Desain Axial dan Radial Generator Permanent Magnet (Bagian I)

Kebutuhan Energi Listrik sudah menjadi bagian hajat hidup orang banyak , oleh karena itu pembangunan infrastruktur ketenagaan listrik harus memanfaatkan sumber daya energi dan mengandalkan kemampuan dan potensi diri sendiri serta tidak meninggalkan kelestarian fungsi lingkungan dan otonomi daerah.  Pembangunan infrastruktur ketenagaan listrik tidak terlepas dari pembangunan komponen utama pembangitan listrik yaitu generator. Generator merupakan komponen utama pembangkitan listrik yang bertugas sebagai konversi energi dari mekanik ke listrik. Dalam kehidupan ketenagaan , kita mengenal beberapa jenis generator yang salah satu Generator Permanent Magnet atau Permanent Magnet Generator (PMG).

Generator Pemanen Magnet (PMG) merupakan generator sinkron yang medan eksitasi dihasilkan oleh magnet permanen bukan kumparan sehingga fluks magnetik dihasilkan oleh medan magnet permanen. Generator permanen magnet (PMG)  merupakan generator yang biasa digunakan untuk industri maupun ketenagaan , mereka umumnya digunakan untuk mengubah output daya mekanik turbin uap, turbin gas, mesin reciprocating, turbin air dan turbin angin menjadi tenaga listrik untuk grid bahkan sebagai generator pada mobil listrik.

Dalam generator magnet permanen, medan magnet rotor dihasilkan oleh magnet permanen sehingga tidak memerlukan arus eksitasi DC. Magnet Permanen yang besar dan mahal yang membatasi peringkat ekonomi mesin sehingga kepadatan fluks magnet permanen kinerja tinggi terbatas. Kepadatan fluks tersebut juga mengakibatkan fluks sulit diatur sehingga tegangan dan arus keluaran generator tidak dengan mudah diatur seperti  generator dengan lilitan.

Dalam strukturnya aliran fluksnya , generator permanen magnet memiliki 2 jenis , yaitu : Axial Fluks Permanent Magnet dan Radial Fluks Permanent Magnet.

1

Axial Fluks Generator Permanen Magnet (AF PMG) merupakan generator permanen magnet yang memiliki arah medan fluks sejajar dengan sumbu putar . Fluks tersbut merupakan hasil dari gaya tarik menarik antara dua buah magnet permanen yang memiliki kutub yang berbeda.

Axial Fluks Permanent Magnet Sinkron Generator

 

Gambar 1. Axial Fluks Permanent Magnet Sinkron Generator

Penggunaan dua buah magnet yang terletak diantara dua buah slot disk rotor sehingga bahan stator merupakan bahan non-magnetik.  Axial Fluks Generator Permanen Magnet memiliki sejumlah keunggulan yang berbeda dari radial-fluks, yaitu mereka dapat dirancang untuk memiliki (i) Rasio Daya Tinggi, sehingga rasio bahan inti berkurang, (ii) planar dan mudah disesuaikan dengan kondisi udara, (iii) mengurangi kebisingan dan tingkat getaran. Selain itu, arah jalan airgap fluks dapat bervariasi, sehingga menurangi topologi tambahan.

Struktur Fluks AF PMG

Gambar 2. Struktur Fluks AF PMG

Rumus – rumus analisis desain Axial Fluks Generator Permanen Magnet

  • Diameter Permukaan Luar

rumus1

  • Total Diameter Permukaan

rumus2

  • Panjang Rotor Axial

rumus3

  • Panjang inti-rotor dan Inti permanen magnet

 rumus4

ket

Radial Fluks Permanen Magnet (RF PMG) merupakan generator permanen magnet yang memiliki arah fluks radial terhadap sumbu putar sehingga arah fluks searah dengan arah putaran rotor, hal ini dikarenakan fluks dihasilkan oleh magnet magnetik inner-rotor yang letaknya melingkari lilitan bagian luar, sedangkan lilitan terdapat inti dalam yang terhubung pusat rotor.

Radial Fluks Generator Permanen Magnet

Gambar 3. Radial Fluks Generator Permanen Magnet

Radial Fluks Permanen Magnet (RF PMG) ini memiliki keunggulan yaitu mudah dalam pemasangan magnet permanen ke inner – rotor.  Radial Fluks Permanen Magnet (RF PMG) ini strukturnya mirip dengan motor DC maupun motor AC yang berada di digunakan sehari-hari.

 Struktur RF PMG

Gambar 4. Struktur RF PMG

  • Output Power

rumus12

 

  • Emf Maksimum

rumus22

  • Diameter Airgap antara rotor dan stator

rumus32

ket2  

Referensi :

  1. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral.2013. “Rancangan Umum Kelistrikan Nasional (RUKN) 2012-2031”. Kementrian ESDM Republik Indonesia , 13 Februari 2013
  2. Adrian Augustin, dkk. “Axial-flux vs. radial-flux permanent-magnet synchronous generators for micro-wind turbine application”. EPE’13 ECCE Europe ISBN: 978-90-75815-17-7 and 978-1-4799-0114-2
  3. Qiu-ling , X.Peng1, W. Xie. “Design of Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Generators with Soft Magnetic Compound (SMC) stator Core”. 2009. Jurnal of IEEE ,2009 International Conference on Energy and Environment Technology
  4. Mohammadi, M.Mirsalim, S.Vaez-Zadeh, and H.Ali Talebi. “Analytical Modeling and Analysis of Axial-Flux Interior Permanent-Magnet Couplers”.Jornal of IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. 2014

 

Bersambung ………………………..

