TUGAS AKHIR - TE091398

STUDI PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO SELOLIMAN,

TRAWAS KABUPATEN MOJOKERTO

ARDHA SANDY PNRP 2206 100 132

Dosen pembimbingIr. Sjamsjul Anam, M.T.Ir. Arif Musthofa, M.T.

JURUSAN TEKNIK ELEKTROFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya, 2010

Abstrak

Pengaturan frekuensi merupakan hal yang vital bagi sebuah PLTM. Sistem kontrol frekuensi pada PLTM pada dasarnya ada dua macam

yaitu, governor (sistem pengatur debit air) dan Electronic Load Controller (sistem pengatur beban elektronis). Kekurangan sistem

kontrol dengan governor adalah ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi perubahan beban secara mendadak. Oleh karena itu

digunakanlah Electronic Load Controller (ELC) yang dinilai lebih baikdaripada governor.

PLTM Seloliman merupakan salah satu PLTM yang telah menggunakansistem ELC ini. Menarik untuk diketahui bagaimana ELC bekerja padaPLTM ini, karena selain telah menggunakan ELC, PLTM Seloliman juga

telah terintegrasi dengan Perusahaan Listrik Negara (PLN).

Kata kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM), Electronic Load Controller (ELC), frekuensi, beban.

Latar belakang

Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi pelanggan dengan frekuensi yang konstan. Penyimpangan frekuensi dari nilai nominal harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Pada pembangkit,

peralatan kontrol diperlukan untuk mengendalikan putaran (frekuensi) generator.

Sistem kontrol pada PLTM pada dasarnya ada dua macam yaitu, governor(sistem pengatur debit air) dan Electronic Load Controller (sistem pengatur

beban elektronis).

Sebagaimana diketahui bahwa governor merupakan peralatan kontrol yang bersifat mekanis, dimana dalam proses pengaturan frekuensi lebih

mentitikberatkan pada pengaturan jumlah energi pimer yang masuk ke turbin. Sedangkan ELC merupakan suatu kesatuan alat kontrol frekuensi

yang dapat dikatakan lebih modern daripada governor, dalam proses kerjanya lebih menitikberatkan pada berapa daya yang harus dibuang ke

beban komplemen untuk menjaga frekuensi dari generator yang digunakan.

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM)

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM)

• Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM)adalah pembangkit listrik berskala kecil (antara 5kW - 100 kW), yang memanfaatkan tenaga(aliran) air sebagai sumber penghasil energi.

• PLTM pada prinsipnya memanfaatkan bedaketinggian dan jumlah debit air per detik yangada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau airterjun. Aliran air ini akan memutar poros turbinsehingga menghasilkan energi mekanik. Energi iniselanjutnya menggerakkan generator danmenghasilkan listrik.

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM), (2)

Besarnya daya yang dapat dibangkitkan generator yang diputar oleh turbin pada sebuah PLTM dapatdihitung pelalui persamaan:

P = k.η.H.QDimana; P = daya (kW)

k = konstanta gravitasi (9,8)η = efisiensi keseluruhan (turbin dan

generator)H = tinggi terjun air (meter)Q = debit air (/detik)

Bangunan Sipil PLTM

Secara umum bangunan sipil sebuah instalasi PLTM terdiri atas;

1. Bendungan2. Bangunan Pengambil Air (Intake) 3. Saluran Pembawa (Head Race)4. Bak Pengendap (Silting Basin)5. Bak Penenang (Forebay)6. Pipa Pesat (Penstock)7. Tangki Pendatar (Surge Tank)8. Rumah Pembangkit (Power House)

Perangkat Mekanik & Peralatan Elektrikal

1. Turbin

2. Transmisi Mekanik

3. Generator

4. Transformator

5. Peralatan Pengaman

• Panel Pengukuran

• Pengaman Generator

• Pentanahan

Peralatan Kontrol

Sistem kontrol pada PLTM pada dasarnya ada dua macam yaitu, governor (sistem pengatur

debit air) dan Electronic Load Controller (sistem pengatur beban elektronis).

