SISTEM PLTS ON-GRID DENGAN ENERGY MANAGEMENT SYSTEM
mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar, terutama di daerah dengan suplai BBM dan jaringan listrik yang terbatas. Hal ini juga sejalan dengan kebijakan di sektor energi guna menyediakan energi yang berkelanjutan dan terjangkau bagi seluruh masyarakat serta mencapai target energi baru dan terbarukan dalam bauran energi primer menjadi 23% pada tahun 2025.
BPPT turut aktif mendukung pengembangan ekosistem KBL di Indonesia melalui riset terkait KBL dan pengembangan charging station (CS). BPPT bekerja sama dengan PT Mitsubishi Motors, Kyudenko Co. dan PT. PLN Sumba Barat Daya untuk melakukan studi bersama pemanfaatan energi baru dan terbarukan untuk pengisian daya kendaraan listrik di Pulau Sumba. Dalam kerja sama ini BPPT menyediakan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) di Bilacenge, Sumba Barat Daya yang kemudian disalurkan ke perangkat CS yang dipasang di kantor PLN Tambolaka.
PLTS Bilacenge merupakan PLTS on-grid berkapasitas 400 kWp yang dilengkapi dengan teknologi energy management system (EMS) yang dikembangkan bersama dengan pemerintah Jepang melalui Kyudenko Co. [2]. PLTS mampu menyuplai daya konstan 200 kW ke grid selama 6 jam, mulai pukul 09.00 pagi hingga pukul 15.00 sore, terlepas dari sifat intermitten dari PLTS.
Pengaturan output dan durasi dapat dimodifikasi sesuai dengan kebutuhan.
Keluaran daya PLTS bersifat fluktuatif, sementara untuk pengisian kendaraan listrik memerlukan daya yang stabil. Oleh karena itu, diperlukan pengaturan tambahan pada energy management system (EMS) PLTS Bilacenge untuk mengontrol luaran daya PLTS sehingga bisa menyuplai kebutuhan daya CS. Selain itu, diperlukan juga sistem metering dan jaringan komunikasi berbasis point to point access untuk menghubungkan PLTS di Bilacenge dan CS di kantor PLN Tambolaka.
Dalam penelitian ini dilakukan uji coba pengisian daya kendaraan listrik dengan memanfaatkan sumber energi dari PLTS di remote area dengan memanfaatkan teknologi EMS. Mekanisme ini tidak mengirimkan energi terbarukan langsung ke pengisi daya, namun segera setelah pengisian dimulai, listrik yang berasal dari energi terbarukan segera dikirim ke jaringan PLN atau grid.
METODOLOGI
Sistem PLTS dan EMS existing
Suplai daya untuk proses pengisian baterai KBL berasal dari PLTS. Sistem PLTS Bilacenge memiliki kapasitas 400 kWp yang terbagi menjadi 4 kelompok dengan kapasitas masing-masing 100 kWp. PLTS dilengkapi dengan EMS yang terdiri dari beberapa blok sistem antara lain: 16 unit konverter DC/DC dengan kapasitas tiap unit adalah 25 kW, 6 unit DC/AC inverter berkapasitas masing-masing 50 kW yang terhubung ke smart meter, dan 2 unit blok baterai dengan kapasitas 576 kWh per blok-nya [3].
Konsep EMS yang dikembangkan secara garis besar terdiri dari 3 sistem utama yaitu SPM (smart power management), BMU (battery monitoring unit), dan SMC (smart meter control).
SPM merupakan sistem yang mengatur suplai daya yang berasal dari PV, baterai atau sumber yang lain. BMU digunakan mengontrol charge/discharge dan memonitor data baterai.
SMC mengatur pembacaan data beban dan menerima perintah dari EMS untuk mengirim/memutus daya ke beban. Data-data dari semua komponen ini akan terkumpul di EMS yang kemudian dikalkulasi untuk menyeimbangkan antara suplai dan kebutuhan daya.
Sistem EMS terbagi menjadi 2 bagian blok terpisah yang bekerja secara independen. Namun demikian, luaran kedua blok tersebut bersatu dan terkoneksi dengan jala-jala PLN melalui tegangan menengah 20 kV. Sistem EMS ini didesain agar bisa menyuplai listrik ke grid dengan kapasitas 200 kW konstan setiap harinya dengan durasi sekitar 6 jam [3].
