Analisis Optimasi Daya Generator Turbin Angin Skala Kecil Dengan Metode Penulusuran Titik Daya Maksimum Untuk Aplikasi Pengisian Baterai
Iwa Kartiwa/13204143
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha 10 Bandung
iwacar_104@yahoo.com
Abstrak-Teknologi pembangkit listrik tenaga angin pada dua dekade berkembang sangat pesat.
Generator turbin angin skala kecil sering digunakan pada jenis generator sinkron magnet permanen (PMSG) dan sebuah penyearah jembatan berfungsi sebagai aplikasi pengisian baterai. Skematik yang sederhana turbin angin tidak mampu berfungsi dengan daya elektrik maksimumnya. Sistem yang digunakan waktu simulasi menggunakan perangkat lunak PSIM dengan model turbin angin dinamis.
Kata kunci: Generator turbin angin skala kecil, penelusuran titik daya maksimum
I. PENDAHULUAN
Teknologi pembangkit listrik tenaga angin pada dua dekade berkembang sangat pesat. Konsumsi listrik di Indonesia setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional. Peningkatan kebutuhan listrik ini kemudian hari yang diperkirakan mampu tumbuh rata-rata 6,5 persen pertahun hingga 2020. Selain alasan ekonomis juga karena teknologi ini bebas dari pencemaran lingkungan. Energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin memiliki banyak manfaat namun supaya mampu dimanfaatkan pada banyak aplikasi dan sesuai secara ekonomis dengan kata lain proses pembangkitan listrik sistem ini sendiri harus andal.
Pembangkit listrik tenaga angin skala kecil mempunyai peran yang penting terutama bagi daerah yang belum terjangkau jaringan listrik. Sehingga untuk saat ini peranan penting dari pembangkit listrik tenaga angin skala kecil adalah sistem terpisah mampu untuk menyediakan listrik bagi daerah terpencil.
Energi angin memiliki karakteristik yang berubah sehingga diperlukan sistem pembangkit cadangan energi. Pembangkit cadangan dan penyimpan energi yang biasa disebut sebagai baterai. Sistem ini, ketika kebutuhan daya beban lebih kecil dibandingkan daya ketika diproduksi oleh generator turbin angin dengan kata lain kelebihan energi yang digunakan untuk mengisi cadangan baterai. Pengalaman saat melakukan uji coba menunjukkan bahwa kekeluaran daya puncak dan pengambilan energi total dari pembangkit listrik tenaga angin skala kecil dengan kecepatan tidak menentu pada aplikasi pengisian baterai tergantung pada ukuran rotor, kelas generator, dan konfigurasi sistemnya.
II. SISTEM KONVERSI ENERGI ANGIN
Konversi energi dari kecepatan angin ke daya mekanik (Pm) dan produksi torsi (Tm) mampu digambarkan melalui persamaan berikut:
CP = koefisien daya
CT = koefisien torsi
ρ = Kerapatan udara (kg/m3)
A = area sapuan rotor turbin angin (m2)
v = kecepatan angin (m/s)
Koefisien daya merupakan perbandingan dengan daya mekanik pada shaft turbin terhadap daya pada angin itu sendiri. Faktor yang mempengaruhi nilai (Cp) antara lain adalah jumlah turbin, bagian airfoil, permukaan turbin (bentuk dan sudut). Waktu kecepatan angin berubah dengan kata lain kecepatan rotasi (ωm) mencapai nilai (CP) terbaik. Dengan kata lain (ωm) dan (𝑣) meski digabung dengan parameter sebelum kurva mampu dirancang. Variabel ini merupakan perbandingan antara (Rωm) terhadap kecepatan angin (𝑣) dan disebut sebagai perbandingan kecepatan ujung tip speed ratio (TSR).
