PROPOSAL PENELITIAN
Pemodelan dan Analisa Performa Pembangkit Listrik Tenaga Turbine Gas Mikro Saat Terjadi Perubahan Beban Mendadak
TIM PENGUSUL Ketua:
Nama: Khairudin, S.T., M.Sc., Ph.D.Eng., NIDN: 0019077002
Anggota:
Nama: DR.Eng. Lukmanul Hakim, S.T., M.Sc., NIDN: 0023097202 Nama: Herri Gusmedi, S.T., M.T., NIDN: 0013087101
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG
Mei 2021
1. Judul Penelitian : Pemodelan dan Analisa Performa Pembangkit Listrik Tenaga Turbine Gas Mikro Saat Terjadi Perubahan Beban Mendadak 2. Tim Peneliti
No. Nama Jabatan Bidang
Keahlian
Program Studi
AlokasiWaktu (jam/minggu)
1. Khairudin, S.T., M.Sc.,
Ph.D.Eng Ketua
SmartGrid, Power System Control &
Monitoring
Teknik Elektro
15 jam
2. DR.Eng. Lukmanul
Hakim, S.T., M.Sc. Anggota 1
LoadFlow, Power System Modelling
Teknik Elektro
10 jam
3. Herri Gusmedi, S.T.,
M.T. Anggota 2
Power System Economics, Realiability
Teknik Elektro
10 jam
3. Objek Penelitian (jenis material yang akan diteliti dan segi penelitian):
Pengembangan teknologi turbin gas mikro yang mampu menghasilkan daya mulai dari ratusan watt dan terintegrasi ke dalam sistem Microgrid semakin menjanjikan terutama dalam kaitannya dengan peningkatan respon sistem terhadap dinamika pembebanan.
Penelitian ini akan membangun model dinamik dan menyediakan platform simulasi untuk memprediksi kinerja pembangkit listrik turbine gas mikro (PLTTGM) serta desain sistem kontrolnya sehingga dapat memberikan perkiraan perilaku PLTTGM pada saat terjadi perubahan kondisi pembebanan secara tiba-tiba.
Model matematis dalam bentuk persamaan nonlinier selanjutnya dituangkan dalam lingkungan MATLAB / Simulink.
4. Masa Pelaksanaan
Mulai : bulan Mei tahun 2021 Berakhir : bulan November tahun 2021
5. Usulan Biaya : Rp. 10.000.000.,- (sepuluh juta rupiah)
6. Lokasi Penelitian : Laboratorium Sistem Tenaga Elektrik
Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) konvensional dengan kapasitas hanya dalam orde beberapa ratus KW saja. Dari sisi fungsional PLTTGM ini akan dapat berperan sebagai bus controller seperti halnya generator konvensional. Dengan kemampuan mengatur frekwensi dan tegangan, PLTTGM ini dapat mengatasi kerentanan terhadap kehilangan kestabilan akibat rendahnya respon sistem.
Modelling PLTGM ini dapat dimanfaatkan untuk riset-riset advanced di domain smartgrid
dan media pembelajaran bagi mahasiswa tingkat akhir serta pasca sarjana dan sebagai
kontribusi ke dunia industri.
