Pengaruh Kinerja Maximum Power Point Tracking (MPPT) Terhadap Potensi Daya Listrik pada Turbin Angin Simulasi Menggunakan Matlab-Simulink

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Turbin Angin

Energi angin merupakan bentuk tidak langsung dari energi matahari karena angin terjadi oleh adanya pemanasan yang tidak merata pada permukaan bumi oleh matahari dan perputaran bumi pada porosnya [1]. Gerakan udara adalah energi kinetik angin yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti penggerak generator pembangkit listrik melalui sistem konversi dengan turbin angin [2].

Turbin angin adalah suatu sistem konversi energi angin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi angin menjadi putaran mekanis rotor (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi listrik melalui sebuah generator. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan kapasitas listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt.

2.2 Sistem Konversi 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 dibawah ini:[6]

Gambar 2.1 Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Energi angin telah berkembang ketingkat dimana pengembangannya telah siap diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkit. Teknologi turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama lima belas tahun terakhir hingga akhirnya pengembangannya meliputi penggunaan elektronika daya, pengembangan pada aerodinamis, dan mechanical drive trains design .[7] Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti

ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox[6]. Di dalam teori, daya angin (P) dihitung berdasarkan rumus umum dimana daya angin tersebut bergantung pada :

Sehingga, dari teori diatas dapat kita ketahui daya angin dapat dihitung berdasarkan rumus[7]:

� = �… … … . . .

Dimana _� adalah daya angin, adalah massa jenis udara, adalah kuadrat dari jari-jari turbin, dan _� adalah pangkat tiga dari kecepatan udara.

Daya mekanis (Pm) pada low speed shaft dapat di hitung dengan persamaan dibawah ini:

= � �, � . �… … … .

Dimana _� �, � adalah koefisien performansi, yang mana bergantung kepada sudut bilah turbin (pitch angle) � dan variabel tip speed ratio � = �_� / _� (dimana �� adalah kecepatan sudut dari low speed shaft, R adalah jari-jari turbin, dan �

adalah kecepatan angin). [7]

Koefisien performansi (Cp) dinyatakan sebagai perbandingan antara energi yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut. [8]

Dengan mensubstitusikan persamaan (2.1) dan (2.2) digambarkan dengan � sebagai acuan, di dapatkan persamaan :

� = _�� ��… … … .

Dimana _� adalah torka pada low speed shaft yang didapatkan turbin dari energi angin. [7]

Dari persamaan-persamaan diatas dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan dapat diatur dengan parameter Cp. Parameter ini biasanya diatur dengan cara mengatur pitch angle (�) yakni sudut bilah turbin (blade). [6]

2.3 Karakteristik Turbin Angin

Berikut adalah kurva karakteristik daya pada turbin angin:

Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Daya Pada Turbin Angin [7]

Gambar 2.3 Kurva Karakteristik Cp[6]

Dari kurva diatas dapat kita ketahui bahwa karakteristik dari Cp bergantung pada desain sudu/ bilah turbin yaitu sudut bilah turbin serta tip speed ratio yang dipengaruhi oleh �_� / _�, yaitu kecepatan sudut turbin angin, jari-jari turbin angin, dan kecepatan udara. Oleh karena itu, pengontrolan Cp dilakukan melalui pengontrolan �_� dan �.[6]

Berdasarkan Betz limit, efisiensi turbin angin maksimum adalah dengan nilai Cp maksimum yaitu 0.59. Pada praktiknya, hampir semua turbin angin memiliki efisiensi dibawah 0.5, tergantung pada tipe, desain dan kondisi operasional. [3]

2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin

2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin sumbu Horizontal mempunyai sumber putar yang terletak sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah angin. Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi : Sudu (blade), ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator. Turbin angin sumbu horizontal dibedakan menjadi 2 macam, yaitu:

1. Upwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin.

2. Downwind

Turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah datangnya angin.

2.4.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal

Mesin ini lebih awal, kadang disebut Persian windmill , merupakan evolusi dari kapal layar [1]. Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang pertama kali dibuat manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus, yaitu karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu hingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Turbin angin sumbu vertikal memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.

Beberapa jenis turbin angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut :

1. Savonius Rotor

Turbin angin dengan konstruksi sederhana ini ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk dalam kategori TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) ini memiliki konsep yang cukup sederhana.