Hubungan antara CP, CT, dan untuk jenis generator turbin angin yang berbeda diperlihatkan pada
Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Kurva perbandingan antara CP, CT, dan untuk berbagai jenis turbin angin
Gambar 2.1 menjelaskan bahwa nilai CP dan CT merupakan fungsi dari perbandingan kecepatan shaft terhadap kecepatan angin yang disebut sebagai perbandingan kecepatan ujung. Sedangkan hubungan antara koefisien daya dan torsi mampu kita tulis sebagai CT = CP / λ dari gambar tersebut jelas bahwa termampu suatu titik dimana nilai koefisien daya mencapai nilai maksimum.
Ketika sistem operasi kecepatan tetap dengan kata lain kecepatan turbin (ωm) diasumsikan juga tetap. Sehingga kecepatan angin yang berubah, dengan kata lain perbandingan antara kecepatan ujung dan koefisien daya akan ikut berubah. Dengan kata lain karakteristik CP hanya memiliki satu nilai maksimum pada nilai tertentu sehingga koefisien daya hanya bernilai maksimum ketika nilai kecepatan angin.
Berbeda pada operasi kecepatan tetap, sistem operasi kecepatan tidak tetap system mampu nyesuai perubahan kecepatan angin terhadap kecepatan turbin sehingga menmampu hasil sistem akan bekerja pada titik puncak CP. Hal ini mampu mencapinya titik maksimum pada pembangkitan daya untuk setiap nilai kecepatan angin yang berbeda. Pada gambar terlihat kurva dari pembangkitan daya pada setiap nilai kecepatan angin. Kurva yang menghubungkan setiap nilai puncak pembangkitan daya pada nilai kecepatan angin yang berbeda adalah sistem operasi CP maksimumnya.
Supaya menghasilkan daya puncak dengan kata lain rotor harus dijaga pada TSR optimal, dengan kata lain kecepatan angular rotor harus berubah secara proporsional terhadap kecepatan angin. Karena kecepatan angular rotor sangat bergantung pada frekuensi generator dengan kata lain pada TSR optimal daya rotor maksimum yang tersedia bervariasi sesuai dengan frekuensi generator.
Pada pembangkit listrik tenaga angin skala kecil sebagai aplikasi saat melakukan pengisian pada baterai biasanya menggunakan generator sinkron magnet permanen dan jembatan penuh. Daya yang mengalir dari generator singkron magnet ke cadangan baterai berfungsi sebagai frekuensi generator supaya dihitung dengan menggunakan teknik sirkuit ekivalen. Konfigurasi konvesional membuat kondisi tegangan pada terminal generator yang langsung menghubung dengan cadangan pada baterai menjadi tetap ketika nilai kecepatan angin tertentu. Sebagai konsekuensinya, dengan kata lain turbin angin tidak mampu bekerja secara maksimum pada daya listrik yang dihasilkan ketika kondisi operasi. Karakteristik beban elektrik ketika generator turbin angin harus dimodifikasi ssupaya pembangkit daya dapat optimal. Tegangan ketika terminal generator tidak dibolehkan tetap melainkan harus berubah sesuai dengan kecepatan angular rotor.
Pada sistem konvesional tidak mampu mengontrol aktif waktu digunakan ketika nyesuai energy waktu diproduksi oleh turbin angin. Oleh sebab itu daya yang mengalir menuju baterai tergantung dari kecepatan angin dan interaksi antara turbin dengan beberapa komponen sistem.
III. OPTIMASI DAYA MENGGUNAKAN METODE PENELUSURAN TITIK DAYA MAKSIMUM
Turbin angin biasanya mampu dilihat dengan menggunakan kurva koefisien daya beserta rasio dari kecepatan linear hingga ujung baling-baling serta kecepatan angin. Kurva tipikal mampu dilihat pada Gambar 3.1 supaya sistem memproduksi daya maksimum sehingga, pada setiap saat diharapkan nilai CP selalu tinggi. waktu aplikasi frekuensi tetap, pada turbin angin yang cukup besar dengan kata lain kecepatan rotor pada generator selalu konstan meskipun kecepatan angin selalu berubah. Oleh karena itu nilai tip speed ratio akan berubah dalam jangkauan yang cukup besar pada turbin angin. Sehingga perumusan yang mampu dibuat adalah sebagai berikut.
