BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro merupakan pembangkit listrik tenaga air yang menghasilkan kapasitas daya yang kecil, yaitu berkisar dibawah 100 kW. Kapasitas PLTMH juga dijelaskan dalam Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia No. 2 Tahun 2012 Tentang Petunjuk Teknis Penggunaan Dana Alokasi Khusus Bidang Listrik Pedesaan Tahun Anggaran 2012, Pasal 1 Ayat 2 menyatakan bahwa “Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, selanjutnya disingkat PLTMH adalah suatu pembangkit listrik skala kecil dengan kapasitas di bawah 1 MW yang menggunakan tenaga air sebagai sumber energinya, seperti dari saluran irigasi, sungai, atau air terjun alam, dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air”. Ilustrasi PLTMH dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1].
Tenaga air merupakan sumber tenaga listrik terpenting setelah tenaga uap atau panas. Hampir 30% dari seluruh tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat-pusat listrik tenaga air. Total potensi teoritis PLTMH di Indonesia adalah sekitar 493 MW dengan tingkat pemanfaatan saat ini baru mencapai sekitar 21 MW atau hanya sekitar 4% dari potensi yang ada. Dengan demikian, masih cukup banyak potensi yang saat ini belum dimanfaatkan, atau bahkan belum tereksplorasi dengan baik [2].
PLTMH memerlukan dua hal pokok, yaitu debit air dan ketinggian jatuh (head) air untuk menghasilkan tenaga untuk memutar turbin. Perhitungan energi listrik yang dibangkitkan dapat dinyatakan secara umum sebagai Persamaan 2.1 [3]:
= . . . ℎ. (2.1)
Dimana:
P = daya (watt)
Q = debit air (m3/s)
ρ = kepadatan air (1000 kg/ m3)
h = Jarak tinggi air (head) (m)
g = konstanta percepatan gravitasi (9,8 m/s3)
= Perkalian efisiensi turbin dan generator
konversi energi, menyerap energi dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk listrik. Energi yang digunakan tidaklah semua dapat digunakan, karena ada energi yang hilang ketika proses konversi terjadi Ilustrasi alur kerja PLTA secara umum dapat dilihat pada Gambar 2.2 [4].
Gambar 2.2 Alur kerja pembangkit listrik tenaga air secara umum
Berdasarkan pada Gambar 2.2, dapat dijelaskan komponen dan alur kerja pembangkit listrik tenaga air secara umum, yaitu:
1. Air ditampung pada dam atau biasa disebut dengan bendungan. Bendungan dilengkapi dengan pipa intake (pintu air) yang berguna sebagai tempat mengalirnya air dari bendungan menuju turbin. Bendungan juga perlu dilengkapi dengan dan saringan sampah untuk mencegah masuknya kotoran atau endapan lumpur.
ke turbin untuk menghemat panjang pipa. Pipa aliran air ini biasanya disebut pipa pesat (penstock).
3. Air yang dialirkan menggerakkan turbin air. Aliran air akan memutar runner dan menghasilkan energi kinetik yang akan memutar poros turbin. Energi kinetik tadi disalurkan menuju generator dengan cara menyambungkan (kopel) turbin terhadap rotor generator. Rotor generator yang nantinya akan menginduksikan listrik ke stator.
4. Energi listrik yang dihasilkan generator mengalir menuju transmission line untuk dialirkan menuju konsumen. Biasanya, sebelum menuju transmission line, listrik yang dihasilkan generator masuk ke trafo step-up. Trafo step-up menaikkan tegangan listrik, yang bertujuan untuk menghindari rugi – rugi pada transmisi listrik menuju konsumen.
Pada umumnya, PLTMH dibangun dengan sistem run off river, tidak dengan kolam tandu (reservoir) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river lebih ekonomis dibandingkan dengan sistem reservoir yang memerlukan bendungan yang besar dan area genangan yang luas.
1. Ramah lingkungan, karena menggunakan energi terbarukan, yaitu air. Setelah air digunakan untuk menggerakkan turbin, air dibuang dan dialirkan menuju sungai kembali. Air yang dibuang tidak bersifat polutan. 2. Dapat menyediakan listrik pada desa-desa yang susah dijangkau,
khususnya pada desa-desa yang memiliki aliran sungai didekatnya. 3. Pemeliharaannya mudah dan murah.
4. Dapat menggantikan ketergantungan masyarakat terhadap energi fossil, contohnya yang sering digunakan masyarakat adalah mesin diesel (genset).
