Desain Sistem Transfer Beban Otomatis dari Sumber PLN Ke PLTS pada Waktu Beban Puncak (WBP)

Vol.2 No.4 2017 73 @2017 kitektro

Desain Sistem Transfer Beban Otomatis dari Sumber

PLN Ke PLTS pada Waktu Beban Puncak (WBP)

Agus Mulyadi

#1

_{, Zulfikar}

*2

_{, Zulhelmi}

#3

# _{Jurusan Teknik Elektro dan Komputer, Universitas Syiah Kuala}

Jl. Tgk Syech Abdurrauf No. 7, Banda Aceh 23111

1_{mulyadiagus91@gmail.com} 3_{zulfikarsafrina@unsyiah.ac.id}

2_{zulhelmi.za@gmail.com}

Abstrak— Kebutuhan akan energi listrik terus meningkat dari tahun ke tahun. Perusahaan Listrik Negara (PLN) selaku penyedia energi listrik di Indonesia, belum sepenuhnya mampu mensuplai energi listrik secara merata. Hal ini terjadi karena laju pertambahan sumber energi baru dan pengadaan pembangkit tenaga listrik tidak sebanding dengan peningkatan konsumsi listrik. Penghematan perlu dilakukan untuk mengurangi intensitas terjadinya pemadaman listrik bergilir. Khususnya pada waktu beban puncak yang diistilahkan dengan WBP(Waktu Beban Puncak) yang sering terjadi pada jam 18:00 WIB sampai dengan 00:00 WIB. Untuk menghindari hal tersebut dirancanglah sebuah alat untuk mengatur pemakaian PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya) yang tersimpan di Baterai sebagai energi utama pada Waktu Beban Puncak (WPB). Mikrokontroler Arduino (Arduino Mega 2560) dan RTC (Real Time Clock) digunakan sebagai kontrol waktu untuk mengalihkan atau Switching dari PLN ke Baterai pada saat WBP. Sistem ini juga mengontrol kapasitas baterai sebelum WBP dengan tambahan sensor tegangan DC, agar sumber energi listrik dari baterai dapat dialihkan ke beban. Jika kapasitas baterai tidak mencukupi atau dibawah 30% untuk dilakukan pengalihan, maka sumber utama tetap di suplai oleh PLN. Charge Controller untuk kontrol charge dan

discharge baterai ditambahkan untuk menjaga baterai dari

kerusakan. Keluaran yang diharapkan dari perancangan sistem ini adalah dapat membantu menurunkan beban suplai tegangan dari PLN saat WBP terjadi. Dengan sistem ini kualitas tegangan yang didapatkan oleh konsumen akan lebih stabil.

Kata Kunci— WBP, Baterai, Sensor Tegangan Dc, Charge

Controller, Switching, Arduino, RTC

I. PENDAHULUAN

Seiring dengan laju pertumbuhan ekonomi yang didukung oleh pesatnya perkembangan teknologi, kebutuhan masyarakat akan listrik semakin bertambah. Pemanfaatan energi listrik sudah banyak diaplikasikan di kehidupan masyarakat, baik untuk kebutuhan rumah tangga, pendidikan, kesehatan, maupun kebutuhan industri. Pembangkit Listrik Negara (PLN) selaku penyedia sumber tenaga listrik belum sepenuhnya mampu mensuplai tenaga listrik secara kontinyu. Hal ini diakibatkan beban listrik yang semakinbertambah dan penggunaan listrik oleh konsumen

pada waktu yang bersamaan dengan kuantitas daya yang besar[1].

Kondisi diatas membuat PLN harus menambah kapasitas daya untuk, memenuhi kebutuhan konsumen di Indonesia. Untuk menghindari hal tersebut PLN telah menetapkan Waktu Beban Puncak (WBP) yang terjadi pada jam 17:00 WIB sampai dengan jam 22:00 WIB. Hal ini bertujuan agar konsumen dapat menghemat penggunan listrik pada jam tersebut. Namun berdasarkan kenyataannya WBP terjadi dari jam 18:00 sampai dengan jam 00:00 Wib. Selain itu penggunaan Bahan Bakar Minyak (BBM) yang terbatas menjadi tantangan sendiri bagi PLN selaku perusahaan yang menyediakan pasokan listrik di Indonesia [2].