 

Rahmadi Setiawan , Devisi Mesin Magatrika 2011

Tipe Pembangkit Tenaga Ombak berdasarkan Prinsip Kerja

Oscillating Water Columns

 Oscilating Water Columns merupakan pembangkit yang memanfaatkan ketinggian gelombang air laut. Pada Oscillating water columns , gelombang air laut yang datang akan masuk ke chamber melalui bagian yang berada di bawah permukaan laut. Pergerakan osilasi air laut menyebabkan perbedaan tekanan udara yang terletak di dalam chamber dan di luar chamber. Pada pembangkit ini terdapat sebuah saluran penghubung  yang pada sisi ujung luarnya terdapat turbin. Perbedaan tekanan udara yang dihasilkan akan menimbulkan pergerakan  udara sehingga memutar turbin pada ujung saluran. Turbin yang berputar akan membangkitkan listrik.

1

Gambar 3 diagram kerja Oscilating Water Columns

Sumber : Full Life Cycle Assessment of A Wave Energy Converter, Thompson, R.C. dkk.

 

Hinged Contour Devices

 Pembangkit jenis ini terdiri dari beberapa pelampung yang terhubung satu dengan lainnya oleh sebuah sistem sendi. Sistem sendi akan bergerak membuka dan menutup ketika gelombang air laut datang. Pergerakan sistem sendi akan mendorong lengan hidrolik untukmemompa oli bertekanan tinggi. Oli akan masuk ke smoothing accumulator kemudian menggerakkan motor.  Motor yang berputar mengendalikan perputaran generator sehingga dapat membangkitkan listrik.

2

Gambar 4 contoh alat dengan prinsip Hinged Contour Devices

sumber : http://www.pelamiswave.com

 

Buoyant Moored Devices

 Merupakan jenis pembangkit listrik tenaga ombak yang menggunakan prinsip hukum Archimedes. Pembangkit ini memiliki dua buah bagian yaitu bagian statis dan bagian dinamis. Pada bagian dinamis terdapat pelampung yang akan bergerak ketika mendapat gaya angkat keatas oleh air. Pelampung ini berupa silinder yang terbuat dari baja dan diisi oleh udara. Perbedaan tekanan yang dihasilkan oleh gelombang laut akan digunakan untuk menggerakkan pelampung naik dan turun.Gerakan naik turunnya pelampung inilah yang digunakan untuk menghasilkan energi.

3

Gambar 5 Diagram kerja Buoyant Moored Devices

Sumber : Full Life Cycle Assessment of A Wave Energy Converter, Thompson, R.C. dkk.

 

Overtopping Devices

 Overtopping devices merupakan reservoir air yang akan terisi oleh adanya gelombang air laut. Sistem yang digunakan dalam yaitu sistem pengkonsentrasian gelombang air laut. Sistem ini mengandalkan reflektor dan bagian landainya untuk mengkonsentrasikan gelombang air laut. Setelah gelombang air laut terkonsentrasi maka energi potensial yang terdapat pada gelombang air laut meningkat. Air masuk ke reservoir kemudian keluar melalui saluran yang terdapat di bagian bawah. Air inilah yang digunakan untuk menggerakkan turbin sehingga dapat membangkitkan listrik.

4

Gambar 6 Contoh alat dan diagram kerja Overtopping devices

Sumber : Full Life Cycle Assessment of A Wave Energy Converter, Thompson, R.C. dkk.

 

Author : Deppi Kusuma Aji

 

Short Course : Ketahanan Energi Nasional Oleh : Dr. Ir. Tumiran, M.Eng (Dewan Energi Nasional)

Sumber daya energi terbagi menjadi 2 (dua) yaitu sumber daya energi potensial dan sumber daya energi proven. Sumber daya energi potensial masih memerlukan biaya investasi untuk eksplorasi yang tidak sedikit. Sumber daya energi proven adalah sumber daya energi yang sudah terbukti dapat menghasilkan energi baik produksi aktif maupun berupa cadangan energi. Data produksi energi fosil dalam negeri dari produksi minyak mentah (crude oil), batu bara, maupun gas alam menunjukan bahwa Indonesia tidak memiliki cukup sumber daya energi proven. Oleh karena itu, pengelolaan sumber daya energi di Indonesia sejatinya mulai diarahkan bukan untuk dijual tetapi digunakan untuk meningkatkan nilai tambah (adden value) produksi dengan menggunakan brainware skill.

Dr. Ir. Tumiran, M.Eng, anggota Dewan Energi Nasional mengungkapkan bahwa knowledge lebih mahal nilainya daripada produk hulu, oleh karena itu diperlukan orang-orang yang memiliki skill untuk mentransformasikan ekonomi Indonesia. Beliau juga mengemukakan bahwa transformasi ekonomi dapat dilakukan dengan mempercepat pembangunan infrastruktur listrik di Indonesia. Dengan demikian, peran pemerintah sebagai penyelenggara kebijakan dapat memberikan ruang pada dunia Industri. Pelaku industri di Indonesia dapat menggunakan knowledge dan uang yang dimilikinya untuk menghasilkan produk. Proses industri yang berlangsung di dalam negeri dapat menyerap tenaga kerja. Pada akhirnya industri akan menghasilkan produk yang sampai pada konsumen.

Dewasa ini, data menunjukan bahwa produksi listrik di Indonesia sebesar 40 GW yang digunakan untuk melayani 240 juta penduduk. Sementara jika kita membandingkan dengan data produksi listrik negara tetangga, Malaysia produksi listrik sebesar 28,5 GW untuk melayani 29 juta penduduk, Singapura 10,5 GW untuk melayani 4 juta penduduk, Jepang 27,5 GW untuk melayani 110 juta penduduk, dan China produksi listrik sebesar 1072 GW untuk melayani 1,35 milyar penduduk.

Dengan infrastruktur listrik yang dapat menghasilkan produksi 40 GW, Indonesia dapat menyerap 50.000 tenaga kerja. Sementara untuk menaikan 1 GW infrastruktur listrik di Indonesia, membutuhkan biaya 20 T. Dr. Ir. Tumiran, M.Eng kembali menambahkan bahwa saat ini kita harus berfokus pada adden value dengan menggunakan transformasi brainware skill. Indonesia membutuhkan pemimpin yang memiliki visi, mengingat kondisi Indonesia dimana listrik masih disubsidi oleh APBN sebesar 103 T. Beliau juga menegaskan bahwa saat ini kita harus yakin, kalau tidak yakin kita tidak bisa berkembang. Pertanyaan terbesar bagi pemimpin Indonesia kedepan adalah bagaimana membangun perekonomian yang dapat memberikan nilai tambah (adden value).