DAFTAR ISI
1. PENDAHULUAN ... 2
1.1. LATAR BELAKANG ... 2
1.2. PERUMUSAN MASALAH ... 3
2. TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1. SELAYANG PANDANG TURBIN GAS MIKRO ... 5
2.2. PENELITIAN BERKAITAN DENGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA TURBIN GAS MIKRO ... 6
2.3. MODELLING PEMBANGKIT TURBINE GAS MIKRO ... 7
3. TUJUAN PENELITIAN... 10
4. OUTPUT PENELITIAN ... 11
5. METODE PENELITIAN ... 12
5.1. PENGUMPULAN DATA TIPIKAL MESIN SEJENIS ... 12
5.2. PEMBUATAN ALGORITHMA DAN PROGRAM ... 12
5.3. PENGUJIAN PROGRAM APIKASI ... 12
5.4. SIMULASI TERAHADAP PERUBAHAN BEBAN MENDADAK ... 12
5.5. ANALISA HASIL ... 12
6. JADWAL PELAKSANAAN KEGIATAN ... 13
7. KELAYAKAN TIM PENELITI ... 14
7.1. ORGANISASI TIM PENGUSUL DAN PEMBAGIAN TUGAS ... 14
7.3. SARANA DAN PRASARANA ... 15
8. PERKIRAAN BIAYA PENELITIAN ... 16
9. PUSTAKA ... 17
1. PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Tersedianya sumber energi primer dari tipe renewable energy yang tersebar diberbagai lokasi dapat dimanfaatkan untuk memperbaiki profil tegangan dan frekwensi di penyulang yang panjang, memperbaiki respon pada penyulang padat dengan dinamika beban yang fluktuatif, meningkatkan keandalan dan ketersediaan sistem serta meningkatkan indeks kestabilan.
Akan tetapi masuknya pembangkit-pembangkit dengan sumber energi terbarukan ini tidak hanya memberikan dampak positif terhadap sistem tenaga listrik secara keseluruhan, faktor ketidakpastian yang besar dari ketersediaan sumber energi ini justru akan menimbulkan masalah besar bagi sistem bila tidak diperhitungkan dan dikendalikan secara tepat.
Sumber energi terbarukan sangat tergantung kepada alam. Manusia tidak bisa mengatur intensitas dan lamanya penyinaran matahari. Tidak ada cara untuk mengatur kecepatan angin serta aliran air sungai yang sangat bergantung kepada curah hujan dan lingkungan sepanjang daerah aliran sungai. Hal ini sangat kontras bila dibandingkan dengan penggunaan energi fossil baik berupa BBM maupun batubara, dimana katup uap atau katup bahan bakar dapat dikontrol untuk mengatur masukan energi primer ke penggerak mula mengikuti dinamika beban.
Di sisi lain dengan semakin dinamisnya perilaku beban dituntut sistem kelistrikan yang responsif ketika terjadi perubahan kondisi pembebanan mendadak akibat pelepasan beban atau hilangnya unit pembangkit dan atau gangguan sistem distribusi.
Untuk mengatasi kendala ketidakpastian ini, diperlukan sebagaian intervensi pembangkit dari tipe fast respon yang adapat mengakomodir fluktuasi beban sehingga sistem tetap berada dalam range frekwensi nominal 50 Hz atau 60 Hz. Teknologi PLTTGM diharapkan mampu memberikan solusi terhadap permasalahan di atas. PLTTGM yang didukung
teknologi micro controller akan mampu memberikan fast respon terhadap dinamika sistem serta meningkatkan Rate of Change of Frequency (ROCOF) terutama pada Microgrid.
Pemanfaatan PLTTGM ini merupakan bagian dari riset jaringan cerdas (SMART GRID).
Teknologi smartgrid memiliki banyak kelebihan, diantaranya adalah memungkinkan penggabungan berbagai pembangkit listrik baik yang konvensional maupun dari jenis energi terbarukan dengan memanfaatkan teknologi kontrol berbasis sistem cerdas. Sebelum Smart Grid ini diimplementasikan di lapangan, sistem ini haruslah teruji dulu tingklat keandalannya, tingkat ketersediaannya (availability), tingkat kestabilan, aspek sistem proteksi dan kemampuan melakukan restorasi setelah terjadinya gangguan atau melakukan manuver jaringan untuk mencegah kehilangan kestabilan akibat terganggunya pasokan daya atau adanya gangguan di sisi pembebanan.
Penelitian ini akan membangun model dinamik dan menyediakan platform simulasi untuk memprediksi kinerja pembangkit listrik turbine gas mikro (PLTTGM) serta desain sistem kontrolnya sehingga dapat memberikan perkiraan perilaku PLTTGM pada saat terjadi perubahan kondisi pembebanan secara tiba-tiba. Model matematis dalam bentuk persamaan nonlinier selanjutnya dituangkan dalam lingkungan MATLAB / Simulink.
