya Reakti f/Q (kVar) Teganga n 1𝜽 (Volt) Putaran Generator /Nr (rpm) n = 4 1,07 -3,68 285,89 1.848 n = 6 6,14 -2,85 285,68 1.329 n = 8 5,68 -2,89 284,72 1.013 n = 12 2,86 -3,75 287,45 635 n = 2 -1,69 -4,15 287,45 2.369 TABEL II

SAMPEL DATA HASIL SIMULASI PERUBAHAN KECEPATAN ANGIN Kecep atan Angin (m/s) Daya Aktif /P (kW) Daya Reaktif/ Q (kVar) Teganga n 1𝜽 (Volt) Putaran Generator /Nr (rpm) 10 2,47 -3,02 286,55 740 12 6,14 -2,85 285,68 1.329 16 16,65 -3,06 286,23 1.084 20 31,03 -4,07 286,23 1.160 4 -2,75 -1,38 286,23 648,6

Frekuensi rotor dihitung berdasarkan pada kecepatan putaran rotor berdasarkan persamaan 4. Hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3 dan Tabel 4.

TABEL III

HASIL PERHITUNGAN FREKUENSI ROTOR UNTUK SIMULASI PERUBAHAN KUTUB

Jumlah Kutub Kecepatan putar rotor 𝒏𝒓(rpm) Frekuensi rotor (Hz)

4

1848

61,6

6

1329

66,45

8

1012

67,46

12

635

63,5

2

2369

39,4

TABEL IV

HASIL PERHITNUGAN FREKUENSI ROTOR UNTUK SIMULASI PERUBAHAN KECEPATAN ANGIN

Kecepatan Angin(m/s)

Kecepatan putar

rotor

𝒏

𝒓

(rpm)

Frekuensi

rotor (Hz)

10

740

37

12

1329

66,45

16

1084

54,2

20

1160

58

4

684,6

34,23

Untuk mendapatkan frekuensi output atau frekuensi stator yang dihasilkan, grafik frekuensi stator yang terbentuk pada Gambar 9 dibandingkan dengan grafik frekuensi sebuah sumber dengan tegangan 220 Volt, 50 Hz pada Gambar 10 pada setiap periode waktu.

Gambar 9. Grafik gelombang tegangan hasil simulasi

Gambar 10. Grafik gelombang sumber tegangan 220 V 50 Hz

Banyaknya gelombang yang terbentuk

untuk setiap selang waktu adalah 10 gelombang.

Pada gambar simulasi tegangan jumlah kutub n =

2, 4, 6, 8, 12 pada rentang 0,2s-0,4s, 0,4s-0,6s,

0,6s-0,8s (kondisi steady state) gelombang

tegangan yang terbentuk berjumlah 10. Dengan

demikian frekuensi output generator induksi

adalah sama dengan frekuensi sistem grid.

Berdasarkan

simulasi,

tegangan

yang

terbentuk

pada

setiap

perubahan

kutub

mengalami perubahan yang kecil. Tegangan yang

dihasilkan diambil dari data kotak dialog

pengukuran nilai rata-rata output tegangan pada

setiap simulasi. Berdasarkan simulasi, nilai

tegangan yang dihasilkan untuk tegangan 1 phasa

ialah berada pada kisaran 285 - 286,55 Volt.

Untuk tegangan tiga phasa cukup dengan

mengalikan dengan

√3

karena tegangan tiga

phasa yang terbentuk ialah tegangan 3 phasa

seimbang.

Apabila

dibandingkan

dengan

tegangan referensi atau tegangan grid, maka error

tegangan yang timbul dapat dilihat pada Tabel 5

dan Tabel 6.