Pengelolaan sumber daya energi yang profit oriented membangun mental dagang yang berakibat pengelolaan energi yang tidak suitainable. Sedangkan pengelolaan sumber daya energi yang berfokus pada nilai tambah (adden value) akan menghasilkan brainware skill yang suistainable.

Pada sesi terakhir, Dr. Ir. Tumiran, M.Eng menutup dengan penekankan bahwa saat ini kita tidak hanya harus bekerja keras, tetapi harus bekerja lebih keras lagi. Kita harus kaya, karena kalau kita miskin, harga murahpun kita tidak mampu beli energi.

(Rian Prima Hardiyanto)

VOLTAGE SOURCE INVERTER (VSI) dan ELECTRONIC LOAD CONTROLLER (ELC) untuk KONTROL TEGANGAN DAN FREKUENSI PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH)

Energi yang digunakan untuk pembangkit listrik saat ini sebagian besar berasal dari energi fosil. Selain harganya yang relatif mahal, energi fosil ini juga terbatas persediaanya serta menimbulkan kerusakan pada lingkungan. Oleh karena itu perlu adanya energi alternatif baru yang ramah lingkungan, ekonomis dan renewable. Beberapa alternatif sumber energi tersebut antara lain adalah angin, surya (matahari) serta air.

Indonesia merupakan Negara tropis dengan sumber daya alam yang melimpah. Selain itu, Indonesia juga meupakan Negara kepulauan yang mempunyai banyak dataran tinggi yang mengalir sungai ataupun bahkan air terjun. Oleh karena itu, Indonesia mempunyai potensi yang besar untuk memanfaatkan energi alternatif yang ramah lingkungan, ekonomis dan renewable terutama adalah air. Dengan adanya potensi air ini maka dapat dikembangkan pembangkit-pembangkit listrik tenaga air dengan skala besar maupun kecil.

Pembangkit listrik tenaga air skala kecil yang sedang banyak dikembangkan adalah pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH). PLTMH ini diharapkan dapat membantu memenuhi kebutuhan energi listrik terutama untuk wilayah pedesaan terpencil dan belum terjangkau listrik dari PLN. Sehingga aktifitas masyarakat pedesaan ini bisa lebih dimudahkan.

Pada PLTMH sangat cocok digunakan generator induksi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Kelebihanya adalah pada harga yang murah, perawatan mudah, mesin yang lebih kuat dan tidak memerlukan eksitasi luar. Namun disamping kelebihan tersebut, pada generator induksi juga mempunyai kekurangan yaitu tegangan dan frekuensi keluaran generator induksi sangat sensitif terhadap perubahan beban. Oleh karena itu perlu adanya suatu alat yang digunakan untuk menstabilkan nilai tegangan dan frekuensi keluaran generator induksi akibat perubahan beban.

Salah satu alat yang sering digunakan untuk menstabilkan tegangan dan frekuensi pada generator induksi adalah VSI (voltage source inverter) dan ELC (electronic load converter). Berikut adalah skema VSI dan ELC beserta penjelasannya.

capture
Gambar 1. Skema rangkaian pengatur tegangan dan frekuensi dengan VSI dan ELC

Rangkaian VSI berfungsi untuk mempertahankan tegangan generator induksi selalu berada pada kondisi konstan dengan cara mengatur besaran dari nilai arus reaktif yang masuk ke sistem generator induksi. Sementara rangkaian ELC atau yang sering disebut juga
dengan dump load berfungsi untuk mempertahankan generator selalu pada kondisi beban penuh dengan cara mengatur besaran dari
nilai RMS tegangan yang melewati dump load. Dengan mempertahankan generator selalu berada pada kondisi beban penuh maka frekuensi tegangan dari sistem generator dapat dijaga selalu pada kondisi konstan. maka dengan pemasangan rangkaian VSI dan ELC sebagai pengatur governor elektrik pada sistem generator induksi dapat diatur frekuensi dan tegangan keluaran dari generator induksi tersebut.

captureGambar 2. Rangkaian VSI

Prinsip kerja dari rangkaian VSI adalah menggunakan kapasitor DC sebagai media penyimpanan tegangan sementara yang nantinya tegangan tersebut digunakan sebagai sumber tegangan DC rangkaian VSI. Pada rangkaian VSI tiga fasa terdapat enam buah saklar IGBT seperti pada gambar 2. Untuk mengatur keluaran VSI agar sesuai dengan tegangan dan frekuensi sistem maka dilakukan teknik pensaklaran IGBT menggunakan sinusoidal pulse width modulation (SPWM). Pensaklaran ini ditentukan oleh perubahan arus yang masuk ke VSI yang kemudian dibandingkan dengan arus referensi sehingga dapat diunakan untuk menentukan besarnya duty cycle penyaklaran.

captureGambar 3. Rangkaian ELC

Sementara untuk mengatur besarnya pembebanan ELC digunakan back to back thyristor. Tujuan pemasangan back to back thyristor adalah untuk mengatur besarnya tegangan dan arus pada ELC, karena dengan pemasangan thyristor secara antiparalel maka siklus positif dan negatif yang akan melewati beban ELC dapat diatur besarnya melalui sudut penyulutan thyristor. Pembebanan yang digunakan pada ELC ini adalah beban resistif murni. Beban resistif tersebut disusun sedemikian rupa sehingga terhubung delta agar menghasilkan arus fasa yang maksimal. Pada rangkaian ELC atau pengontrol pembebanan AC beban resistif dan back to back thyristor disusun secara seri seperti ditunjukkan pada gambar 3.