Namun, dari beberapa kelebihannya, terdapat beberapa kekurangan dari PLTMH, yaitu:
1. Ada PLTMH yang dapat langsung menggunakan aliran sungai (run off river) sebagai penggerak turbinnya, tergantung kepada debit air sungai tersebut. Tetapi, apabila tidak mencukupi debitnya, maka haruslah dibangun bendungan, yang mana menambah biaya pembangunan PLTMH. 2. Sumber pembangkit PLTMH adalah air. Apabila musim kemarau, maka
sumber air akan berkurang, sehingga efisiensi generator berkurang.
2.2 Sistem Kendali Daya pada PLTMH
Sistem kendali daya merupakan hal yang sangat penting dalam PLTMH. Adapun fungsi dari sistem kendali daya pada PLTMH adalah sebagai berikut [5]:
1. Agar tegangan tetap konstan pada berbagai kondisi perubahan beban. Tegangan konstan bertujuan untuk menyelamatkan peralatan sumber tegangan dan beban pada sisi konsumen dan juga untuk kenyamanan pengguna energi listrik. Alat yang biasa digunakan untuk menyeimbangkan tegangan adalah AVR (Automatic Voltage Regulator). 2. Membentuk frekuensi yang konstan pada berbagai kondisi dan perubahan
beban. Frekuensi konstan digunakan untuk menyelamatkan peralatan mekanik pada sisi pembangkit, menyelamatkan peralatan dari perubahan gerak pada sisi konsumen, dan menyelamatkan peralatan dari overload pada saat kecepatan rendah.
3. Menjaga agar tidak ada kecepatan lebih pada saat beban kecil untuk menyelamatkan peralatan mekanik pada sisi pembangkit. Intinya adalah untuk menjaga sistem elektrik dan mesin agar selalu berada pada daerah kerja yang diperbolehkan.
Ada beberapa jenis sistem kendali daya pada PLTMH. Umumnya, sistem kendali daya pada PLTMH dibagi 2 macam:
1. Kontrol daya yang dapat membuat frekuensi generator tetap konstan adalah:
a. ELC (Electronic Load Controller)/DLC (Digital Load Controller) pada generator sinkron
Pengontrolan dengan menggunakan ELC bertujuan agar besar daya yang dibangkitkan oleh generator selalu sama dengan daya yang diserap oleh konsumen ditambah dengan daya yang dibuang ke beban (ballast), dengan demikian akan diperoleh frekuensi yang stabil [6].
2. Flow Kontrol (Governor, yaitu mengatur aliran air yang masuk ke dalam turbin)
Governor didesain agar perputaran generator konstan dalam range yang dikehendaki dengan menambah atau mengurangi debit air yang masuk ke runner turbin untuk mempertahankan keseimbangan daya antara masukan daya (power input) dan permintaan daya (power demand). Pada Gambar 2.3 dapat dilihat rangkaian kerja pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan governor. Kerugian dari sistem ini adalah ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi terjadi perubahan beban secara mendadak [6].
Gambar 2.3 Diagram kendali PLTA dengan governor
Flywheel
Open Close
Hydraulic Connections
Turbine Valve in
Channel
RESERVOIR
Generator
2.3 Pengendalian PLTMH dengan Electronic Load Controller
Tujuan utama penggunaan Electronic Load Controller (ELC) adalah menjaga frekuensi tetap konstan dengan cara membagi keluaran daya generator menuju beban konsumen dan beban pengganti (dummy). Daya keluaran generator yang digunakan oleh konsumen berupa lampu penerangan, mesin-mesin listrik, pemanas, dan lain-lain. Aliran daya antara generator, ELC, dan beban konsumen, dan juga skema komponen ELC dapat dilihat pada Gambar 2.5 [5].