Untuk mengurangi penggunaan listrik dari BBM, perlu diterapkannya energi terbarukan atau Renewable Energy, sebagai salah satu alternatif energi baru. Energi baru dan terbarukan memiliki peran yang sangat penting dalam memenuhi kebutuhan energi. Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah salah satu Renewable Energy yang sudah sejak lama di aplikasikan. Untuk memaksimalkan

penggunaan

PLTS sebagai sumber listrik, maka perlu dilakukan modifikasi penggunaan energi listrik pada kondisi yang berbeda. Dalam hal ini penulis ingin merancang sebuah sistem dimana penggunaan PLTS dilakukan saat terjadi WBP, dengan tambahan kontrol kapasitas baterai sebelum dialihkan ke beban.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. WBP (Waktu Beban Puncak)

WBP (Waktu Beban Puncak) adalah waktu tertentu tingkat pemakaian daya listrik konsumen yang telah mencapai tingkat puncak kapasitas pembebanan.PLN telah menetapkan waktu beban puncak ini mulai pukul 17:00 WIB sampai dengan 22:00 WIB. Namun pada kenyataannya di setiap daerah memiliki WBP yang berbeda. Ada sebagian daerah terjadinya WBP dimulai pada jam 18:00 sampai dengan 00:00. WBP terjadi disebabkan beban puncak yang melebihi daya pasok dari pembangkit listrik.

Pada saat WBP, konsumsi listrik meningkat drastis dibandingkan luar waktu beban puncak (LWBP).

Vol.2 No.4 2017 74 @2017 kitektro Penggunaan listrik secara berlebihan saat WBP akan

menyebabkan tarif listrik yang dibayar akan lebih mahal dibandingkan saat LWBP. Selain itu pemadaman listrik secara bergilir akan terjadi jika kebutuhan daya pada konsumen lebih besar dibandingkan dengan pasokan daya dari pembangkit

B. PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya)

PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya) adalah peralatan pembangkit listrik yang mengubah cahaya matahari menjadi listrik. PLTS sering disebut juga dengan solar cell atau Solar Photovoltaic. PLTS pada dasarnya adalah pencatu daya (alat yang menyediakan daya), dan dapat dirancang untuk kebutuhan listrik yang kecil sampai besar.,baik secara mandiri, maupun dengan Hybrid

(dikombinasikan dengan sumber energi lain). PLTS termasuk pembangkit yang tergolong mudah, murah, dan ramah lingkungan dan terbarukan. Pada proses pembangkit ini, terjadi proses penyimpanan energy listrik yang dihasilkan oleh modu solar cell atau Photovoltaic. Biasanya energi ini disimpan pada baterai dalam bentuk energi elektrokimia.[4]

Gambar 1. Sistem PLTS [4].

Instalasi listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik, terdiri dari beberapa komponen penting sebagai berikut :

1. Panel Surya (Solar Cell / solar Panel) 2. Charge Controller

3. DC/AC Inverter

4. Baterai C. Charge Controller

Solar Charge Controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban.Solar charge controller

mengatur overcharging (kelebihan pengisian karena baterai sudah penuh) dan kelebihan voltase dari panel surya atausolar cell. Kelebihan voltase dan pengisian akan mengurangi umur baterai.[5]

Gambar 2 Charge Controller [4].

Beberapa fungsi detail dari solar charge controller

adalah sebagai berikut:

1. Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, serta menghindari overcharging, dan overvoltage.

2. Mengatur arus yang dibebaskan atau diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading. 3. Monitoring temperatur baterai

D. Mikrokontroler Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 adalah sebuah Board Arduino yang menggunakan IC mikrokontroler ATMega 2560. Board ini memiliki Port I/O yang relatif banyak, yaitu 54 pin digital input/output, 15 buah diantaranya dapat digunakan sebagai output PWM , 16 buah analog input, 4 UART. Arduino Mega 2560 dilengkapi dengan kristal 16 Mhz.

Modul ini memiliki segala yang dibutuhkan untuk memprogram mikrokontroler seperti kabel USB, dan catu daya melalui adaptor atau baterai.Semua ini diberikan untuk mendukung pemakaian mikrokontroler Arduino, hanya terhubung ke komputer dengan kabel USB atau listrik dengan adaptor dari AC ke DC atau baterai untuk menjalankan proyek arduino.[6]

Gambar 3. Arduino Mega 2560 [6].