Back to back thyristor memiliki peran yang penting pada ELC dalam pengaturan tegangan dan arus yang akan disuplai ke beban resistif. Besarnya tegangan dan arus yang disuplai ke beban resistif ditentukan oleh besarnya sudut penyulutan pada back to back thyristor. Semakin besar sudut penyulutan pada gate masing-masing thyristor akan semakin besar pula nilai tegangan rms dan arus rms yang disuplai ke beban resistif.

Referensi :

1. Satriawisesa Y.B. dan Riawan D.C. (2013). “Pengaturan Tegangan dan Frekuensi Generator Induksi Tiga Fasa Penguatan Sendiri Menggunakan Voltage Source Inverter dan Electronic Load Controller”. Jurnal Teknik Pomits Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6.

2. Ardiansyah H., Riawan D.C., Anam S. (2012). “Studi Regulasi Output Generator Induksi dengan Voltage Source Inverter”.

Oleh: Toni (Magatrika 2010)

Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Kebanyakan dari kita tidak berpikir banyak tentang darimana kita mendapatkan energi listrik, hanya tahu listrik tersedia dan berlimpah. Listrik yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, minyak dan gas bumi, memancarkan karbon dioksida, nitrogen oksida dan sulfur oksida.

Antara tahun 1984 dan 1991, Amerika Serikat membangun sembilan pembangkit listrik energi surya seperti di Gurun Mojave California, dan hari ini mereka terus memberikan kapasitas gabungan sebesar 354 megawatt per tahun, daya yang digunakan dalam 500.000 rumah di California.

 Diperkirakan oleh US National Laboratories Energi Terbarukan dari tenaga panas matahari bisa menyediakan ratusan gigawatt listrik, sama dengan lebih dari 10 persen dari permintaan listrik di Amerika Serikat.

 ‘’Lalu, Bagaimana Cara Kerja Pembangkit Listrik Energi Surya untuk menghasilkan listrik yang ramah lingkungan dan tanpa menghasilkan karbon? Mari kita cari tahu!’’

 Sistem Energi Surya

 Ada dua jenis sistem energi surya: pasif dan aktif. Sistem pasif tidak memerlukan peralatan, seperti ketika panas menumpuk di dalam mobil ketikadiparkir di bawah sinar matahari. Sedangkan sistem yang aktif memerlukan beberapa cara untuk menyerap dan mengumpulkan radiasi matahari dan kemudian menyimpannya.

Pembangkit listrik termal tenaga surya adalah sistem aktif. Ada beberapa kesamaan dasar dari beberapa jenis pembangkit tenaga surya yakni: Cermin memantulkan dan mengkonsentrasikan sinar matahari, dan penerima mengumpulkan energi matahari serta mengubahnya menjadi energi panas. Sebuah generator kemudian  digunakan untuk menghasilkan listrik dari energi panas ini.

capture

 Komponen Penting dari Pembangkit Listrik Tenaga Surya:

 1. Cermin

Cermin dibentuk seperti setengah pipa dan linear, berbentuk reflektor parabola ditutupi dengan lebih dari 900.000 cermin dari utara-selatan secara sejajar dan mempunyai poros putaran mengikuti matahari ketika bergerak dari timur ke barat di siang hari.

 Karena bentuknya, jenis pembangkit ini bisa mencapai suhu operasi sekitar 750 derajat F (400 derajat C), mengkonsentrasikan sinar matahari pada 30 sampai 100 kali intensitas normal perpindahan panas-cairan atau air/uap pipa. Cairan panas yang digunakan untuk menghasilkan uap, dan uap kemudian memutarkan turbin sebagai generator untuk menghasilkan listrik.

 2. Menara/Tower

Menara listrik bergantung pada ribuan heliostats, yang besar, cermin datar matahari sebagai pelacakan, untuk fokus dan mengkonsentrasikan radiasi matahari ke penerima menara tunggal. Seperti halnya pada palung cermin parabola, transfer cairan panas atau uap dipanaskan dalam receiver (menara yang mampu mengkonsentrasikan energi matahari sebanyak 1.500 kali), kemudian diubah menjadi uap dan digunakan untuk menghasilkan listrik dengan turbin dan Generator.

Desain menara listrik masih dalam pengembangan, akan tetapi suatu hari nanti bisa direalisasikan sebagai pembangkit listrik grid-connected memproduksi sekitar 200 megawatt listrik per tower.

3. Mesin

Dibandingkan cermin parabola dan menara listrik, sistem mesin adalah produsen kecil (sekitar 3 sampai 25 kilowatt). Ada dua komponen utama: konsentrator surya dan unit konversi daya (mesin / genset). Mesin ini menunjuk dan melacak matahari dan mengumpulkan energi matahari,sserta mampu mengkonsentrasikan energi sekitar 2.000 kali.

 Sebuah penerima termal, serangkaian tabung diisi dengan cairan pendingin (seperti hidrogen atau helium), berada di antara piring dan mesin. Hal ini bertujuan untuk menyerap energi surya terkonsentrasi dari piringan, kemudian mengkonversi panas dan mengirimkan panas ke mesin di mana berubah menjadi listrik.

 Penyimpanan Energi Panas

 
Sistem panas matahari adalah solusi energi terbarukan yang menjanjikan karena matahari adalah sumber daya yang melimpah. Kecuali dimalam hari. Atau saat matahari terhalang oleh awan. Sistem penyimpanan energi panas tekanan tinggi pada tangki penyimpanan cairan digunakan bersama dengan sistem panas matahari untuk memungkinkan pembangkit menyimpan energi potensial listrik. Penyimpanan off-peak adalah komponen penting untuk efektivitas pembangkit listrik panas matahari.

Tiga teknologi TES  (Thermal Energy Storage) primer telah diuji sejak 1980-an ketika  pembangkit listrik termal pertama dibangun dengan sistem langsung dua-tangki, sistem tidak langsung dua-tank dan sistem termoklin tunggal-tank.

Dalam sistem langsung dua-tangki, energi panas matahari disimpan tepat di tempat yang sama dengan  transfer cairan panas yang dikumpulkan. Cairan ini dibagi menjadi dua tank, satu tangki penyimpanan pada suhu rendah dan yang lain pada suhu tinggi.