Gambar 2.4 Skema komponen ELC
Secara umum komponen ELC pada PLTMH terbagi atas 3 bagian seperti yang terlihat pada Gambar 2.4, penjelasannya sebagai berikut:
a. Sensor dan Rangkaian Kontrol
Sensor arus dan rangkaian kontrol berfungsi untuk mendeteksi perubahan arus beban yang dihasilkan generator sebagai akibat adanya
perubahan arus pada beban konsumen yang langsung dibandingkan dengan harga referensi yang telah ditentukan. Dan rangkaian kontrol akan memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan mengaktifkan IGBT sesuai perubahan yang terjadi.
b. IGBT / Sakelar Elektronik
IGBT berfungsi sebagai pemutus dan penghantar arus ke beban komplemen yang pengoperasiannya diatur oleh modul kontrol berdasarkan perubahan yang terjadi. Penghantaran dan pemutusan arus dilakukan dengan mengatur sudut penyalaan. Modul kontrol digunakan dengan mendeteksi perubahan arus dan mengubahnya menjadi tegangan lalu mengaktifkan gate IGBT dengan perubahan arus yang terjadi. Sakelar elektronik tidak hanya dapat menggunakan IGBT, bisa juga menggunakan SCR, ataupun thyristor.
c. Beban Tambahan (Dummy Load)
Beban tambahan digunakan sebagai tempat pengalihan daya atas perubahan yang terjadi pada beban sebenarnya dengan tujuan untuk menjaga agar putaran generator konstan meskipun terjadi perubahan arus pada beban sebenarnya.
generator dan daya masukannya dengan menempatkan beban penyeimbang di sisi keluaran generator.
ELC dipasang di antara PLTMH dan beban konsumen seperti pada Gambar 2.4. Dengan menggunakan beban tambahan (dummy load), ELC akan membagi arus yang dihasilkan dari PLTMH ke kedua beban yaitu beban konsumen dan beban dummy. Dengan menggunakan ELC maka PLTMH akan tetap bekerja pada keadaan nominal walaupun beban konsumen berubah-ubah.
Besar beban total yang dihasilkan generator dapat dilihat pada Persamaan 2.2 berikut:
Beban Konsumen + Beban dummy load = Beban Generator (2.2)
Dalam penentuan kapasitas daya pada dummy load, kita dapat menentukannya dengan cara mencari besar resistansi (R), yang berdasarkan pada Persamaan 2.3:
R . I =
P 2 (2.3)
Menentukan perhitungan besarnya resistansi pada dummy load dapat ditentukan dengan dua cara, yaitu:
Q P =
n (2.4)
Dan besar resistor yang digunakan dapat dihitung dengan Persamaan 4.5:
2. Menghitung besar resistansi hanya dengan menggunakan satu dummy load.
Menghitung besar resistansi pada dummy load dapat menggunakan Persamaan 4.3 [7]:
air (water heater) atau pemanas udara (air heater). Besar kecilnya daya yang disalurkan ke beban tambahan dapat dilihat dari besarnya tegangan beban tambahan tersebut (tegangan dummy load). Semakin besar daya pada beban tambahan, semakin besar pula tegangannya, dan sebaliknya jika tidak ada daya pada beban tambahan maka tegangan pada beban tambahan menjadi nol. Tegangan beban tambahan dapat dilihat pada panel kontrol [8].
2.4 Kendali Logika Fuzzy (Fuzzy Logic)
Professor Lotfi A. Zadeh merupakan pencetus sekaligus yang memasarkan ide tentang mekaniskme pengolahan atau manajemen ketidakpastian yang kemudian dikenal dengan logika fuzzy. Dalam penyajiannya variabel-variabel yang akan digunakan harus cukup menggambarkan ke-fuzzy-an tetapi di lain pihak persamaan-persamaan yang dihasilkan dari variabel-variabel itu haruslah cukup sederhana sehingga komputasinya menjadi cukup mudah. Karena itu, Professor Lotfi A. Zadeh kemudian memperoleh ide untuk menyajikannya dengan menentukan “derajat keanggotaan” dari masing-masing variabelnya. Keuntungan utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem yang dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang bersamaan untuk mendapat performa optimal [9].
Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah:
1. Menentukan input,
2. Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai,
Daya Masukan
Daya Keluaran
G Konsumen Beban
Fuzzy Controller
ELC
Beban Tambahan (Dummy)
Tu
rb
in
Air
Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy (untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel dan bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada simulasi.
Pada tugas akhir ini, logika fuzzy digunakan untuk mengatur bukaan IGBT sesuai dengan keadaan beban konsumen. Logika fuzzy digunakan karena prosesnya mudah dengan matematika yang tidak sulit. Hanya dengan menentukan bentuk input dan output yang kita inginkan, lalu menentukan peraturannya, maka didapatlah hasil output yang tepat. Gambar 2.6 merupakan ilustrasi diagram alir daya yang dihasilkan generator apabila ELC ditambahkan kendali logika fuzzy.