Dari persamaan daya yang telah dihasilkan turbin angin, terlihat jelas bahwa daya yang dihasilkan mencapai titik maksimal dengan mengoperasikan sistem pada nilai CP maksimal. Dengan kata lain kita perlu untuk menjaga supaya nilai kecepatan rotor berada pada TSR konstan.
Gambar 3.1 Kurva koefisien daya terhadap tip speed ratio
Saat kecepatan angin berubah dengan kata lain, kecepatan rotor mampu dirubah dengan perubahan yang terjadi pada kurva. Kesulitan dihadapi saat menganalisa adalah saat mengukur kecepatan angin pada rotor. Supaya mampu menggunakan kecepatan angin yang diterima dalam menghitung daya yang akan diproduksi dengan kata lain mampu mengubah persamaan tersebut dengan mengganti kecepatan angin dengan jari-jari, tip-speed ratio, dan kecepatan sudut rotor.
Gambar 3.2 Kurva daya mekanik angin terhadap kecepatan angular rotor
Ilustrasi daya mekanis yang akan dibangkitkan oleh turbin angin sebagai fungsi kecepatan generator rpm untuk nilai kecepatan diperlihatkan Gambar 3.2. Daya maksimum diharapkan sebagai fungsi rpm yang diperlihatkan oleh garis memotong seluruh kurva. Pada setiap kecepatan angin bersamaan dengan nilai kecepatan rotor dan menghasilkan daya maksimum. Jika kita mampu mengontrol serta mampu berhasil mengikuti perubahan kecepatan angin dengan kata lain turbin angin mampu membangkitkan daya maksimum pada setiap nilai kecepatan. Nilai torsi yang diharapkan mampu diturunkan dari persamaan daya yang dibangkitkan.
Dalam sistem tak terkompensasi torsi generator tergantung kepada fluks, induktansi sinkron, dan sudut daya. Dengan kata lain kapabilitas torsi dibatasi oleh karakteristik dari mesin sinkron. Salah satu cara mengubah sudut torsi untuk nilai tegangan terminal (VS) yang tetap adalah dengan nyesuai rpm dari generator. Sehingga tanpa kompensasi karakteristik pembangkit listrik tenaga angin tergantung kepada karakteristik turbin angin dan generator. Di lain pihak operasi turbin angin mampu dioptimasikan dengan mengubah karakteristik beban yang dipasang pada generator. Untuk mengubah beban generator, dengan kata lain kita harus mengontrol VS/ωO yang terletak pada terminal generator. Dengan kata lain sudut daya , daya, dan arus stator akan mengikuti dengan sendirinya.
Gambar 3.3 Konfigurasi sistem konversi energi angin yang diusulkan
VS/ωO terminal dapat dikontrol dengan nyesuai tegangan bus DC. Untuk menghasilkan daya yang diinginkan, tegangan terminal VS (misalnya, tegangan bus DC) harus diubah selama kecepatan rotor berubah. Untuk pengaturan tegangan satu bus DC dengan kata lain dapat termampu dua, satu atau tidak ada sama sekali titik persilangan antara daya generator dan daya yang diinginkan. Sebagai contoh, untuk tegangan bus DC tertentu dengan kata lain termampu dua titik operasi yang memenuhi daya yang diinginkan. Titik yang satu berhubungan dengan operasi daya rendah pada frekuensi lebih rendah, sudut (δ) lebih rendah, VS/ωO terminal lebih tinggi dan arus stator lebih rendah. Titik yang lain berhubungan dengan operasi daya tinggi pada frekuensi lebih tinggi, sudut (δ) lebih tinggi, VS/ωO terminal lebih rendah, dan arus stator lebih tinggi. Solusi yang dibahas di bawah ini merupakan salah satu dari algoritma kontrol lain yang telah ada dan yang dapat diimplementasikan. Pengontrol mampu disesuaikan sehingga operasi generator akan berada pada sudut δ yang rendah selama nilai tegangan terminal stator berubah. Dengan nilai sudut (δ) yang rendah dengan kata lain generator akan selalu beroperasi pada arus stator minimum untuk mencapai torsi kekeluaran yang sama. Sehingga rugi-rugi tembaga pada lilitan stator mampu diminimisasi. Sangat jelas bahwa ketika frekuensi bertambah dengan kata lain sudut daya bertambah sampai torsi maksimum tercapai pada sudut daya sekitar 45°. Pada saat itu akan menjadi hal yang paling baik untuk menjaga torsi pada nilai maksimumnya selama frekuensi bertambah. DC-DC konverter dapat disisipkan di antara kekeluaran penyearah dan baterai DC.
