Posted in Artikel

Peran Elektronika Daya dalam Pembangkit Tenaga Angin

Persetujuan kyoto kembali menunjukkan minat dalam sistem energi terbaharukan dunia. Dewasa ini, banyak teknologi energi terbaharukan yang berkembang dengan baik, handal, dan harga yang kompetitif tehadap pembangkit dengan generator konvensional. Harga dari teknologi energi terbaharukan cenderung turun dan diperkirakan akan terus turun seiring dengan permintaan dan produksi yang meningkat. Ada banyak sumber energi terbaharukan yang telah diketahui seperti biomassa, cahaya matahari, angin, mini hidro, dan ombak. Elektronika Daya (Power Electronic) diaplikasikan pada sebagian besar teknologi RES (Renewable Energi Sistem), energi matahari, dan energi angin.

Beberapa tahun terakhir, dilakukan upaya untuk meningkatkan setiap bagian dari aplikasi energi cahaya (photovoltaic/PV) dan turbin angin (wind turbine/WT). Efisiensi dari modul PV komersial mencapai 17%, inverter mencapai hampir 99%, dan ada ditemukan topologi baru  untuk membuat turbin angin menjadi lebih efisien dan fleksibel dalam operasinya. Dikarenakan permintaan yang meningkat, setiap pabrik berusaha untuk menemukan konsep baru untuk mencapai sistem yang lebih baik, sehingga meningkatkan keuntungan bagi investor. Kebanyakan sistem tersebut menghasilkan arus searah (DC), sehingga inverter diperlukan untuk mengubah menjadi arus bolak balik (AC), yang diperlukan di berbagai aplikasi dan tentu saja untuk koneksi grid. Pertama digunakan di lokasi terpencil, tanpa adanya utility grid. Sistem grid memperikan tenaga dan energi langsung pada utility grid. Sistem seperti ini memiliki struktur yang berbeda dan inverter menggunakan metode yang berbeda untuk mengsinkronkan dan menghasilkan listrik AC yang baik.

Power Electronics untuk Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Ada dua jenis turbin angin (Wind Turbine/WT) , turbin angin sumbu horisontal dan turbin angin sumbu vertikal. Kedua jenis ini bisa dilihat pada Gambar 1. Namun dari kedua jenis ini, turbin angin sumbu horisontal adalah desain yang paling populer.

Image

  Gambar 1: Horizontal axis WT dan Vertical axis WT

Seiring berkembangnya teknologi, saat ini sudah banyak desain turbin angin yang tersedia, bisa menghasilkan energi listrik mulai dari 50W sampai dengan 7MW. Jumlah baling-baling dapat bervariasi tetapi yang paling sering dibuat adalah dengan 2 atau 3 baling-baling. Ada tiga jenis sistem pembangkit tenaga angin , yaitu berdiri sendiri (Stand Alone), hybrid dan terkoneksi dengan grid (grid connected).

Dari ketiga jenis ini, turbin angin dengan sistem berdiri sendiri (Stand Alone) merupakan jenis yang paling banyak digunakan untuk aplikasi rumah tangga. Pada jenis ini membutuhkan baterai untuk menyimpan energi yang dihasilkan dan inverter untuk mengkonversi ke arus AC. Sistem ini membutuhkan penggunaan charge regulator yang akan mengisi baterai dari hasil pembangkitan listrik generator angin, dimana pengisian ini bisa dikendalikan supaya tidak terlalu penuh dalam pengisiannya. Turbin yang paling umum digunakan dalam aplikasi tersebut adalah generator magnet permanen, sedangkan kontrol pengisian dilakukan melalui penyearah terkendali. Charge regulator harus diprogram untuk bisa membatasi arus yang masuk ke dalam baterai, agar dapat mengurangi arus ketika baterai diisi dan bisa mengurangi muatan listrik yang hilang saat baterai sudah terisi penuh.

Untuk sistem hybrid, selain bisa diterapkan dalam turbin angin, dapat juga digunakan pada sumber energi terbarukan lainnya seperti sistem PV (Photovoltaic) atau bahkan generator diesel dan menghasilkan energi listrik ke rumah tangga atau bahkan ke grid.