TABEL V

PERSEN ERROR TEGANGAN SIMULASI PERUBAHAN JUMLAH KUTUB Jumlah Kutub Tegangan Grid (V) Tegangan output/ tegangan stator (V) % error tegangan

4

220

285,89

29,95

6

220

285,68

29,85

8

220

284,72

29,45

12

220

287,45

30,65

2

220

287,45

30,65

TABEL VI

PERSEN ERROR TEGANGAN SIMULASI PERUBAHAN KECEPATAN ANGIN Kecepat an angin Tegangan Grid (V) Tegangan output/ tegangan stator (V) % error tegangan

10

220

286,55

30,25

12

220

285,68

29,85

16

220

286,23

30,10

20

220

286,23

30,65

4

220

286,23

30,65

Dari hasil error, dapat dilihat bahwa pada setiap perubahan kutub perubahan error tegangan hanya sedikit saja berkisar 1% - 1,5%. Hal ini menunjukkan

bahwa STATCOM berusaha mempertahankan

tegangan keluaran generator pada besaran yang tetap dengan referensinya adalah tegangan grid.

Error tegangan yang timbul diakibatkan oleh

harmonisa tegangan yang mengakibatkan

penghitungan nilai rataan tidak akurat.

Pada jumlah kutub 4, 6, 8, 12 generator mensuplai daya aktif bernilai positif dan daya reaktif bernilai negatif yang berarti generator mensuplai daya aktif dan reaktif. Daya aktif paling besar yang disuplai yakni saat jumlah kutub 6 dan 8 yakni sebesar 6,14 kW.

Berdasarkan simulasi perubahan jumlah kutub dan perubahan kecepatan angin, respon STATCOM terhadap perubahan kecepatan prime mover (rotor speed) adalah sudah baik. Hal ini dapat dilihat dari

tegangan dan daya ouput yang dihasilkan.

Berdasarkan tegangan, dapat dianalisis bahwa ketika terjadi perubahan kecepatan prime mover (rotor speed), tegangan masih tetap pada besaran konstan (285 Volt) dan frekuensi 50 Hz. Dari grafik dayadapat dilihat bahwa ketika terjadi perubahan kecepatan putar generator (rotor speed), timbul fluktuasi daya, namun setelah 0,4 sekon grafik daya mulai merata pada suatu nilai pada Gambar 8.

Gambar 11. Grafik daya aktif (merah) vs daya reaktif (biru)

Dengan demikian untuk setiap perubahan kecepatan putar prime mover, STATCOM merespon dengan mengatur daya aktif dan reaktif yang masuk ke rotor agar tegangan dan frekuensi keluaran dari generator stabil pada nilai yang sesuai dengan sistem grid (220V, 50 Hz). Namun pada simulasi ini, masih terdapat error tegangan yang besar, dapat dilihat dari analisis tegangan.

IV. KESIMPULAN

Hasil pengaturan menunjukkan bahwa pada perubahan kecepatan prime mover (kecepatan angin), tegangan dan frekuensi dijaga konstan yakni 285 V, 50 Hz.

STATCOM melakukan pengaturan terhadap daya aktif dan daya reaktif generator induksi pada rotor untuk menjaga tegangan dan frekuensi output generator konstan dan untuk daya aktif dan reaktif

yang dihasilkan, diatur oleh STATCOM sampai pada nilai yang tetap (konstan).

STATCOM sesuai digunakan pada pembangkitan tenaga angin terlihat dari respon STATCOM terhadap perubahan kecepatan angin dengan melakukan pengaturan pada rotor generator induksi untuk

disesuaikan dengan kecepatan angin untuk

menghasilkan tegangan danfrekuensi yang tetap. DAFTAR PUSTAKA

[1]. Hammons, T.J. 2009. Renewable Energy. In-tech: India [2]. Yazdani Amirnaser, Iravani Reza. 2010.Voltage Sourced

Converters in Power Systems Modelling, Control, and applications. John Wiley and Sons, Inc: USA

[3]. Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar Dasar Mesin Listrik. Djambatan: Jakarta

[4]. Lingling Fan, Subbaraya Yuvarajam, “Modelling and Control of A Doubly Fed Induction Wind Turbine Generator” , North Dakota State University, Fargo, ND 58105

[5]. Pradeep Kumar, Niranjan Kumar, A.K.Akella, “Dinamyc Performance of STATCOM on the Induction Generator based Wind Farm”, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Jamshedpur, Jharkhand 8831014, India