E. Baterai

Baterai adalah perangkat yang mengandung sel listrik yang dapat menyimpan energi yang dapat dikonversi menjadi daya. Baterai menghasilkan listrik melalui proses kimia. Baterai atau akkumulator adalah sebuah sel listrikdimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berkebalikan ) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan reaksi elektrokimia reversibel adalah didalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik ( proses

Vol.2 No.4 2017 75 @2017 kitektro uC Arduino RTC SENSOR TEGANGAN DC PLN BATERAI RELAY DRIVER BEBAN INVERTER DISPLAY

pengosongan ) dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia ( proses pengisian ) dengan cara proses regenerasi dari elektroda - elektroda yang dipakai yaitu, dengan melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan didalam sel.

Gambar 4. Baterai 12 VDC [5].

F. Inverter DC To AC

Inverter adalah perangkat elektronika yang dipergunakan untuk mengubah tegangan DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternating Curent). Output suatu inverter dapat berupa tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus (sine wave), gelombang kotak (square wave) dan sinus modifikasi (sine wave modified). Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain.[7]

Gambar 5. Baterai 12 VDC [5].

G. RTC (Real Time Clock)

Real Time Clock ( RTC ) berhubungan dengan waktu, mulai dari detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan, dan tahun. Tetapi IC RTC ini juga biasa dipakai untuk menyimpan data di dalam internal RAM RTC, di mana data tersebut tidak bisa hilang meskipun suplai diputus, hal ini karena di dalam IC RTC tersebut ada baterai yang selalu hidup untuk menjalankan clock-nya, jadi waktu (clock) tetap berjalan meskipun suplai dimatikan. IC RTC ini masih mempunyai kelebihan yaitu bisa dipakai sebagai timer atau alarm.[8]

Gambar 6. RTC [8]

H. Sensor Tegangan DC

Sensor tegangan DC diperlukan dalam perancangan ini untuk mengetahui kapasitas baterai dan output tegangan yang dihasilkan (monitoring tegangan). Hal ini betujuan agar

sesaat sebelum melakukan switching baterai dalam keadaan siap digunakan. Sensor tegangan ini memiliki output 0-25 V, jadi dapat diaplikasikan pada mikrokontroller arduino. Sensor tegangan DC dapat dilihat pada Gambar 2.6.[8]

Gambar 7. Sensor Tegangan DC. [8]

III. METODE

Rancangan sistem ini memiliki 6 komponen utama, yaitu Driver Relay, RTC, Sensor Tegangan, Charge Controller,

Baterai, dan Inverter. Secara umum perancangan sistem desain sistem transfer beban otomatis dapat dilihat pada Gambar 8 dibawah ini :

Gambar 8. Perancangan Sistem Switching Beban Otomatis

Pada Gambar 8 sistem switching akan mendapat input dari sistem apakah dialihkan ke sumber PLN atau ke sumber baterai PLTS. Selanjutnya sistem switching beban dari PLN ke PLTS dapat dilihat pada Gambar 9

Vol.2 No.4 2017 76 @2017 kitektro

Mulai

Definisi Zona Waktu : LWBP, dan WBP

Sistem Waktu mulai Berjalan LWBP Charger Baterai Dengan PLTS Sambungkan PLN Ke Beban WBP Level Baterai Low Sambungkan PLN Ke Beban Sistem di nonaktifkan Selesai Ya Ya Ya Ya Sambungkan Baterai Ke Beban

Gambar 9. Flow chart Sistem Kerja Switching PLTS

Pada gambar 9 merupakan diagram alir perancangan sistem switching PLTS dimulai dengan penetepan waktu LWBP dan WBP. Perancangan sistem dibagi menjadi dua bagian. Saat LWBP terjadi sistem akan melakukan charging

baterai dengan PLTS. Saat masuk waktu WBP akan mendeteksi kapasitas baterai apakah dapat mengalihkan ke beban atau tidak. Apabila sistem menyatakan baterai Low,

maka sumber utama akan tetap disuplai oleh PLN. Apabila baterai mencukupi untuk switching ke beban maka sumber utama akan disuplai oleh PLTS.