Cairan yang disimpan dalam tangki suhu rendah berjalan melalui kolektor surya pembangkit listrik di mana dipanaskan dan dikirim ke tangki suhu tinggi. Cairan disimpan pada suhu tinggi dikirim melalui penukar panas yang menghasilkan uap, yang kemudian digunakan untuk menghasilkan listrik di generator. Dan setelah melalui penukar panas, cairan kemudian kembali ke tangki suhu rendah.

Sebuah sistem tidak langsung dua-tangki berfungsi pada dasarnya sama dengan sistem langsung kecuali bekerja dengan berbagai jenis transfer panas cairan, biasanya dengan harga yang mahal atau tidak dimaksudkan untuk digunakan sebagai cairan penyimpanan. Untuk mengatasi hal ini, sistem tidak langsung melewati cairan suhu rendah melalui penukar panas tambahan.

Berbeda dengan sistem dua tangki, sistem termoklin tunggal-tank menyimpan energi panas sebagai padatan, biasanya berbentuk pasir silika. Di dalam sebuah tangki tunggal, bagian padat disimpan dari suhu rendah ke suhu tinggi, dalam gradien suhu, tergantung pada aliran cairan.

 Untuk tujuan penyimpanan, transfer cairan panas mengalir ke bagian atas tangki dan mendingin karena perjalanan ke bawah, keluar sebagai cairan suhu rendah. Untuk menghasilkan uap dan menghasilkan listrik, proses dibalik.

Sistem panas matahari yang menggunakan minyak mineral atau garam cair sebagai media transfer panas yang utama untuk TES, tapi sayangnya tanpa penelitian lebih lanjut, sistem yang berjalan di atas air/uap tidak dapat menyimpan energi panas.

 Oleh :Immanuel M Sitinjak (Magatrika 2011)

PERENCANAAN PERLUASAN KAPASITAS GARDU INDUK DENGAN MEMPERHATIKAN KEHANDALAN

Gardu induk memegang peranan yang sangat penting dalam sistem tenaga listrik, karena sebelum listrik dapat didistribusikan ke pelanggan, tegangannya harus diturunkan dahulu melalu gardu induk, oleh sebab itu rencana perluasan kapasitas gardu induk harus dapat direncanakan dengan sangat baik, sehingga kehandalan sistem dapat terjaga. Paper ini mengajukan sebuah metodologi untuk rencana pengembangan kapasitas trafo utama pada gardu induk dengan menggunakan indeks Loss of Load Expectation (LOLE). Untuk memeriksa kehandalan sistem distribusi, 6 area pelayanan Taipower di daerah Fengshan dipilih untuk menjadi sampel perhitungan. Peramalan beban puncak tahunan untuk tiap-tiap area dalam 20 tahun kedepan menggunakan data beban pada tahun-tahun sebelumnya (time series). Dengan menggunakan Forced Outage Rate (FOR) dari tiap-tiap trafo pada gardu induk, dapat diperoleh LOLE untuk masing-masing area. Rencana perluasan kapasitas trafo utama kemudian diperoleh dengan mengadakan trafo baru pada tahun dimana LOLE telah melewati kriteria yang telah ditentukan. Untuk meningkatkan kehandalan sistem lebih jauh, kemampuan kapasitas hantar dari trafo utama dengan kekangan dari kapasitas saluran hubung antar gardu induk juga dipertimbangkan. Ditemukan bahwa perencanaan perluasan dari trafo utama dengan menggunakan metode diatas dapat memberikan efektivitas yang lebih baik dari segi biaya atas investasi trafo untuk memuaskan kehandalan layanan.

Metode runtun waktu digunakan untuk peramalan beban di perusahaan distribusi listrik Taipower. Indeks reliability biasanya diperkirakan dengan menggunakan System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) dan System Average Interruption Duration Index (SAIDI) [1]. Untuk mengumpulkan data ini diperlukan usaha yang besar, karena kita harus menghitung banyaknya dan lamanya kegagalan yang terjadi pada sistem di setiap area, belum lagi data tersebut tidak dapat menjelaskan hubungan antara kebutuhan beban dan kapasitas yang tersedia. Indeks SAIDI dan SAIFI dari sistem Taipower mulai dari tahun 1998 sampai 2003 ditunjukkan pada Tabel I dan tabel II.

 TABEL I : SAIDI dari Taipower (Menit/kostumer-tahun)

Kegagalan 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Tak terjadwal 12.59 9.82 7.80 7.75 7.046 4.841
Terjadwal 95.91 83.63 73.18 71.20 58.04 34.89
Total 108.5 93.45 80.98 78.95 65.086 39.736

TABEL II :  SAIFI dari Taipower (Gangguan/kostumer-tahun)

Kegagalan 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Tak terjadwal 0.269 0.212 0.192 0.215 0.188 0.166
Terjadwal 0.340 0.308 0.299 0.279 0.226 0.141
Total 0.609 0.520 0.491 0.494 0.414 0.307

Untuk meningkatkan kehandalan layanan, pembangunan saluran hubung baru dan memperbesar kapasitas trafo utama, dipergunakan di Taipower. Daerah Fengshan dibagi menjadi beberapa area layanan berdasarkan kondisi geografis. Beban puncak tahunan dari tiap trafo utama selama 5 tahun belakangan telah digunakan untuk memprediksi permintaan beban di10 tahun yang akan datang. Ketika beban puncak di suatu area telah mencapai 70% dari total kapsitas trafo, atau faktor pembebanan dari trafo lebih besar dari 90%, trafo baru perlu ditambahkan. Dengan metode ini, kemungkinan kegagalan (Probability Outage) dari trafo utama tidak dipertimbangkan dan indeks kehandalan sistem LOLE tidak tidak dapat disediakan.