Nilai dari (VS) dikontrol berdasarkan frekuensi atauPada daerah C tetap, tegangan bus DC memiliki nilai non linear berubah dan dijaga tetap pada daerah bus DC tetap dan terakhir secara linear berubah pada daerah torsi tetap. Walaupun banyak cara untuk mengimplementasikan konsep yang telah dijelaskan, salah satu cara yang mungkin adalah dengan mengontrol siklus kerja konverter DC berkaitan dengan terukur. Hal ini dapat diselesaikan dengan cara pemberian maju dimana akan berhasil jika baterai DC relatif tetap. Hal ini dapat juga diselesaikan dengan menyediakan feedback tegangan bus DC. Penyimpangan (galat) antara tegangan DC bus yang diminta dengan tegangan bus DC aktual mampu digunakan untuk mengontrol siklus kerja konverter DC.
Sangat jelas bahwa dengan mengubah karakteristik beban yang dipasang pada generator dengan kata lain pembangkitan daya turbin angin mampu dioptimalkan. Beban pada generator diatur dengan mengontrol tegangan pada terminal generator. Dengan menambahkan konverter DC-DC antara sisi luar penyearah dan sisi DC baterai, dengan kata lain tegangan bus DC yang terlihat oleh generator mampu kita ubah secara efektif dengan mengubah tegangan terminal generator. Konverter mengubah-ubah tegangan pada sisi masukan (keluaran penyearah) sehingga mampu terjadi daya disalurkan maksimum dari generator ke cadangan baterai. Konverter mampu menaikkan ataupun menurunkan tegangan masukan. Oleh karena itu penambahan energi yang diambil dapat pada kondisi kecepatan angin rendah ataupun tinggi. Dengan menambahkan metode penelusuran titik daya pada sistem turbin angin skala kecil yang dihubungkan pada bus DC atau cadangan baterai dengan kata lain daya keluaran efektif sistem tidak lagi dibatasi oleh komponen elektrik.
Algoritma penelusuran titik daya maksimum yang biasanya digunakan pada panel surya bias kita gunakan untuk memaksimalkan daya keluaran turbin angin. Gambar dibawah memperlihatkan karakteristik Daya dan torsi terhadap kecepatan turbin angin yang perlu dikontrol. Tujuan utama algoritma ini adalah untuk menjaga supaya titik operasi selalu berada pada daya maksimum untuk setiap nilai kecepatan angin. Titik operasi dapat berada pada daerah kemiringan positif (sebelah kiri titik daya maksimum), kemiringan nol (titik daya maksimum ditemukan), dan kemiringan negatif (sebelah kanan daya maksimum). Jika titik operasi berada pada daerah kemiringan positif dengan kata lain pengontrol harus memindahkan titik operasi ke kanan mendekati titik maksimum pada titik kemiringan nol. Dan sebaliknya jika titik operasi berada di daerah kemiringan negative dengan kata lain pengontrol harus memindahkan titik operasi ke sebelah kiri mendekati titik maksimum pada titik kemiringan nol. Gambar 3.4 memperlihatkan algoritma penelusuran titik daya maksimum yang diusulkan, dimana informasi mengenai kecepatan angin tidak diperlukan.