I. Menentukan Ukuran Pv

Gabungan dari beberapa PV disebut dengan Modul surya. Gabungan tersebut dapat menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk suplai tegangan. Modul dalam Array PV biasa dihubungkan secara seri untuk mendapatkan voltase yang diinginkan. Adapun susunan secara paralel bertujuan untuk menghasilkan lebih banyak arus sesuai dengan keinginan. Berikut merupakan informasi yang diperlukan untuk menentukan ukuran PV sesuai dengan kebutuhan :

- Tegangan DC (𝑉𝐷𝑐)

- Nilai rata-rata Irradiasi matahari (𝑇𝑠ℎ)

- Nilai rata-rata energi harian yang dibutuhkan dalam Kwh (𝐸𝑑)

Untuk menetukan ukuran PV langkah pertama adalah, menentukan kebutuhan energi rata-rata harian yang dibutuhkan (𝐸𝑟𝑑) yaitu dengan membagi kebutuhan energi

rata-rata harian dengan semua komponen pendukung yang tersebut diatas.[9]

(𝐸𝑟𝑑) = 𝐸𝑑

ηbηi ηc (3.1)

Dimana : _{ηb = Efisiensi baterai (80%)}

ηi = Efisiensi Inverter (95%)

ηc = Efisiensi Charge Controller (95%)

Daya puncak rata-rata (𝑃𝑎𝑣𝑒.𝑃𝑒𝑎𝑘) atau kebutuhan

PV kemudian diperoleh dengan membagi kebutuhan energi rata-rata harian yang dibutuhkan pada jam matahari rata-rata per hari(Tsh).

𝑃𝑎𝑣𝑒.𝑃𝑒𝑎𝑘 = 𝐸_𝑟𝑑 Tsh (3.2)

Arus dc total (𝐼𝑑𝑐) kemudian diperoleh dengan

membagi daya puncak rata-rata dengan tegangan dc (_Vdc ) sistem seperti pada persamaan.

𝐼𝑑𝑐 = 𝑃_{𝑎𝑣𝑒.𝑃𝑒𝑎𝑘}

Vdc (3.3)

Jumlah modul secara seri (𝑁𝑠𝑚) kemudian diperoleh dengan

membagi total tegangan dc dengan tegangan pada masing-masing modul seperti yang dinyatakan dalam persamaan.

𝑁𝑠𝑚 = 𝑉_𝑑𝑐

𝑉𝑟𝑚 (3.4)

Selanjutnya dapat diperoleh jumlah modul parallel (𝑁𝑝𝑚)

dari modul dengan membagi total arus dc (𝐼𝑟𝑚) sistem

dengan salah satu arus dari modul.

𝑁𝑝𝑚 = 𝐼_𝑑𝑐

𝐼𝑟𝑚 (3.5)

Adapun total dari modul PV yang diperlukan untuk membentuk sebuah Array PV adalah dengan mengalikan modul seri dengan module paralel sehingga didapatkan ukuran Array yang dibutuhkan.

Vol.2 No.4 2017 77 @2017 kitektro II. MENENTUKAN KAPASITAS BATERAI

Jenis baterai yang direkomendasikan untuk digunakan pada sistem perancangan PV haruslah jenis baterai yang tahan lama, sehingga pada saat dilakukan pengecasan baterai dapat digunakan bertahun-tahun. Jenis baterai juga harus cukup besar untuk menyimpan energi, sehingga cukup untuk mengoperasikan pada malam hari, berawan, hujan, maupun mendung. Untuk menetukan ukuran baterai terlebih dahulu ditentukan perkiraan kebutuhan beban (𝐸𝑒𝑠𝑡) dari waktu

kebutuhan energi rata-rata harian.( 𝐷𝑎𝑢𝑡).[9]

𝐸𝑒𝑠𝑡 = 𝐸𝑑 x 𝐷𝑎𝑢𝑡 (3.7)

Penyimpanan energi yang aman (Esafe) kemudian dihitung dengan membagi perkiraan penyimpanan energi dengan DOD (Deep Of Discharge)

𝐸𝑠𝑎𝑓𝑒 = 𝐸𝑒𝑠𝑡

𝐷_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ} (3.8)

Kemudian total kapasitas baterai dalam ampere – hours

(Ah)( 𝐶𝑡𝑏) adalah dengan membagi penyimpanan energi

rata-rata dengan tegangan baterai yang digunakan (𝑉𝑏).