Konfigurasi PLTS Bilacenge dijelaskan pada Gambar 1. PV yang terdiri dari 4 array (100 kW x 4) dihubungkan ke sistem EMS. Luaran PV yang akan masuk ke DC/DC converter 100 kW x 4. Converter ini digunakan untuk mengatur luaran daya DC dari PV disesuaikan dengan kebutuhan daya yang harus disuplai ke beban dengan mempertimbangkan daya baterai. Keluaran daya PV ini terbagi dalam 2 SPM dengan kapasitas masing-masing 100 kW x 2. SPM akan mengatur berapa daya PV yang disuplai langsung ke beban, berapa daya yang harus disuplai ke baterai dan berapa daya yang dibutuhkan dari baterai untuk kompensasi kebutuhan daya beban. Pengaturan charge/discharge baterai dilakukan oleh BMU.
SPM akan menghasilkan luaran daya DC hibrid berasal dari PV dan baterai dengan nilai yang konstan. Luaran daya DC ini kemudian dikonversi
ke daya AC melalui sistem inverter yang tersinkronisasi ke grid, yang diatur melalui SMC.
Dengan sistem ini maka akan dihasilkan suplai daya yang stabil.
Algoritma sistem manajemen energi PLTS sehingga menghasilkan output daya yang konstan 200 kW ditunjukkan dalam Gambar 4. Daya yang dihasilkan dari PV akan masuk ke EMS yang terbagi menjadi 2 blok SPM. Blok 1 akan menyuplai 65% dari kebutuhan daya beban yaitu sekitar 150 kW dan sebagian kecil daya PV akan digunakan untuk pengisian daya baterai blok 1.
Sedangkan SPM blok 2 akan menyuplai 35% daya beban yaitu sekitar 50 kW dan sebagian besar daya PV digunakan untuk mengisi baterai blok 2.
Sehingga total output daya EMS yang berasal dari blok 1 dan 2 sebesar 200 kW. Sistem blok 1 dan blok 2 diatur sehingga bisa menghasilkan output daya yang konstan yang berasal dari PV dan baterai. Apabila radiasi matahari tidak mencukupi maka kebutuhan daya beban akan dikompensasi dari baterai di masing-masing blok. Pembagian fungsi blok 1 dan blok 2 dilakukan secara bergantian setiap harinya untuk menjaga kondisi baterai. Algoritma sistem ini mengacu pada studi yang telah dilaporkan sebelumnya [3]. Algoritma tambahan kebutuhan daya untuk pengisian daya kendaraan listrik akan dijelaskan di sub bab selanjutnya.
Sistem komunikasi wireless access point
Jarak dari PLTS Bilacenge dan perangkat CS di Kantor PLN Tambolaka adalah sekitar 20 km dengan kontur alam agak berbukit. Untuk menghubungkan komunikasi antar kedua sistem ini, dipasang jaringan komunikasi radio link melalui wireless access point [5]. Perangkat outdoor WiFi yang digunakan beroperasi di
frekuensi 2,4 GHz. Frekuensi 2,4 GHz dipilih karena frekuensi yang lebih rendah akan lebih tahan dalam kondisi cuaca yang buruk (hujan).
Selain itu di Sumba Barat Daya jalur udara komunikasi untuk WiFi 2,4 GHz belum terlalu padat seperti di Jawa sehingga interferensi juga relatif kurang [6]. Wireless access point dipasang di PLTS Bilacenge dan kantor PLN di Tambolaka dengan tambahan repeater di kantor Bupati Sumba Barat Daya.
Pada saat pengisian KBL dilakukan di CS kantor PLN Tambolaka, smart meter di panel listrik CS akan mengirimkan informasi ke PLTS di Bilacenge melalui jaringan komunikasi sehingga EMS akan menaikkan suplai dayanya ke jaringan 20 kV. Hal ini dimungkinkan karena adanya komunikasi antara smart meter yang terpasang di panel listrik CS dengan SMC di EMS Bilacenge. Ilustrasi sistem komunikasi point to Gambar 7. Konfigurasi PLTS Bilacenge dilengkapi dengan EMS [4].