Gambar 3.4 Dasar algoritma penelusuran titik
daya maksimum
Untuk mencari titik operasi daya angin maksimum dan mencari titik ini dalam rangka untuk mengurangi galat antara daya operasi dan dan daya maksimum pada saat perubahan kecepatan angin, dengan kata lain kontrol konverter buck-boost akan mengubah-ubah secara periodik titik operasi turbin angin. Dengan memperoleh tegangan dan arus keluaran PMSG, pengontrol menggunakan informasi ini untuk menaikkan atau menurunkan siklus kerja konverter buck-boost untuk mengubah titik operasi turbin angin. Setelah terjadi gangguan (perubahan kecepatan) dengan kata lain akan timbul pemindahan titik operasi dari (k-1) ke (k). Empat kasus gangguan pada titik operasi dibedakan menjadi:
Jika P(k) >P(k-1) dan ωm(k)>ωm (k-1), daya bertambah setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum sudah berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum dilanjutkan pada arah yang sama dan mencapai titik operasi (k+1) dengan meningkatkan siklus kerja sebesar Δd.
Jika P(k) >P(k-1) dan ωm(k)>ωm (k-1), daya berkurang setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum tidak berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum harus mengubah arah dan mencapai titik operasi (k+1) dengan meningkatkan siklus kerja sebesar dua kali Δd.
Jika P(k) >P(k-1) dan ωm(k)>ωm (k-1), daya bertambah setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum sudah berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum dilanjutkan pada arah yang sama dan mencapai titik operasi (k+1) dengan menurunkankan siklus kerja sebesar Δd.
Jika P(k) >P(k-1) dan ωm(k)>ωm (k-1), daya berkurang setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum tidak berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum harus mengubah arah dan mencapai titik operasi (k+1) dengan menurunkan siklus kerja sebesar dua kali Δd.
Gambar 3.5 Algoritma penelusuran titik daya maksimum
IV. SIMULASI DAN ANALISIS
Karakteristik turbin angin diberikan di bab 2 pada laporan ini. Persamaan yang dibahas digunakan untuk memodelkan turbin angin pada PSIM seperti terlihat pada gambar di bawah,
Gambar 4.1 Model turbin angin
Parameter masukan pada model turbin angin adalah kecepatan angin dalam meter per sekon. Keluaran dari model adalah torsi mekanik dan kecepatan agular mekanik rotor. Radius baling-baling adalah 1,25 m seperti yang diberikan pada spesifikasi turbin. Koefisien daya dan tip speed ratio dibuat sesuai dengan yang tertera pada look-up table pada PSIM schematic editor.
Untuk sistem konversi energi angin, daya keluaran maksimum mampu dicapai untuk nilai kecepatan angin yang berbeda-beda. Oleh karena itu bagian pertama dari simulasi ini akan berkonsentrasi untuk mencari daya keluaran maksimum untuk tiap nilai kecepatan angin. Resistor keluaran diubah secara manual dan hasilnya akan mengubah nilai tegangan dan arus keluaran. Berdasarkan karakteristik λ, grafik daya yang diprediksikan akan meningkat proporsional terhadap nilai resistor sampai mencapai titik daya maksimum. Kemudian setelah itu akan berkurang jika nilai resistor bertambah setelah melewati titik daya maksimum.
Gambar 4.2 Model simulasi penelusuran titik daya maksimum menggunakan PSIM
Gambar 4.2 memperlihatkan model simulasi yang dilakukan untuk menghasilkan daya maksimum dengan mengubah-ubah nilai resistansi beban. Simulasi dilakukan untuk nilai kecepatan angin dari 4 m/s sampai 9 m/s. Tegangan beban dan arus beban didata dan daya maksimum dihitung dengan mengalikan kedua nilai tersebut. Nilai resistansi yang digunakan pada setiap simulasi juga dicatat. Tabel dibawah memperlihatkan nilai resistor yang digunakan dan titik daya maksimum untuk setiap nilai kecepatan angin.