𝐶𝑡𝑏 = 𝐸_{𝑠𝑎𝑓𝑒}

𝑉_𝑏 (3.9)

Pada titik ini jumlah total baterai (Nb) kemudian dapat diperoleh dengan membagi kapasitas total baterai bank dalam ampere jam dengan kapasitas salah satu baterai yang dipilih dalam ampere hours (Cb) seperti yang diberikan oleh persamaan

𝑁𝑡𝑏 = 𝐶𝑡𝑏

𝐶_𝑏 (3.10)

Adapun jumlah baterai jika diserikan (𝑁𝑠𝑏) dapat diperoleh

dengan membagi tegangan Dc rata-rata dari baterai.

𝑁𝑠𝑏 = 𝑉_𝐷𝑐

𝑣𝑏 (3.11)

Selanjutnya kita dapat memperoleh jumlah baterai yang disusun secara paralel dengan membagi total baterai dengan jumlah baterai yang disusun secara seri.

𝑁𝑃𝑏 = 𝑁_𝑏

𝑁𝑠𝑏 (3.12)

IV. KESIMPULAN

Berdasarkan desain sistem yang telah di kerjakan, maka dapat disimpulkan bahwa Waktu Beban Puncak (WBP) terjadi di setiap hari pada waktu yang telah ditentukan. Waktu tersebut didapatkan berdasarkan data dari pelanggan yang rata-rata menggunakan beban lebih dari pukul 18:00 hingga pukul 24:00 sebesar x Kwh. Jika sistem ini digunakan oleh satu rumah saja maka tidak menurunkan beban puncak secara signifikan, namum jika yang menggunakan sistem ini adalah sebanyak 1000 rumah, maka akan lebih besar dampak yang dirasakan, baik oleh konsumen maupun PLN sebagai pemasok utama energi listrik. Untuk itu penggunaan sistem transfer beban otomatis pada jam tersebut diharapkan mampu mengurangi penggunaan listrik dari sumber PLN.

Sistem otomatis ini juga akan mendeteksi kapasitas level tegangan baterai pada PLTS , agar pada saat waktu beban puncak yang artinya sedang menggunkan suplai daya dari PLTS, jika mengalami drop tegangan di bawah 30% dari kapasitas baterai, maka secara otomatis akan dialihkan ke sumber PLN. Sebaliknya jika bukan dalam waktu beban puncak, maka sistem akan mengisi daya dari PLTS ke baterai. Dengan adannya sistem pengontrolan level tegangan ini maka peralatan listrik yang digunakan pada saat WBP terjadi akan tetap dalam keadaan suplai tegangan yang stabil.

REFERENSI

[1]. Prih Sumardjati dkk, 2008, Teknik Pemanfaatan Tenaga Listrik, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta

[2]. Triwulan, Y, Hariyanto, N, Anwari, S, 2013, Peramalan Beban Puncak Listrik Jangka Pendek Menggunakan Sistem JST, Jurnal Reka Elkomika-339, Institut Teknologi Nasional.

[3]. Liem Ek Bien, Ishak Kasim & Wahyu Wibowo, 2008, Perancangan sistem hibrid pembangkitListrik tenaga surya dengan jala-jalaListrik pln untuk rumah perkotaan, Jurnal JETri, Universitas Trisakti,Volume 8, Nomor 1, Agustus 2008.

[4]. Mulyadi, Rahmad, 1995, Buku Panduan Pembangkit Listrik Tenaga Surya, Direktorat Teknologi Energi UPT-LSDE, BPPT.

[5]. Anonymous 1, 2012, Charging dan Discharging Baterai Aki pada Panel Surya

http://www.panelsurya.com/index.php/id/batere/charge-and-discharge, di akses pada tanggal 04 April 2017

[6]. Arduino, http://www.arduino.cc

[7]. Sukmawidjaja, M., 2006. Eliminasi Harmonik Guna Perbaikan Bentuk Gelombang Keluaran Tegangan Inverter. JETri,6(1): 9-32. [8]. Giri Woryanto, Dikpride Despa, Endah Komalasari, Noer

Soedjarwanto, 2014, Rancang Bangun Battery Charge Controller Dual Sumber Suplai Beban Dengan PLTS Dan PLN Berbasis Mikrokontroler, Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung. [9]. International Journal of Engineering and Technology Volume 5 No.1,

January, 2015, Design of a stand- Alone Photovoltaic Systemfor a Residence in Bauchi Nigeria. Abubakar Tafawa Balewa University. [10]. Website NASA Surface Meteorology and Solar Energy–RET Screen

Data