2. Darrieus Rotor

3. H-Rotor

Turbin tipe-H adalah variasi dari tipe Darrieus. Keduanya sama-sama menggunakan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu. Perbedaannya adalah tipe H jauh lebih simpel. Bila tipe Darrieus menggunakan bilah yang ditekuk, maka tipe H menggunakan bilah lurus.

Gambar 2.5 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (Sumber : Wind Turbines, Eric Hau)

2.4.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap (Fix Speed Wind Turbine/FSWT)

kecepatan tetap, generator induksi dihubungkan langsung ke grid. Frekuensi dari generator tergantung pada frekuensi grid. Sebuah generator induksi memerlukan daya reaktif sehingga sistem turbin angin dengan kecepatan tetap dilengkapi dengan kapasitor kompensasi shunt. Gambar berikut menunjukkan pembangkitan turbin angin kecepatan tetap [6]:

Gambar 2.6 Skematik Diagram Pembangkit Tenaga Angin Kecepatan Tetap[6]

2.4.4 Turbin Angin Kecepatan Berubah (Variable Speed Wind

Turbine/VSWT)

Turbin angin kecepatan berubah tidak langsung dihubungkan ke grid. Perangkat Elektronika Daya digunakan sebagai penghubung (interface) antara turbin dan grid. Output pembangkit tenaga angin dapat berupa tegangan dan frekuensi yang berubah-ubah (Variable Voltage Variable Frequency) yang tidak sesuai dengan sistem grid. Operasi kecepatan berubah ubah (variable speed) menghasilkan peningkatan penangkapan energi dengan mempertahankan rasio kecepatan sudu terhadap kecepatan angin mendekati nilai optimum [7]. Berikut ini jenis-jenis pembangkitan tenaga angin variable speed dengan menggunakan mesin yang berbeda [6]:

(a)

(c)

Gambar 2.7 Skematik diagram pembangkit listrik tenaga angin dengan (a) generator induksi rotor sangkar, (b) generator induksi rotor belitan, (c) permanent magnet synchronous motor [6]

Pada gambar 2.6 a frekuensi mesin dan kecepatan rotor diatur oleh sistem power electronic converter yang juga memampukan aliran daya aktif dari mesin variable

frequency ke grid constant frequency. Pada gambar 2.6 b power electronic converter mengatur frekuensi dan eksitasi dari rangkaian rotor mesin. Stator mesin

2.5 Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)

Generator merupakan alat konversi energi mekanik menjadi energi listrik. Generator merubah torsi (T) dan kecepatan putar rotor (�) yang diterimanya dari blade menjadi nilai tegangan (V) dan arus (I). Hasil keluaran dari generator ini berupa listrik 3 fasa. [4]

Daya mekanis yang dihasilkan PMSG dapat dihitung dengan persamaan :

� = � . � … … … . . .

Dimana � adalah kecepatan sudut rotor dan � adalah torsi mekanik generator. Untuk daya listrik yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :

� = �. � … … … .

Dimana � adalah tegangan generator dan �adalah arus dari generator Generator sinkron dengan magnet permanen tidak membutuhkan sistem eksitasi karena sumber eksitasi disediakan oleh magnet permanen pada rotor. Kontrol tegangan untuk sistem eksitasi tidak diperlukan, sehingga mengurangi kesulitan dalam sistem kontrolnya. [4]

PMSG biasanya digunakan untuk membangkitkan listrik pada daya rendah , sehingga penggunaan PMSG sesuai untuk pembangkitan listrik tenaga angin untuk skala kecil.[4]

yang rendah, ketahanan, kesederhanaan, dan lebih mudah mengkopling grid, akan tetapi kelemahan utamanya adalah perlunya kompensator faktor daya dan efisiensi yang lebih rendah.[4]

Prinsip dasar generator sinkron yaitu terdapat hubungan antara frekuensi dan kecepatan seperti persamaan berikut :

= = _� … … … .

Dimana adalah kecepatan medan stator, adalah kecepatan medan rotor, adalah frekuensi generator dan adalah jumlah kutub.

2.6 Maximum Power Point Tracking (MPPT)

Maximum Power Point Tracking atau yang sering disebut dengan MPPT

adalah metode pelacakan nilai daya maksimum (MPP) dari suatu sistem. Pada suatu titik tertentu sistem tersebut memiliki daya maksimum. Daya keluaran yang maksimal ini akan menghasilkan efisiensi yang tinggi [4].