Tabel 4.1 Titik daya maksimum untuk setiap nilai kecepatan
Tabel ini digunakan untuk mencari daya maksimum untuk tiap nilai kecepatan. Sehingga dengan referensi ini dengan kata lain, kita mampu mengetahui daya maksimum untuk tiap nilai kecepatan angin tersebut.
Seperti yang terlihat pada tabel diatas, daya DC maksimum hampir mencapai 1 kW pada kecepatan angin 9 m/s. Walaupun demikian jangkauan nilai tegangan untuk kecepatan angin antara 4 m/s sampai 9 m/s hanya berkisar antara 10 volt sampai 120 volt. Salah satu kebutuhan pada proyek ini adalah untuk tegangan pada 48 volt DC pada keluaran rangkaian buck-boost. Karena kecepatan angin sulit untuk diprediksikan dan rata-rata kecepatan angin berada pada 5-6 m/s, dengan kata lain sulit untuk memenuhi kebutuhan ini.
Pada kecepatan angin rendah daya rotor yang tersedia tidak mampu digunakan karena karena tegangan generator berada di bawah tegangan cadangan baterai. Sedangkan pada kecepatan angin tinggi daya rotor yang tersedia melebihi tegangan cadangan baterai sehingga rugi-rugi tetap muncul. Perbedaan karakteristik rotor dan generator ini membuat turbin bekerja menjauhi saluran beban maksimumnya (turbin tidak bekerja pada koefisien daya maksimum). Sangat jelas bahwa pada sistem, daya yang akan mengalir ke cadangan baterai dibatasi oleh karakteristik elektrik. Jadi sangat jelas bahwa dengan mengubah karakteristik beban yang dipasang pada generator dengan kata lain pembangkitan daya turbin angin mampu dioptimalkan.
Pada sistem dengan penyearah tidak terkontrol dimana rotor turbin dipercepat atau diperlambat untuk menyeimbangkan daya keluaran rotor dan daya masukan generator, kecepatan turbin dikontrol dengan nyesuai daya keluaran generator turbin angin. Beban pada generator dikontrol dengan mengatur tegangan pada terminal generator. Kemudian dengan menambahkan konverter DC-DC antara keluaran penyearah dan baterai DC, tegangan bus DC yang terlihat oleh generator dapat diubah secara efektif mengontrol tegangan terminal generator. Tegangan pada sisi masukan konverter berubah (pada keluaran tetap) supaya daya yang dialirkan dari generator ke cadangan baterai menjadi maksimum.
Gambar 4.3 Kurva daya mekanik (a) dan daya elektrik (b) sistem konversi energi angin dan kurva titik daya maksimum
Gambar 4.4 Kurva titik maksimum daya elektrik sistem konversi energi angin satu fasa
Gambar 4.5 Diagram kontrol algoritma penelusuran titik daya maksimum
Sistem diusulkan dan disimulasi menggunakan perangkat lunak PSIM dengan model turbin angin dinamis untuk mengevaluasi pengambilan daya maksimum. Sub circuit yang mengandung model dinamis dari turbin angin telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, dimana sub circuit tersebut terdiri dari komponen elektrik dan blok lain yang tersedia sehingga mampu memodelkan karakteristik turbin angin. Algoritma pengambilan daya maksimum menggunakan zero-order hold (ZOH) dan blok diskrit untuk mewakili pengontrol diskrit seperti mikrokontroler.