Turbin angin jenis terhubung grid (grid connected) yang terhubung ke jaringan utilitas baik secara langsung atau melalui elektronika daya, memberikan energi yang dihasilkan ke grid. Pada turbin angin jenis ini, trend yang berkembang adalah berusaha untuk meningkatkan ukuran dan efisiensi dari mesin. Banyak Penelitian telah dilakukan pada bagian pengendali kecepatan dan cara untuk mengurangi biaya pembuatan tiap unit. Ada beberapa jenis inverter yang digunakan pada instalasi turbin angin, seperti konverter PWM – VSI dan konverter matriks. Namun pada kenyatannya konverter matriks tidak banyak digunakan.

Bagian – bagian back to back PWM-VSI adalah bi directional konverter daya yang terdiri dari dua PWM – VSI inverter. Topologi inverter ini ditunjukkan pada Gambar 2a. Untuk mencapai kontrol penuh dari arus grid, tegangan DC saluran harus ditingkatkan ke tingkat yang lebih tinggi dari amplitudo tegangan pada grid. Aliran daya dari konverter sisi grid dikendalikan untuk menjaga tegangan DC saluran konstan, sedangkan pada kontrol dari generator diatur sesuai permintaan magnetisasi dan kecepatan referensi.

Inverter matriks secara efisien dapat mengkonversi output listrik turbin angin tiga fase ke karakteristik yang diminta oleh jaringan listrik agar tercipta koneksi yang tepat. Biasanya ini menggunakan array switch bidirectional yang dapat dikendalikan untuk mengkonversi listrik AC dari satu frekuensi ke frekuensi yang lain sesuai yang diinginkan. Hal ini akan menghasilkan tegangan output variabel dengan frekuensi tertentu. Keistimewaan dibandingkan dengan topologi lainnya adalah bahwa konverter matriks tidak memiliki sirkuit saluran dc dan mereka tidak menggunakan elemen penyimpanan energi yang besar. Gambar inverter matriks ditunjukkan pada Gambar 7b dimana perangkat switching, input filter dan rangkaian penjepit ditampilkan.

Image

   Gambar 2: back to back PWM – VSI converter dan Matrix converter

MOSFET untuk daya rendah dan IGBTs untuk daya yang lebih tinggi memungkinkan pelaksanaan switch dua arah , yang membuat topologi inverter sangat menarik untuk penanganan daya AC.

Filter input meminimalkan komponen frekuensi tinggi dalam arus input dan mengurangi gangguan daya input. Filter input dapat dirancang dengan mengkombinasikan induktor dan kapasitor dengan resistor redaman yang dihubungkan secara paralel. Pada sisi lain, rangkaian klem memberikan perlindungan tegangan lebih dan menggunakan dioda pemulihan yang bekerja cepat. Operasi umum inverter adalah untuk mengubah arus AC dari turbin angin ke arus AC yang dibutuhkan jaringan. Salah satu contoh dari hal ini diambil dari L.H.Hansen adalah konversi dari arus AC 300 Hz berasal dari turbin angin ke arus AC 60Hz yang merupakan frekuensi grid untuk daerah Amerika. Contoh lainnya, 7200 Hz frekuensi switching diterapkan pada switch dan hasil konversi ditampilkan pada Gambar 3. Ada factor duty cycle yang dapat disesuaikan untuk mengatur rasio output untuk tegangan input, sampai nilai maksimum. Akhirnya , output dilewatkan melalui filter untuk menghilangkan harmonik frekuensi tinggi.