2.6.1 Konverter Elektronika Daya

Untuk mensimulasikan turbin angin dengan MPPT, dibutuhkan beberapa rangkaian elektronika daya yang disambungkan pada PMSG untuk membantu pengontrolan MPPT.

2.6.1.1 Three Phase Diode Bridge Rectifier

Rektifikasi adalah sebuah proses dari pengkonversian dari masukan tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan keluaran searah (DC). Sebuah rectifier adalah alat yang mengubah tegangan ac menjadi dc. Pada penyearahan diode, tegangan keluaran tidak dapat dikontrol. Untuk penggunaan pada tegangan tinggi dan dimana sumber tiga fasa digunakan, penyearah yang digunakan tentunya adalah penyearah jembatan tiga fasa. Penyearah dioda adalah tipe penyearah yang paling sederhana, murah dan gampang diterapkan pada elektronika daya. Kelemahan dari penyearah dioda adalah tidak mampu bekerja pada aliran daya bi-directional. [8]

Tegangan rata-rata keluaran dc dari penyearah bisa didapatkan dari persamaan berikut dimana telah dicocokkan dengan induktansi PMSG yang dibutuhkan.

� �� � � � = _�� = √_� � = √_� ��… … … .

Gambar 2.8 Rangkaian Umum Dioda 3 fasa

2.6.1.2 Konverter Step-Up (Boost Converter)

Boost converter adalah sebuah konverter daya DC-DC dengan tegangan keluaran yang lebih besar dari pada tegangan masukan. Konverter ini termasuk jenis switched-mode power supply (SMPS) yang terdiri dari paling tidak 2 semikonduktor dan paling tidak satu elemen penyimpan energi, kapasitor, induktor, atau kombinasi dari keduanya. Filter dibuat dari kapasitor (terkadang dikombinasikan dengan induktor) yang biasanya diletakkan pada keluaran konverter untuk mengurangi ripple pada tegangan keluaran.[8]

Pada penelitian ini, boost converter digunakan untuk mengkontrol kecepatan generator untuk mengoperasikan sistem pada titik daya maksimum (maximum power point / mpp) dengan cara mengganti sikus kerjanya (duty cycle).

Tegangan keluaran boost converter berdasarkan kondisi tegangan masuk dan duty cycle :

� = ��

− … … … . .

Dimana D adalah besarnya duty cycle. Persamaan diatas menunjukkan bahwa tegangan keluaran akan selalu lebih besar dari tegangan masukkan (selama duty cycle naik dari 0 menuju 1), dan hal ini meningkat sesuai D. Inilah sebabnya konverter ini terkadang disebut sebagai konverter step-up.[8]

2.6.2 Pengontrolan MPPT dengan Hill-Climb Search (HCS)

Pengontrolan MPPT dengan algortima kontrol HCS akan secara kontinu melacak titik daya maksimum (MPP) dari turbin angin. Algoritma pelacak ini bergantung pada lokasi dari titik operasi dan hubungan antara perubahan daya dan kecepatan, lalu menghitung sinyal optimum yang diinginkan untuk mengendalikan sistem ke titik MPP.

Pada pengontrolan dengan algoritma HCS ini, algoritma pengendali menggunakan prinsip seperti “melacak-mengingat-menggunakan kembali”[5]. Algoritma pelacakan ini akan memulainya seperti sebuah sistem yang belajar dari keadaan awal seperti memori kosong dengan performa yang belum baik. Selama pelaksanaan, sistem ini akan mencari data dengan metoda pencarian hill-climb, yaitu sistem mencoba mencari data atau seperti mencari pengalaman secara bertahap untuk melatih memori kecerdasan sistem tersebut sehingga pengalaman yang sudah terlatih akan tersimpan pada memori kecerdasan sistem. Kemudian, algoritma pada sistem akan menggunakan data yang telah tersimpan tersebut untuk diaplikasikan dengan pengerjaan yang cepat. Sistem

“melacak-mengingat-menggunakan kembali” ini akan terus mengulangi dirinya hingga akhirnya sebuah sistem memori dengan karakteristik yang akurat telah didapatkan. Karena itu, setelah algoritma telah cukup terlatih, kinerja penarikan daya akan dioptimalkan.[5] Karena memori kecerdasan tersebut dilatih bertahap selama sistem beroperasi, proses seperti ini juga disebut dengan proses pelatihan bertahap.

Gambar 2.11 Struktur sistem pengontrolan dengan HCS lanjutan[5]