1.2. PERUMUSAN MASALAH
Pengembangan teknologi turbin gas mikro yang mampu menghasilkan daya mulai dari ratusan watt hingga orde di bawah 1 MW dan terintegrasi ke dalam sistem jala-jala semakin menjanjikan terutama dalam kaitannya dengan peningkatan respon sistem terhadap dinamika pembebanan pada mikrogrid atau pada penyulang-penyulang dengan kondisi tertentu.
Dengan makin kompleksnya komponen sistem tenaga, baik di sisi pembangkitan yang beragam dengan masing-masing karakter eksitasi, sistem governor dan inersianya, sisi transmisi dan distribusi serta aspek pembebanan yang juga turut andil dalam setiap dinamika kestabilan sistem, maka kerentanan akan kehilangan kestabilan sistem menjadi bertambah besar. Pemantauan dan mitigasi yang akurat akan dapat menghindarkan sistem dari black-out atau gangguan bertingkat (cascading) sebelum gangguan besar benar-benar terjadi.
Pembangkit Listrik Tenaga Turbin Gas Mikro (PLTTGM) adalah downscale dari Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) konvensional dengan kapasitas hanya dalam orde
beberapa ratus KW saja. Dari sisi fungsional PLTTGM ini akan dapat berperan sebagai bus controller seperti halnya generator konvensional. Dengan kemampuan mengatur frekwensi dan tegangan, PLTTGM ini dapat mengatasi kerentanan terhadap kehilangan kestabilan akibat rendahnya respon sistem.
Modelling PLTGM ini dapat dimanfaatkan untuk riset-riset advanced di domain smartgrid dan media pembelajaran bagi mahasiswa tingkat akhir serta pasca sarjana dan sebagai kontribusi ke dunia industri.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. SELAYANG PANDANG TURBIN GAS MIKRO
Turbin Gas Mikro didefinisikan sebagai suatu pembangkit yang menghasilkan daya antara 10KW hingga 1 MW [2]. Turbin Gas Mikro merupakan mesin pembakaran dalam yang menggunakan gas alam dengan mengubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi kinetik. Turbin Gas Mikro merupakan penggerak mula (prime over) yang dikopel dengan generator sinkron magnet permanen sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Mesin micro gas turbine ditunjukkan pada gambar 2.1 berikut ini.
Pembangkit Tenaga Turbin Gas Mikro merupakan sistem pembangkit yang menggunakan gas alam (Natural Gas) sebagai bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan turbin.
Micro gas turbine memiliki beberapa kelebihan diantaranya [4]:
1. Emisi yang rendah 2. Mudah dioperasikan
Gambar. 1. Tipikal Turbin Gas Mikro
3. Bersifat mobile
4. Mudah dalam maintenance
5. Biaya pemeliharaan dan operasi yang relatif rendah
Berdasarkan kelebihan di atas, Pembangkit Tenaga Turbin Gas Mikro cocok untuk diaplikasikan pada lingkungan pedesaan, lingkungn kantor dan apartmen serta perumahan
2.2. PENELITIAN BERKAITAN DENGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA TURBIN GAS MIKRO
Beberapa penelitian telah dilakukan sejak awal tahun 2000-an oleh berbagai lembaga penelitian di dunia. Pada Thun 2019, Walquíria do N. Silva, Janaína G. de Oliveira, Bruno H. Dias, Leonardo W. de Oliveira dari Federal University of Juiz de Fora Brazil, berhasil mensimulasikan micro gas turbine sebagai sebuah system terdisdtribusi [1].
Sebelumnya penelitian lain telah dilakukan oleh Dr. K. S. Srikanth, K. Naresh, Dr. L.
V.Narasimha Rao, V. Ramesh pada tahun 2016 dari Electrical and Electronics Engineering, KL University, India yang mensimulasikan micro gas turbine dengan dua mode operasi yaitu islanding mode dan grid connected mode [2].