PERAMALAN BEBAN DI DAERAH LAYANAN

 Untuk meningkatkan efektivitas dari perencanaan sistem distribusi, permintaan beban untuk area pelayanan pada tahun-tahun yang akan datang harus bisa diprediksi. Dengan ini, kapasitas dari trafo yang akan ditambah dapat diketahui. Pada paper ini, peramalan dengan metode runtun waktu (time series) digunakan untuk memprediksi pertumbuhan beban dengan mempertimbangkan puncak pembebanan dari tiap trafo untuk beberapa tahun kedepan.

Untuk daerah Fengshan, keseluruhan layanan dibagi menjadi 5 area sesuai dengan kondisi geografis. Tabel III menunjukkan area-area tersebut dengan beban puncak tahunan selama tahun 1992 – 2002 [2]. Dengan melaksanakan peramalan beban dengan metode runtun waktu, permintaan beban pada tahun-tahun yang akan datang untuk tiap area pelayanan dapat diperoleh. Untuk melayani pelanggan, ada terdapat 5 gardu induk dengan 11 trafo utama yang telah terpasang di area pelayanan Fengshan.

 TABEL III: Beban Puncak Tahunan Untuk Masing-Masing Area (MW)

 capture

 Model permintaan beban pada masing-masing area telah diperoleh dengan analisis regresi linear berdasarkan data beban pada tahun-tahun sebelumnya untuk seluruh gardu induk. Tabel IV menunjukkan prediksi beban dan faktor  pembebanan trafo utama dari 2003-2022. Dari tabel tersebut, diperoleh bahwa faktor pembebanan dari area Fengshan telah melewati 70%, yang mengharuskan  pengadaan trafo utama sesuai dengan kriteria perencanaan Taipower. Berdasarkan peramalan beban tahunan dan kapasitas dari trafo, indeks LOLE dapat diperoleh dengan menggunakan faktor ketersediaan (availability) untuk tiap tiap unit trafo.

  LOSS OF LOAD EXPECTATION (LOLE)

 Data kapasitas dari trafo utama dapat digabungkan dengan data pembebanan puncak untuk menghasilkan indeks LOLE untuk tiap-tiap area layanan. Dalam paper ini, kehandalan sistem distribusi, LOLE, digunakan untuk merepresentasikan banyaknya hari pada satu tahun yang mana beban puncak harian akan melewati kapasitas yang tersedia. LOLE dapat dihitung dengan persamaan (1).

 capture

Dimana Ci = Kapasitas tersedia dari trafo pada hari ke-i
Li= Ramalan beban puncak pada hari ke-i
Pi(Ci-Li)= Kemungkinan kehilangan beban pada hari ke-i

 TABEL IV : Ramalan beban puncak tahunan pada area Fengshan dan faktor penggunaan trafo utama

capture

Gambar 1 menunjukkan hubungan dari beban puncak dengan kapasitas trafo dalam 365 hari. Indeks LOLE

 capture

Gambar 1. Hubungan antara permintaan beban, kapasitas dan cadangan

 1. Analisis Kehandalan dari Area Fengshan

Di area Fengshan, terpasang 5×60 MVA trafo dan 2×25 MVA trafo untuk melayani pelanggan di daerah layanannya. Ketersediaan dan FOR dari trafo utama ditentukan dengan nilai kegagalan harapan  (Expected Failure Rate) dan nilai perbaikan [3].

capture

Tabel V menunjukkan besarnya kegagalan dari 11 trafo utama dan kemungkinan yang yang terjadi pada are pelayanan Fengshan. Kemungkinan individual dari tak tersedianya daya 25 MW adalah 0.07867 dan kemungkinan kumulatif untuk tak tersedianya daya lebih dari 25 MW adalah 0.1560

 TABEL V : KAPASITAS DAYA TAK TERSEDIA PADA TRAFO DAN KEMUNGKINAN DI DAERAH FENGSHAN

 capture

 Untuk mengetahui dampak dari perluasan kapasitas trafo dan pertumbuhan beban sistem terhadap indeks LOLE, beberapa unit berbeda dari trafo utama dengan kapasitas 60 MVA dipertimbangkan pada paper ini. Tabel VI dan Gambar 2 menunjukkan banyaknya hari harapan pada beban puncak harian yang akan melewati kapasitas yang tersedia.

Didapatkan bahwa indeks LOLE sistem meningkat seiring dengan pertumbuhan beban puncak. Sebaliknya, LOLE dari sistem akan berkurang ketika ditambahkan unit-unit trafo baru dengan tingkat pembebanan puncak yang sama. Singkatnya, LOLE didapatkan 4.84 hari/tahun jika 11 unit trafo utama yang ada sebesar 450 MVA digunakan untuk melayani sistem dengan beban puncak 450 MW. Dengan menambahkan satu trafo utama untuk menyediakan kapasitas cadangan sebesar 60 MVA, LOLE berkurang menjadi 0.42 hari/tahun.

TABEL VI : Indeks LOLE dari area Fengshan untuk beberapa kapasitas trafo utama

 capture

 Pada gambar 2, kita dapat menentukan dengan mudah kapan waktu yang tepat untuk membangun unit transformer baru untuk mempertahankan kehandalan sistem. Sebagai contoh, dengan beban puncak yang diramalkan pada tabel III, tambahan unit trafo 60 MVA akan dibutuhkan pada tahun 2003, 2006, 2011, 2016 dan 2023 agar indeks LOLE sistem dapat tetap dibawah 0.001 hari/tahun seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.

capture Gambar 2 Indeks LOLE dari area Fengshan

 Gambar 3 menunjukkan indeks LOLE dari area layanan Siagong untuk beberapa kapasitas trafo yang berbeda pada beban puncak yang beragam. Kapasitas total dari trafo utama pada area ini adalah 460 MVA. Kapasitas tak tersedianya dan nilai kemungkinan yang berkaitan dicari berdasarkan nilai FOR dari trafo dan ditunjukkan pada tabel VII. Indeks LOLE dari trafo yang sudah ada untuk melayani beban puncak 450 MW didapatkan sebesar 4.9949 hari/tahun. Dengan menambahkan satu unit trafo 60 MVA, indeks LOLE akan berkurang menjadi 0.0769 hari/tahun. Untuk menjaga indeks LOLE dalam kriteria 0.001 hari/tahun, 5 unit trafo harus dipasang pada tahun 2018, 2025, 2031, 2038 dan 2044 berturut-turut, yang telah diilustrasikan pada gambar 3.

 capture

 Gambar 3. Indeks LOLE dari area Siaogang untuk kapasitas trafo yang berbeda.