Gambar 8. Konfigurasi Jaringan listrik 20 kV dan sistem Komunikasi dari PLTS Bilacenge ke CS,
kantor PLN.
point access antara Bilacenge - kantor Pemda - kantor PLN Tambolaka dan pengiriman daya melalui jaringan listrik 20 kV dapat dilihat pada Gambar 8.
EMS untuk pengisian daya KBL pada CS Tinjauan proses pengiriman daya dan energi dari PLTS ke CS dijelaskan dalam Gambar 3. Pada saat memulai proses charging, smart meter di CS akan mengirimkan sinyal informasi ke SMC EMS di Bilacenge. Selanjutnya, EMS akan mengecek kondisi dan kapasitas dari PV dan baterai. Jika kapasitasnya mencukupi, EMS akan memerintahkan SPM untuk menaikkan injeksi dayanya ke sistem jaringan 20 kV untuk proses pengisian daya kendaraan listrik.
Sistem manajemen energi untuk pengisian daya KBL ditunjukkan dalam Gambar 4. Pada kondisi normal tanpa adanya proses pengisian daya, EMS akan mengirim daya konstan 200 kW ke grid selama 6 jam. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, EMS terdiri dari 2 blok yang berkerja secara independen. Blok 1 disuplai dari SPM 1 yang menyediakan 65% kebutuhan daya beban yang utamanya berasal dari PV. Sedangkan Blok 2 berasal dari SPM 2 yang menyuplai 35%
dari kebutuhan daya, dan sebagian besar sisanya digunakan untuk pengisian baterai. Kebutuhan tambahan daya pada saat terjadi proses pengisian daya kendaraan listrik berasal dari suplai blok 2, seperti yang dijelaskan dalam Gambar 4.
Gambar 9. Proses pengiriman daya dari PLTS ke Charging Station.
Gambar 10. Sistem manajemen energi pada saat pengisian daya KBL.
HASIL DAN PEMBAHASAN
EMS dan CS didesain dapat saling berkomunikasi untuk menyediakan kebutuhan daya CS pada saat proses pengisian daya KBL.
Daya tersebut ditransmisikan melalui jaringan 20 kV PLN. Dari hasil pengujian, diperoleh EMS dapat merespons CS dan menaikkan injeksi dayanya ke jaringan 20 kV. Pada saat ada
pemakaian daya dari CS, terdapat peningkatan pada daya yang dikeluarkan oleh EMS sebesar
±23 kW.
Tampilan konsumsi daya EV charger di system monitoring PLTS dan EMS diperlihatkan pada Gambar 11. Hasil pengujian ditunjukkan dalam grafik pada Gambar 6 - Gambar 15 [7].
Output daya CS ditunjukkan dalam grafik warna merah sedangkan dan output daya EMS-PLTS ditunjukkan dalam grafik warna kuning. Output daya ditampilkan dalam span waktu tertentu (6-12 jam).
Dari hasil pengujian diperoleh bahwa pada saat daya yang digunakan CS ≤ 4.8 W dan kondisi EMS belum bekerja (diluar jam 09.00-15.00) maka tidak terjadi injeksi daya dari EMS. Hasil ini ditunjukkan di output EMS power pada Gambar 5 dan grafik output daya di Gambar 6. Pada saat daya yang digunakan oleh CS sebesar 7.8 kW, 9.5 kW, dan 14.1 kW dan kondisi EMS aktif bekerja (jam 09.00-15.00), terdapat peningkatan daya yang dikeluarkan oleh EMS yaitu sebesar ±23 kW. Hasil pengujian ini ditunjukkan dalam grafik output daya pada Gambar 7 – Gambar 9.
Berdasarkan grafik hasil pengujian di Gambar 7 – Gambar 9 terlihat bahwa pada saat pengisian KBL pada CS berlangsung dan EMS- PLTS dalam kondisi aktif bekerja, EMS berhasil merespons CS dengan menaikkan injeksi daya ke jaringan 20 kV untuk memenuhi kebutuhan pengisian kendaraan listrik. Pengisian daya KBL dari PLTS tidak mengakibatkan gangguan pada jaringan PLN eksisting.