Image

Gambar 3: Simulasi kondisi steady state matrix converter

Rangkaian penggerak dari IGBT sama seperti MOSFET, dan kapasitans bocor antar terminal IGBT cukup rendah. Pada penyearah tipe PWM, ketika frekuensi pensaklaran meningkat, rugi daya menjadi tinggi selama penon-aktifan elemen pensaklaran dan dioda komutasi. Kondisi ini membatasi penggunaan IGBT dengan frekuensi 50 kHz sebagai elemen pensaklaran. Maka dari itu, pada inverter tipe resonansi frekuensi tinggi, secara praktis penggunaan frekuensi bisa mencapai 250 kHz. Untuk 50 kHz, rugi daya selama konduksi IGBT rata-rata sebesar 6 watts di mana untuk 250 kHz rata-rata hanya 0,8 watts.

Selain konverter matriks, ada tiga jenis lagi topologi yang dianjurkan, yaitu tandem converter, multilevel converter, dan resonant converter (NCC). Keunggulan konverter matriks yaitu konverter tersebut hanya berisi komponen aktif pada bagian daya di mana jenis konverter lain berisi komponen pasif juga. Konverter matriks bisa menghilangkan penggunaan transformer tanpa perlu rating tegangan tinggi untuk komponennya. Bagaimanapun juga, pada performa yang berkaitan dengan harmonik, topologi terbaik adalah multilevel converter yang menunjukkan spectra terbaik pada sisi grid maupun generator. Pada akhirnya, topologi NCC adalah topologi paling efisien diikuti multilevel dan tandem converter.

Selain topologi yang disebutkan di atas, yang membuat perbedaan antar manufaktur yaitu konsep pengendalian. Penelitian dan pengembangan yang berlanjut sedang dilakukan pada bidang ini dengan tujuan mengembangkan konsep modulasi yang lebih baik dan meniadakan harmonik, sehingga dapat meminimalkan biaya untuk filter.

Aplikasi yang umum dari konverter statik adalah pensaklaran terhadap grid yang dilengkapi WT dengan generator induksi (soft starting). Hubungan langsung dari WT ke grid menyebabkan munculnya arus inrush tinggi yang tidak diinginkan khususnya untuk grid yang lemah, selain itu hal ini juga menyebabkan ayunan torsi yang keras dan merusak gearbox. Untuk alasan inilah soft starter digunakan agar dapat meregulasi tegangan stator yang diberikan.

Perangkat komutasi merupakan dua thyristor per fase yang dipasang anti-paralel. Hubungan antara sudut penyulutan (α) dan penguatan yang dihasilkan oleh soft starter bersifat non-linear dan tergantung pada faktor daya elemen yang terhubung. Pada kondisi beban resistif, α dapat bervariasi antara 0 (full on) dan 90 (full off) derajat. Pada kondisi beban induktif murni antara 90 (full on) dan 180 (full off) derajat. Untuk faktor daya anatara 0 dan 90 derajat, α akan bernilai dalam batas seperti pada gambar.

Umumnya, turbin dipercepat dengan pitch-control menuju kecepatan sinkron melalui daya dari angin itu sendiri dan kemudian dipindah ke grid. Pengendali AC juga digunakan untuk hubungan ke grid pada kecepatan nol dan percepatan tinggi berikutnya menuju kecepatan operasi, yang mana berguna pada stall controlled WT.

Ketika generator dihubungkan ke grid, sebuah kontaktor mem-bypass soft starter untuk mengurangi rugi-rugi. Hal ini memungkinkan penggunaan pengendali dalam operasi normal agar mengurangi tegangan statis dan menghasilkan pengurangan rugi magnetisasi ketika beroperasi dalam kondisi angin yang ringan, dengan mengorbankan distorsi harmonic yang tinggi.

Tren terkini dari teknologi WT yaitu penggunaan generator berkecepatan rendah berkutub banyak yang membolehkan kopling langsung antara rotor turbin dan generator listrik. Hal ini menghapuskan penggunaan gearbox, kopling dan sumbu interkoneksi sehingga menghasilkan pengurangan berat dan harga serta meningkatkan keandalan.

Referensi :

P. Gazis, G. Α. Vokas, St. Papathanasiou, “Trends of Power Electronics on Renewable Energy Systems”

Oleh :

Ryan Agatha, Aris Saputra, dan Chestar Sitanggang (Magatrika 2011)

Divisi Power Electronic Magatrika

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s