 TABEL VII : Indeks LOLE dari beberapa kapasitas trafo di daerah Siaogang

 capture

 IV. KEHANDALAN LAYANAN PADA AREA YANG TERINKONEKSI

Untuk meningkatkan keuntungan pada sisi biaya  dari perencanaan perluasan trafo utama, kapasitas cadangan yang disediakan oleh area tetangga harus dipertimbangkan. Dengan cara ini, area yang berdekatan yang terinterkoneksi dapat direpresentasikan sebagai unit trafo yang setara. Kapasitas dari trafo yang setara tersebut ditentukan oleh batas cadangan dan kekangan kapasitas tie line. Disamping itu,nilai kemungkinan dari unit yang setara tersebut didapatkan dari FOR unit trafo yang tersedia. Dengan memperhatikan kemampuan batas cadangan dari area yang berdekatan, waktu untuk menambah unit trafo baru untuk mempertahankan kehandalan sistem dapat ditunda dan faktor pembebanan dari seluruh trafo utama dapat ditingkatkan.

 A. Modifikasi perencanaan perluasan dari area Fengshan

Untuk mengetahui dampak dari batas cadangan dari trafo di area terinterkoneksi terhadap indeks LOLE pada area Fengshan, 2 area lain yang berdekatan, Renwu dan Siaogang diikutkan dalam simulasi. Total kapasitas yang tersedia pada trafo utama di Renwu dan Siaogang adalah 200 MVA dan 460 MVA berturut-turut. Dengan menjumlahkan kapasitas dari tie line antara Fenshan dan area lainnya, kapasitas cadangan yang bisa disediakan oleh Renwu dan Siaogang adalah 25 MVA untuk masing-masingnya. Dengan memasukkan kapasitas trafo yang setara dan mempertimbangkan nilai kemungkinan yang berkaitan dari area-are yang berdekatan, nilai LOLE dari area Fenshan telah dimodifikasi seperti yang diilustrasikan pada gambar 4 dan tabel VIII. Untuk menjaga kehandalan layanan yang sama dengan LOLE 0.001 hari/tahun dengan nilai beban puncak ramalan, unit trafi 60 MVA yang baru harus dibangun pada tahun 2009, 2112, 2117, 2121 berturut-turut. Dengan membandingkan gambar 4 dan gambar 2, dapat ditemukan bahwa investasi biaya trafo baru dapat ditunda jika kapasitas cadangan dari area yang berdekatan dipertimbangkan dalam evaluasi kehandalan sistem.

 capture

 Gambar 4. Nilai LOLE yang dimodifikasi pada area Fengshan untuk beberapa nilai kapasitas trafo.

 TABEL VIII : Nilai LOLE yang dimodifikasi pada area Fengshan
capture

 Gambar 5 menunjukkan nilai LOLE yang direvisi pada area Fengshan setelah diikutkan kapasitas cadamgam 50 MVA yang disediakan oleh area yang berdekatan. Untuk melayani beban puncak sebesar 425 MW dengan kapasitas 450 MVA yang tersedia, nilai LOLE diperoleh sebesar 1.5246 hari/tahun seperti yang ditunjukkan pada tabel VI. Akan tetapi LOLE berkurang menjadi 0.1131 hari/tahun jika kapasitas cadangan 50 MVA diiktkan pada analisis.

 capture

 Gambar 5. Nilai LOLE pada daerah Fengshan

  V.            KESIMPULAN

 Untuk memperoleh rencana perluasan kapasitas trafo yang optimal seiring dengan pertumbuhan beban pada sistem distribusi, data permintaan beban puncak pada tahun-tahun sebelumnya harus dikumpulkan. Dengan melaksanakan analisis regresi, model runtun waktu untuk peremalan data dapat diperoleh. Menurut nilai FOR dari trafo utama, nilai LOLE dapat dievaluasi. Rencana perluasan dari trafo utama untuk menjaga kehandalan sistem dapat diperoleh. Untuk peningkatan lebih jauh dalam kepentingan biaya dari perencanaan perluasan trafo, kapasitas cadangan trafo area yang berdekatan dapat dipertimbangkan dan direpresentasikan sebagai unit trafo yang setara dengan nilai kemungkinan yang sesuai. Kehandalan layanan pada sistem distribusi dapat ditingkatkan secara efektif dengan kapasitas cadangan yang disediakan oleh area yang berdekatan. Disamping itu, perngadaan trafo baru dapat ditunda dan faktor pembebanan dari trafo yang sudah ada dapat ditingkatkan dengan strategi perluasan yang diajukan tersebut.

  VI.            REFERENSI

 [1]   G. J. Luo, Service reliability of distribution system, Taiwan Power Company training center, 1987.

 [2]  “Distribution annual reports,” Taiwan Power Company, 2002.

[3] Roy Billinton and Ronald N. Allan, “Reliability Evaluation of Power Systems,” Second Edition, 1996.

 [4]  IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Standard 493-1997.

Oleh : Beny Septian Pardede (Magatrika 2011)

Problematika Sistem Elektronika Daya

Elektronika daya merupakan bentuk aplikasi rangkaian elektronik untuk mengontrol suatu konverter daya dengan tujuan menghasilkan suatu tegangan AC ataupun DC yang dapat diatur untuk beban yang berbeda-beda.