Gambar 11. Kinerja real time EMS-PLTS pada saat charging dengan konsumsi daya CS sebesar 4.7 kW (kotak merah). EMS belum bekerja (output daya = 0).
Gambar 12. Grafik daya CS (merah) dan EMS (kuning) pada saat konsumsi daya CS sebesar 4.8 kW,
PLTS belum bekerja. Dua garis dengan tanda panah merah dan kuning, menujukkan skala dari daya CS
dan PLTS dalam kW, secara berurutan.
Gambar 13. Grafik daya CS (merah) dan EMS (kuning) pada saat konsumsi daya CS sebesar 7.8 kW,
terjadi kenaikan daya EMS.
Gambar 14. Grafik daya CS (merah) dan EMS (kuning) pada saat konsumsi daya CS sebesar 9.5 kW
dan 14 kW, terjadi kenaikan luaran daya PLTS.
Gambar 15. Grafik daya CS (merah) dan EMS (kuning) pada saat konsumsi daya CS sebesar 14.1 kW, terjadi
kenaikan luaran daya PLTS
0-300 0-10
0-20 0-300
0-20 0-300
0-20 0-300
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Pemanfaatan energi dari PLTS untuk pengisian daya KBL dapat dilakukan dengan baik.
Komunikasi menggunakan wireless access point antara CS dengan PLTS yang berjarak 20 km dengan kontur berbukit berhasil dilakukan. PLTS dapat merespons secara real-time kebutuhan daya tambahan yang digunakan untuk pengisian daya KBL dengan teknologi EMS tanpa mengakibatkan gangguan pada grid. Sistem PLTS on-grid berbasis EMS ini bisa digunakan sebagai alternatif sumber energi CS dengan tetap menjaga keandalan jaringan terutama di daerah dengan pasokan listrik yang terbatas.
Saran
Untuk mengetahui keandalan sistem, perlu dilakukan uji coba pengisian daya yang lebih besar dan pengujian pada saat cuaca buruk. Selain itu, juga perlu dilakukan kajian lebih lanjut tentang potensi pemanfaatan dan integrasi dengan alternatif sumber energi terbarukan yang lain seperti hidro, biomass atau sumber energi terbarukan yang lain, disesuaikan dengan potensi EBT tiap daerah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak PT Mistubishi Motors, Kyudenko Co., dan PT PLN area Sumba Barat Daya atas kerjasama studi bersama pemanfaatan energi baru dan terbarukan untuk pengisian daya kendaraan listrik di Pulau Sumba.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Outlook Energy Indonesia, BPPT, 2017.
[2] H. Hilal, Riza, A. Prastawa, and T. Matsumura,
“Turning renewable energy be a dispatchable electric generation through energy management system technology: Sumba smart micro grid case,” 4th IEEE Conf. Power Eng.
Renew. Energy, ICPERE 2018 - Proc., pp. 1–
4, 2018, doi: 10.1109/ICPERE.2018.8739691.
[3] K. Akhmad, Riza, NA. Aryono, H. Hilal,
“PenerapanTeknologi Energy Management System-Kyudenko Pada Sistem PLTS Terhubung Jala-jala di Kabupaten Sumba Barat Daya”, Seminar Nasional Teknologi Bahan dan Barang Teknik, 2019.
[4] Muneishi, H, “Energy Management System in Sumba”, Kyudenko Co., 2018.
[5] A. Kurniasari, K Fauziah, AW. Syamroni. A.
Prastawa, “Pemanfaatan Sistem Komunikasi
Radio Link pada Smart Microgrid Sumba”, Prosiding Paper Konferensi Smart Grid Indonesia, 2016, pp. 78-84.
[6] K. Fauziah, Y. Astriani, T. Zaky, B. Prasetyo,
“Sistem Kontrol Loadsharing PLTS dan PLTD melalui Komunikasi Radio Link pada Microgrid”, Prosiding Paper Konferensi Smart Grid Indonesia, 2016, pp. 85-89.
[7] Laporan Uji Coba Kendaraan Mobil Listrik MiEV di Kabupaten Sumba Barat Daya, BPPT, 2020.