Peran Elektronika Daya dalam Pembangkit Listrik Tenaga Bayu

Riando Hotasi Sirait, Yonas Dwiananta,

Roynaldo P Hutahaean, Yosafat Marthin Samosir

Mahasiswa Teknik Tenaga Listrik Institut Teknologi Bandung

Pemanfaatan energi angin menjadi salah satu renewable energy yang akan marak digunakan di masa mendatang. Tercatat sudah sebanyak 200 GW instalansi Pembangkit Listrik Tenaga Bayu/Angin (PLTB) yang ada didunia ini. Diperkirakan tahun 2020 akan ada sebanyak 1800 GW intalansi PLTB yang terpasang. Sedangkan total energi angin yang dapat dimanfaatkan diperkirankan mencapai angka 3000 GW. Hal ini berarti bahwa pemanfaatan angin sebagai energi masih sangat berkembang dan belum dimanfaatkan secarah menyeluruh.

Skema PLTB dimulai dari hembusan/kecepatan angin yang dimanfaatkan dalam memutar baling-baling sehingga kecaptan angin berkurang dan energinya dapat diambil. Kemudian baling-baling ini dilewati ke gearbox sehingga dapat memutar generator dalam kecepatan tertentu. Dari generator inilah konversi energi terjadi dari energi mekanik manjadi energi listrik. Dari generator, energi listrik akan melewati suatu rangkaian elektronika daya yang mengatur frekuensi dan tegangan keluarannya. Setelah itu listrik ini akan dilewati transformer untuk disesuaikan tegangannya dengan tegangan jala-jala sehingga energi listrik dari PLTB ini dapat didistribusikan  ke berbagai pihak [1].

Dari proses PLTB ini dapat dilihat secara garis besar bahwa elektronika daya digunakan dalam dua hal yaitu sebagai kontrol dari sisi generator dan kontrol dari sisi keluaran jala-jala.

Beberapa peran elektronika daya dalam pembangkit listrik tenaga bayu  ialah

Power control system

Power control system dalam hal ini digunakan dalam membatasi daya. Pembangkit tenaga angin ini memiliki variasi dari kecepatan turbin dan mempertahankan sudut pitch tetap. Pada kecepatan angin yang rendah, turbin akan tetap pada slip maksimum agar tidak terjadi overvoltage. Pitch controller akan membatasi daya ketika turbin menerima daya nominal. Energy listrik dapat dihasilkan dengan mengontrol  doubly-fed generator yang melalui konverter pada rotor [2].

Gambar 1. Kontrol Turbin Angin dengan fed induction motor
Sumber : http://www.kk-electronic.com/wind-turbine-control.aspx

Cara lain dalam mengontrol energi listrik adalah menggunakan multi-pole synchronous generator, passive rectifier dan boost converter. Rectifier dan konverter ini dapat  digunakan untuk menaikkan tegangan saat kecepatan rendah. Dengan ini dimungkinkan mengontrol tegangan aktif dari generator dan tegangan reaktif pada sistem.

Variable speed

Ada beberapa cara untuk mengontrol kecepatan generator berdasarkan generator yang dipakai:

Generator Induksi
Dengan cara menambah resistansi pada rotor. Penambahan resistansi ini dikontrol oleh konverter pada rotor. Cara kedua adalah mengontrol arus rotor dengan menggunakan konverter daya pada rotor.

Generator Sinkron
Variasi kecepatan dari generator ini dapat dikontrol dengan menggunakan konverter daya pada sisi rotor. Dengan menggunakan rangkaian elektronika daya, dapat juga dikontrol daya aktif dan reaktif. Caranya selanjutnya adalah dengan menggunakan power compensator yang dapat meningkatkan perolehan energi dari angin. Cara ketiga yaitu menggunakan turbin angin dengan full-scale power converter diantara generator dan grid. Cara ini dapat meningatkan performa teknik dari pembangkit ini namun kekurangannya adalah rugi-rugi daya yang besar.

Pengaturan Medan Eksitasi

Umumnya penyuplaian tegangan DC untuk exciter ini berasal dari dua sumber yaitu dari sumber eksternal menggunakan slip rings dan brushes, serta dengan menggunakan suplai DC dengan kosntruksi yang khusus yang di tanamkan langsung ke shaft dari generator sinkron

Pada generator maupun motor sinkron yang besar, biasa digunakan brushless exciters untuk mensuplai tegangan DC ke mesin. Hal ini dikarenakan adanya masalah apabila menggunakan slip ring atau brush seperti perawatan yang lebih rumit karena brush harus diganti sekala berkala, adanya rugi rugi tambahan, sampai ke timbulnya percikan api yang dihasilkan brush [1].

Gambar 2. Brushless Exciter pada Turbin Angin
Sumber : Blaabjerrg F, Chen Z, Teoderscu R, Iov F, “ Power Electronics in Wind Turbines System”, Aalborg University

Brushless exciter adalah generator AC yang kecil dengan rangkaian medannya menempel di stator generator sinkron dan armaturenya menempel di shaft rotor. Output tiga fasa dari exciter di searahkan untuk menghasilkan tegangan DC [3]. Dengan mengatur tegangan DC yang ada maka dapat diatur juga medan yang dihasilkan di rangkaian medan utama dari generator tanpa menggunakan slip ring dan brush. Secara umum dapat ditunjukan dengan gambar berikut:

Gambar 3. Rangkaian Brushless Exciter
Sumber : Chapman Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals 5th ed.”, McGraw-Hill, New York, 2012

Pengaturan Daya Aktif dan Reaktif

Daya aktif dapat dikendalikan melalui pengaturan sudut beban dan daya reaktif dikendalikan melalui pengaturan magnitude tegangan keluaran inverter.

Gambar 4. Rangkaian ekivalen sistem pengturan daya aktif dan reaktif

Gambar 5. Diagram fasa antara tegangan grid dan sudut daya φ
Sumber : Active and Reactive Power Controller for Single-Phase Grid- Connected Photovoltaic Systems

didefenisikan sebagai sudut daya antara tegangan grid dan arus keluaran inverter.   didefenisikan sebagai sudut beban antara tegangan grid dan tegangan keluaran inverter [4]. Dari diagram fasa di atas dapat diperoleh persamaan sebagai berikut.

Dengan demikian, daya aktif yang dapat diberikan converter ke grid adalah

Daya reaktif yang diberikan converter ke grid adalah

Pengaturan Frekuensi dan Tegangan

Gambar 5. Topologi Cyclo Converter
Sumber : Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, “Cycloconverters”, University of Tennesse-Knoxville

Frekuensi dan tegangan listrik yang dihasilkan generator PTLB dapat diatur tegangan dan frekuensinya dengan menggunakan Konverter AC-AC. Ada dua jenis converter ini, yaitu pengatur tegangan AC dengan frekuensi konstan dan cyclo converter yang tegangan dan frekuensinya dapat diatur [5].

Referensi :

[1] Blaabjerrg F, Chen Z, Teoderscu R, Iov F, “ Power Electronics in Wind Turbines System”, Aalborg University

[2] http://www.kk-electronic.com/wind-turbine-control.aspx, diakses pada tanggal 5/04/2014, 21.36 WIB

[3] Chapman Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals 5^th ed.”, McGraw-Hill, New York, 2012

[4] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, PhanQuangAn, Pham DinhTruc, Nguyen HuuPhuc, “Active and Reactive Power Controller for Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic Systems”.

[5] Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, “Cycloconverters”, University of Tennesse-Knoxville