Gambar 4.6 Skematik keseluruhan sistem konversi energi angin
Perilaku dari pengambilan daya maksimum dapat dievaluasi dengan menggunakan step respon angin sistem generator turbin angin skala kecil. Turbin angin berada pada kondisi tunak dan kecepatan angin kita set pada 6 m/s, setelah 10 detik kecepatan angin tiba-tiba berubah menjadi 9 m/s. Gambar dibawah memperlihatkan respon step turbin angin dengan sistem yang diusulkan dimana dapat kita lihat grafik kecepatan angular rotor angin, torsi rotor angin, torsi elektromekanik, daya elektrik, daya referensi, dan daya terukur terhadap waktu. Perhatikan dan pada gambar dibawah, dengan kata lain mampu kita simpulkan bahwa sistem ini mampu untuk mengontrol daya fasa PMSG. Pada kondisi tunak galat antara dan adalah nol, dan pada kondisi transisi pengontrol memberikan hasil respon yang memuaskan.
Gambar 4.7 Grafik perubahan kecepatan angular terhadap perubahan kecepatan angin
Gambar 4.7 memperlihatkan perubahan nilai kecepatan angular ωm terhadap perubahan nilai kecepatan yang diberikan pada simulasi model turbin angin. Hal sesuai dengan karakteristik sistem konversi energi angin yang kita inginkan yaitu sistem dijaga pada nilai CP maksimum dengan menjaga nilai tip speed ratio λ tetap untuk kecepatan angin tertentu.
Desain konverter buck-boost sangat tergantung pada nilai efisiensinya. Rugi-rugi pada konverter buck-boost dapat diakibatkan oleh beberapa elemen termasuk resistansi lilitan, yang dimodelkan sebagai sumber rugi-rugi utama pada simulasi ini. Walaupun demikian, frekuensi penyakelaran dapat menimbulkan rugi-rugi yang lebih besar pada konverter buck-boost. Model penuh sistem konversi energi angin tanpa inverter mampu dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.8 Skematik simulasi penentuan duty cycle untuk tiap nilai kecepatan angin
Supaya kita dapat menghasilkan tegangan keluaran yang diinginkan setiap saat, dengan kata lain siklus kerja harus berubah nyesuai dengan kondisi masukan. Tegangan maksimal untuk setiap kecepatan angin telah kita mampukan pada bagian sebelumnya dan tegangan ini menjadi masukan pada terminal yang kita beri nama sebagai boost operating voltage. Sehingga pada kecepatan angin tertentu, tegangan DC pada ujung penyearah diukur dan dibandingkan terhadap nilai maksimumnya. Kemudian yang diperlukan adalah pengontrol PI yang berfungsi untuk mengubah-ubah nilai rasio kerja supaya dimampukan tegangan maksimum karena siklus kerja dikontrol oleh loop PI.
Sesuai dengan kebutuhan pada desain dimana keluaran dari buck-boost harus bernilai 48 volt DC, dengan kata lain model pengisian baterai dipasang pada sisi keluaran konverter. Model pengisisan baterai akan memastikan keluaran dari rangkaian buck-boost bernilai 48 volt DC pada simulasi ini. Persamaan untuk menghitung efisiensi buck-boost adalah sebagai berikut.
RL pada simulasi ini adalah rugi-rugi tembaga induktor oleh karena diletakkan disamping iduktor itu sendiri. Untuk keperluan simulasi RL diset bernilai 0,1 ohm dan nilai untuk tegangan keluaran, arus keluaran dan rasio kerja dicatat untuk setiap perubahan kecepatan angin. Hal ini ditunjukkan pada tabel dibawah ini.
Tabel 4.2 Nilai duty cycle untuk tiap nilai kecepatan angin
Dari Tabel 4.2 kita dapat melihat bahwa siklus kerja pada kecepatan angin 4 sampai 6 m/s diatas 0.5, sedangkan untuk kecepatan angin antara 7 sampai 9 m/s dibawah 0.5. Hal ini memperlihatkan bahwa pada kondisi siklus kerja <0.5 buck-boost bekerja untuk menaikkan tegangan sedangkan pada kondisi siklus kerja >0.5 buck-boost bekerja untuk menurunkan tegangan. Tegangan nominal yang dimaksud adalah tegangan cadangan baterai 48 volt DC.