Pada dasarnya, suatu sistem elektronika daya tersusun dari rangkaian daya dan rangkaian elektronik. Rangkaian daya berfungsi untuk mengubah daya masukan baik itu AC maupun DC yang belum terregulasi menjadi tegangan atau arus DC/AC yang sudah terregulasi dan mengirimkannya ke beban. Sedangkan rangkaian elektronik bertugas mengatur konverter tersebut dengan cara mengendalikan tegangan ataupun arus masukan serta keluaran dan menghasilkan suatu sinyal tertentu yang kemudian akan diproses oleh rangkaian daya.

Target utama dari suatu sistem elektronika daya adalah mengirimkan daya dengan efisiensi semaksimum mungkin dan juga biaya yang serendah mungkin. Yang menjadi pokok masalah dalam perencangan suatu sistem elektronika daya adalah losses, gangguan gelombang elektromagnetik, dan harmonik.

Pada era modern ini, sistem elektronika daya menggunakan basis Pulse Width Modulation (PWM). Sinyal PWM dihasilkan dan ditransfer ke bagian power switch untuk menghasilkan gelombang yang sama untuk nilai tegangan atau arus yang berbeda. Yang mana power switch akan memotong tegangan atau arus saat power switch turn on dan turn off. Idealnya drop tegangan dan arus leakage yang muncul saat terjadi switch sama dengan nol atau bisa dikatakan tanpa rise time atau pun fall time.
capture

Namun dalam prakteknya, tidak ada power switch yang ideal sehingga saat switching akan ada keadaan transien yang mengakibatkan losses yang cukup besar terkait perubahan tegangan tiap satuan waktu (dv/dt) dan perubahan arus tiap satuan waktu (di/dt). Losses ini disebut sebagai switching loss, dimana besar losses-nya tergantung besar tegangan, arus yang mengalir, dan switching time dari switch tersebut.

Saat switch off, arus bocor yang mengalir pada switch tersebut terbilang sangat kecil sehingga kita bisa mengabaikan rugi-rugi energi yang muncul. Namun saat switch on, besar rugi-rugi energi bergantung pada arus yang melewati switch tersebut dan forward voltage switch tersebut, losses yang muncul pada kondisi ini disebut sebagai conduction loss. Berikut ini adalah rumusan untuk rugi-rugi daya akibat switching:
capture

Dimana fsw merupakan frekuensi switching, t1 dan t2 merupakan waktu saat sinyal pemicu switch on dan switch off diterapkan, tsw on dan tsw off merupakan switching times keadaan turn on dan turn off.

Semakin besar losses yang terjadi maka efisiensi dari suatu sistem elektronika daya akan semakin menurun. Selain itu, sebagian besar losses tersebut berwujud energi panas yang akan meningkatkan suhu suatu sistem elektronika daya hingga pada suatu titik ketika suhunya sudah terlalu tinggi, akan berakibat pada kerusakan piranti sistem elektronika daya. Untuk mengatasi kenaikan suhu ini biasanya rangkaian akan dilengkapi dengan heat sink. Akan tetapi hal ini akan berakibat pada membengkaknya biaya, sehingga masalah efisiensi tetap tidak terselesaikan.

Sebagai solusi lain, losses yang mana sebagian besar disebabkan oleh switching loss ini bergantung pada switching time dan frekuensi switching. Sehingga switching loss dapat dikurangi dengan mengurangi switching time, namun hal ini berakibat pada semakin cepatnya proses switching yang akan mempengaruhi dv/dt dan di/dt yang kemudian akan berimbas pada EMI noise. Berikut adalah ilustrasi dari dua nilai switching time yang berbeda:
capture

Sedangkan pengurangan frekuensi switching dapat menurunkan losses yang ditimbulkan namun akan menimbulkan ripple arus dan tegangan. Sehingga untuk meningkatkan kualitas gelombangnya diperlukan suatu filter yang lebih baik dan hal ini kembali akan meningkatkan biaya yang dibutuhkan untuk pembuatan suatu sistem elektronika daya.

Permasalahan kedua dalam perancangan suatu sistem elektronika daya adalah munculnya interferensi gelombang elektromagnetik atau EMI yang muncul terkait nilai dv/dt dan di/dt selama switching time. Nilai di/dt yang besar akan mengakibatkan terjadinya over voltage pada sistem elektronika daya, sedangkan nilai dv/dt yang terlampau tinggi akan memunculkan arus bocor yang besar pada elemen magnetik dan motor listrik.

Hal ini dapat diatasi dengan memperkecil nilai dv/dt dan di/dt yang artinya kita harus memperbesar nilai switching time. Akan tetapi peningkatan nilai switching time akan berakibat pada meningkatnya switching loss. Sehingga untuk mengatasi hal ini, perlu dilakukan optimisasi nilai switching time sehingga losses dan EMI noise yang muncul tidak terlampau besar.

Masalah ketiga dalam perancangan suatu sistem elektronika daya adalah harmonik, yang mana harmonik merupakan gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Pada dasarnya output dari suatu rangkaian pengendali sinyal PWM tidak bisa murni terbebas dari harmonik. Keberadaan harmonik akan berakibat pada penurunan kualitas output dari suatu sistem elektronika daya. Harmonik orde rendah dapat diminimalisir dengan meningkatkan frekuensi switching sehingga kualitas keluaran akan meningkat dan ukuran low pass filter yang harus digunakan juga menjadi lebih sederhana. Akan tetapi, dengan meningkatnya frekuensi switching akan berakibat pada meningkatnya switching loss.

Berdasar pada penjabaran di atas kita dapatkan suatu hubungan antara losses, harmonik, dan EMI noise sebagai berikut:
capture

Sehingga dapat kita simpulkan bahwa tidak mungkin output dari suatu sistem elektronika daya memiliki efisiensi 100% dengan kualitas yang 100%. Akan tetapi kita dapat melakukan optimasi sehingga efisiensi dan kualitas output dari suatu sistem elektronika daya bisa terbilang cukup baik dengan melakukan hal-hal yang telah dijelaskan di atas.

 Referensi:

The Power Is In Our Hand

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

Join 314 other followers