Penelitian lain yang berkaitan dengan penelitian ini dilakukan oleh Li Jun Jun pada tahun 2010 dari College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsa China yang mensimulasikan micro gas turbine dengan mode operasi terhubung ke jaringan [3].
Pada penelitian ini PLTTGM didesain dengan arsitektur unik, dimana generator yang dipakai adalah tipe generator sinkron tanpa belitan penguatan medan. Sebagai gantinya digunakan magnet permanen pada bagian stator. Sistem ini memiliki keuntungan berupa konstruksi yang kokoh sehingga cocok digunakan pada mesin berkecepatan turbo.
Kendalanya adalah tidak dimungkinkannya melakukan pengaturan tegangan melalui sistem exciter. Untuk mengatasinya dibuatlah semacam jembatan DC yang seakan memisahkan antara sistem AC dari generator dengan sistem AC dari jala-jala atau grid.
Tegangan dan frequency keluaran dari PLTTGM ini akan dikendalikan oleh mikrokontroller dengan memanfaatkan umpan balik dari jala-jala listrik.
2.3. MODELLING PEMBANGKIT TURBINE GAS MIKRO
Sistem micro gas turbine yang digunakan berdasarkan model gas turbine yang dikembanngkan oleh Rowen, yang telah digunakan oleh beberapa peneliti. Adapun komponen dari micro gas turbine diantaranya kontrol kecepatan, kontrol suhu, dan system bahan bakar[1][7][8][9][10].
Pada micro gas turbine terdapat tiga fungsi control yang sangat penting yaitu:
1. Kontrol kecepatan yang bekerja saat terjadi perubahan beban 2. Kontrol suhu untuk membatasi daya keluaran
3. Kontrol akselerasi untuk mengatur agar rotor tidak melebihi kecepatan yang ditentukan.
Keluaran dari semua fungsi kontrol diatas masuk ke dalam least value gate (LVG) keluarannya adalah nilai terendah dari tiga input dan menghasilkan jumlah bahan bakar paling sedikit ke kompresor-turbin[8]
2.3.1. Kontrol Kecepatan
Kontrol kecepatan diklasifikasikan sebagai kontrol isochronous atau droop. Kontrol isochronous diterapkan untuk sistem yang terisolasi sedangkan kontrol droop diterapkan untuk sistem yang terhubung ke jaringan. Kontrol kecepatan bekerja pada kesalahan kecepatan antara kecepatan referensi dan kecepatan rotor.
Gambar. 2. Diagram Blok PLTTGM
Kontrol kecepatan dapat dimodelkan dengan pengontrol PID atau pengontrol fase maju dan penundaan (Lead (Lag) compensator). Pada penelitian ini kontrol fase maju dan penundaan digunakan untuk memodelkan kontrol kecepatan.
Dimana K adalah konstanta pengontrol, T1 dan T2 masing-masing konstanta waktu yang mengacu pada pengontrol maju dan penundaan, dan Z menunjukkan mode operasi yang digunakan (Droop atau Isochronous)[1][8][10].
2.3.2 Kontrol Percepatan
Kontrol percepatan ini dimaksudkan untuk membatasi laju percepatan rotor, sehingga tidak ada kecepatan berlebih pada rotor. Kontrol percepatan hanya bekerja beberapa saat sampai kecepatan turbin mencapai kecepatan yang diinginkan [1].
Gambar. 3. Blok Diagram Kontrol Kecepatan
Gambar. 4. Diagram Blok Kontrol Percepatan
2.3.3 Kontrol Suhu
Kontrol suhu berfungsi untuk membatasi daya keluaran micro gas turbine pada suhu pembakaran tertentu, yang ditetapkan sebelumnya, dan tidak bergantung pada bahan bakar yang digunakan dan suhu lingkungan di mana turbin mikro berada. Suhu gas turbin diukur dengan bantuan termokopel dan terkait dengan lapisan proteksi radiasi. Pertama, sinyal dari suhu keluaran turbin melewati penguatan dan dinamika perisai radiasi. Kemudian melewati dinamika termokopel yang mewakili waktu respons dari pembacaan suhu. Output dari termokopel dibandingkan dengan referensi suhu, yang biasanya lebih tinggi dari keluaran termokopel. Ini memaksa keluaran kontrol suhu agar tetap pada batas maksimum yang memungkinkan. Diagram blok dari kontrol suhu digambarkan pada gambar 2.13[1][10].