Gambar 4.9 Daya keluaran turbin angin kecepatan rendah tanpa metode penelusuran titik daya maksimum
Gambar 4.10 Daya keluaran turbin angin kecepatan tinggi tanpa metode penelusuran titik daya maksimum
V. KESIMPULAN
Penyelidikan kita pada sistem pengisian baterai memperlihatkan beberapa hal mampu kita lakukan untuk mengembangkan pengambilan energi oleh turbin angin.
1. Karakteristik pada sistem tidak sejalan ketika ditentukan dengan parameter pada generator yang telah dibuat. Karakteristik kecepatan-torsi generator tidak dapat diubah tanpa kontrol aktif.
2. Sistem terkompensasi dengan konverter DC-DC:
a. Turbin angin mampu beroperasi pada nilai Cp maksimum pada setiap nilai rpm.
b. Karakteristik torsi memiliki puncak yang sama dengan generator sistem tak terkompensasi. Meskipun demikian torsi mampu dikontrol bebas dari kecepatan rotor dengan mengontrol tegangan terminal VS. Sekali puncak torsi tercapai dengan kata lain konverter dapat digunakan untuk menjaga torsi supaya tetap.
c. Sama seperti sistem tak terkompensasi, beban yang dirasakan generator adalah beban unity power factor.
3. Pengontrol digunakan untuk menghasilkan kondisi operasi optimal dengan menjaga tegangan DC konstan dengan mengontrol siklus kerja yang diberikan ke konverter.
DAFTAR PUSTAKA
[1] C. Dave, I.B. Gould, S. Drouilhet, V. Gevorgian, T. Jimenez, C. Newcomb, L.Flowers, ”Small Wind Turbine Testing and Applications Development”, NREL report No. NREL/CP-500-27067
[2] DESDM (2005), Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Jakarta
[3] E. Ali M., “Modeling of Wind Turbine Driving Permanent Magnet Generator With Maximum Power Point Tracking System”, Elminia University, Egypt
[4] R. Mukand Patel, “Wind and Solar Power Systems”, CRC Press, 1999
[5] Tafticht T., K.Agbossou, A.Cheriti, “DC Bus Control of Variable Speed Wind Turbine Using a Buck-Boost Konverter”, IEEE, 2006
[6] N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins, “Power Electronics Konverter, Applications and Design”, 3rd ed. New York: Willey, 2003.
[7] Tafticht T., K.Agbossou, A.Cheriti, M.L. Doumbia, “Output Power Maximization of a Permanent Magnet Synchronous Generator Based Stand-alone Wind Turbine”, IEEE ISIE 2006, July9-12, 2006
[8] M. Eduard, S. Drouilhet, R. Holz, V. Gevorgian, “Analysis of Wind Power for Battery Charging”, Wind Energy Book VIII. New York: ASME, Vol. I: pp. 190-197; NREL report No. 21862
[9] De Broe A.M., S. Drouilhet, V. Gevorgian, “A Peak Power Tracker For Small Wind Turbines In Battery Charging Applications”, IEEE Trans. Ener. Con., Vol. 14, No. 4, December 1999
[10] Neammanee B., S. Chatratana, “Maximum Peak Power Tracking Control for The New Small Twisted H-Rotor Wind Turbine”
[11] Adegas F.D., J.A. Villar Ale, F.S. dos Reis, G.C. da Silva Simioni, R. Tonkoski, ”Maximum Power Point Tracker For Small Wind Turbines Including Harmonic Mitigation”, European Wind Energy Conference & Exhibition, 2006
BIOGRAFI PENULIS
Iwa Kartiwa lahir di Bandung, Indonesia, pada tanggal 18 Februari 1985. Dia menerima B.S. Gelar di bidang teknik elektro dari Institut Teknologi Bandung (ITB) pada bulan Juli 2008. Dia baru saja menyelesaikan M.S. Program sarjana teknik elektro dan elektronika di Yonsei University, Seoul, Korea Selatan pada bulan Februari 2013.