Dengan K4 dan K5 adalah konstanta penguatan yang terkait dengan perisai radiasi dan T3
adalah konstanta waktu yang terkait dengan sistem radiasi. T4 adalah konstanta waktu yang terkait dengan termokopel, dan T5 adalah konstanta waktu terkait dengan kontrol suhu, Tt menjadi laju integrasi kontrol suhu [1][10].
Gambar. 5. Diagram Blok Kontrol Suhu
3. TUJUAN PENELITIAN
Ada dua hal yang hendak dicapai dari penelitian ini:
1. Perangkat Lunak berbasis MATLAB/SIMULINK yang dapat digunakan oleh Peneliti ataupun mahasiswa untuk melakukan simulasi berbagai kondisi dan pengaruhnya terhadap kestabilan sistem, dalam lingkup studi dinamik.
2. Bagi penulis sendiri, ini akan menjadi landasan untuk penelitian berikutnya yakni Pengembangan Sistem Listrik Cerdas (Smartgrid).
4. OUTPUT PENELITIAN
Output penelitian yang ditergetkan adalah:
1. Perangkat Lunak berbasis MATLAB/SIMULINK
2. Karya tulis yang akan disubmit di salah satu jurnal internasional terakreditasi dan atau jurnal nasional bereputasi.
5. METODE PENELITIAN
5.1. PENGUMPULAN DATA TIPIKAL MESIN SEJENIS
Parameter mesin sejenis dikumpulkan dari berbagai literatur dan datasheet dari pabrikan komponen-komponen pembangun PLTTGM.
5.2. PEMBUATAN ALGORITHMA DAN PROGRAM
Mengacu kepada teori-teori baku mengenai pengaturan tegangan dan frekwensi dan kinerja sebuah rangkaian kelistrikan, algorithma pengaturan frekwensi, daya dan tegangan akan dibangun. Selanjutnya algorithma diterjemahkan ke dalam sintaks di MATLAB. Pemilihan perangkat lunak Matlab ini didasarkan pada kemampuannya dalam melakukan perhitungan matematis dan banyaknya toolbox standard yang bisa dimanfaatkan dalam analisa ini.
5.3. PENGUJIAN PROGRAM APIKASI
Aplikasi yang dibuat akan diuji performanya dengan memasukkan data parameter mesin dan turbin dan dilakukan simulasi untuk setiap komponen (generator, turbine governor, konverter dan inverter) kemudian dibandingkan dengan perilaku dinamik sesuai dengan persamaan matematis masing-masing komponen tersebut. Bila hasil simulasi dengan data standard tersebut sama persis dengan hasil yang sudah diketahui maka program yang dibuat valid untuk digunakan dalam perhitungan.
5.4. SIMULASI TERAHADAP PERUBAHAN BEBAN MENDADAK
Langkah selanjutnya melakukan simulasi perubahan beban tiba-tiba dengan memanipulasi waktu trib dari pemutus tenaga pada rangkaian simulink.5.5. ANALISA HASIL
Analisa perilaku sistem dilakukan dengan melakukan simulasi perubahan beban tiba-tiba dengan memanipulasi waktu trip dari pemutus tenaga pada rangkaian simulink.
6. JADWAL PELAKSANAAN KEGIATAN
Secara tentative kegiatan penelitian dijadwal berlangsung selama satu semester dengan rincian kegiatan berikut:
1 2 3 4 5 6
1 Pengumpulan data 2 Pembuatan Algorithma 3 Literatur Survey
4 Pembuatan Program Aplikasi - Subroutine Baca data - Subroutine Pengolahan Signal - Subroutine Tampilan Grafis 5 Analisa Hasil
6 Penyusunan Laporan dan Publikasi
Bulan ke:
No. Aktifitas
7. KELAYAKAN TIM PENELITI
7.1. ORGANISASI TIM PENGUSUL DAN PEMBAGIAN TUGAS
Kegiatan penelitian ini dilakukan oleh satu Tim Dosen dari Program Studi Teknik Elektro (PSTE). Masing-masing peneliti memiliki keahlian yang saling mendukung sehingga kegiatan pengabdian ini dapat terselenggara dan terselesaikan dengan baik. Tim kegiatan penelitian ini terdiri dari 1 orang ketua dan 2 orang anggota. Secara terperinci keahlian dan tanggung jawab yang harus dikerjakan oleh masing-masing anggota diperlihatkan pada Table 1.
Tabel 1. Personalia Pengusul dan Keahlian
No. Nama Pendidikan Bidang keahlian Tugas dalam Kegiatan 1. Khairudin, S.T., M.Sc.,
Ph.D. Eng. S3
Sistem Tenaga Listrik, Signal Analysis
Koordinator dan Peneliti
2. Dr. Eng. Lukmanul
Hakim, S.T., M.Sc. S3
LoadFlow, Power System
Modelling
Peneliti
3. Herri Gusmedi, S.T., M.T. S2 Sistem Tenaga
Elektrik Peneliti
7.2. ORGANISASI PELAKSANA Ketua
a. Nama Lengkap : Khairudin, S.T., M.Sc., Ph.D. Eng.
b. NIP : 197007192000121002 c. Golongan Pangkat : III.c / PENATA d. Jabatan Akademik : Lektor
e. Jabatan Struktural : Ketua Jurusan f. Jurusan : Teknik Elektro
g. Bidang keahlian : Power System Stability, Monitoring and control, Smart Grid, Renewable energy
h. Alokasi Waktu : 20 jam / minggu
Anggota 1
a. Nama Lengkap : Dr. Eng Lukmanul Hakim, S.T., M.Sc.
b. NIP : 197312262000122001 c. Golongan Pangkat : III.c/ PENATA d. Jabatan Akademik : Lektor
e. Jabatan Struktural : -
f. Jurusan : Teknik Elektro
g. Bidang keahlian : LoadFlow, Power System Modelling h. Alokasi Waktu : 16 jam / minggu
Anggota 2
a. Nama Lengkap : Herri Gusmedi, S.T., M.T.
b. NIP : 197108131999031003 c. Golongan Pangkat : III.c/ PENATA d. Jabatan Akademik : Lektor
e. Jabatan Struktural : Kepala Lab STE f. Jurusan : Teknik Elektro
g. Bidang keahlian : Analisa Sistem Tenaga h. Alokasi Waktu : 16 jam / minggu
7.3. SARANA DAN PRASARANA
Program penelitian ini ditunjang oleh beberapa komponen dan sarana yang tidak termasuk dalam anggaran proposal yang diajukan. Tiga komponen utama yang merupakan sarana penunjang kegiatan pengabdian itu adalah: laboratorium, peralatan dan SDM.
8. PERKIRAAN BIAYA PENELITIAN
Rincian Biaya Penelitian
Jumlah Biaya: Sepuluh Juta Enam Ribu Rupiah.
No. Macam Barang/Kegiatan Jumlah Satuan Biaya Satuan (Rp.)
Total Biaya (Rp.) 1. Bahan dan Peralatan Penelitian
a. Bahan Habis Pakai
- Kertas HVS A4 70 g/m 2 Rim 48,000.00 96,000.00 - Tinta Printer B/W + Colour 4 botol 25,000.00 100,000.00
b. Licensed Zoom Meeting 0 bulan -
-
2. Pembuatan program -
Biaya jasa pembuatan program, entry
data dan simulasi 480 orang.jam 20,000.00 9,600,000.00
-
3. Laporan Penelitian -
- Penggandaan dan Penjilidan 6 eksp. 35,000.00 210,000.00
Jumlah Keseluruhan 10,006,000.00