Governor

• Governor atau sistem pengatur adalah suatu peralatanuntuk mengatur putaran turbin (frekuensi listrik) relatiftetap konstan untuk berbagai kondisi beban.

• Governor didesain agar putaran turbin-generatorkonstan dalam range yang dikehendaki denganmenambah atau mengurangi debit air yang masuk kerunner turbin untuk mempertahankan keseimbangandaya antara masukan daya (power input) danpermintaan daya (power demand).

• Kekurangan sistem ini adalah ketidakmampuannyabereaksi cepat bila terjadi perubahan beban secaramendadak.

Electronic Load Controller (ELC)

Pada prinsipnya pengontrolan dengan Electronic Load Controller (ELC) bertujuan agar besar daya yang dibangkitkan oleh generator selalu sama

dengan daya yang diserap oleh konsumen ditambah dengan daya yang dibuang ke beban

ballast, dengan demikian akan diperoleh frekuensi yang stabil.

Electronic Load Controller (ELC), (2)

Beban Konsumen + Beban Komplemen =

Kapasitas Nominal Generator

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM)

SELOLIMAN

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) SELOLIMAN

• Pada tahun 1994 dibangun sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) di Kali Maron, yang selanjutnya diberi nama PLTM Kali Maron dengan kapasitas 12 KWH.

• Pada tahun 2000 kapasitas PLTM Kali Maron ditingkatkan menjadi 25 KWH.

• Interkoneksi listrik kepada Perusahaan Listrik Negara (PLN) melalui Kepmen ESDM No. 1122 K/30/MEM/2002, tanggal 12 Juni 2002.

• Pada tahun 2005 kapasitas PLTM Kali Maron ditingkatkan menjadi 30 KWH.

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) SELOLIMAN, (2)

• Tahun 2007 PKM bekerjasama dengan Yayasan Lingkungan Hidup Seloliman (YLHS) membangun PLTM kedua yang diberi nama PLTM Wot Lemah.

• PLTM Wot Lemah ini sendiri memiliki kapasitas daya sebesar 20 KWH yang juga diinterkoneksikan dengan jaringan PLN.

Daya Terbangkit dan Daya Tersalur

PLTM Konsumen Total (KW)

PLN (KW) Masyarakat

(KW)

Kalimaron 20 5 25

Wot Lemah 18.5 1.5 20

Tabel Daya Tersalur PLTM pada Siang Hari

PLTM Konsumen Total (KW)

PLN (KW) Masyarakat

(KW)

Kalimaron 15 10 25

Wot Lemah 15 5 20

Tabel Daya Tersalur PLTM pada Malam Hari

PLTM KalimaronSpesifikasi Bangunan Sipil

Bangunan Keterangan

Tinggi kotor 15 m

Tinggi bersih 14 m

Design flow 305 lt/detik

Daya listrik 30 kW

Tipe intake Off-take dari saluran irigasi Sungai Kalimaron

Bak pengendap Satu bak pengendap lebar 3 m, panjang 20 m dilengkapi

dengan dinding pelimpah

Headrace Saluran terbuka dari pasangan batu sepanjang 150 m dan

saluran tertanam (pipa paralon) sepanjang 70 m

Spillway Terpadu dengan bak pengendap dan saringan “tyrolean”

Pipa pesat Pipa dari pelat diameter: 380 mm, panjang 45 m

Powerhouse Bangunan tembok dengan pondasi beton atap asbes, ukuran

lantai: 4 x 3

Acces road 100 m dari jalan raya Kalimaron

PLTM KalimaronSpesifikasi Peralatan Elektrikal

Komponen Spesifikasi

Jumlah pembangkit 1

Tipe turbin Crossflow, T14

Tinggi bersih 14 m

Design flow 305 lt/detik

Diameter runner 300 mm

Kecepatan putar turbin 573/750 rpm

Eisiensi maksimum turbin 80%

Tipe generator Sinkron

Drive Belt datar

Kapasitas generator 40 kVA

Kecepatan putar generator 1500 rpm

Efisiensi maksimum generator 90%

Generator Sinkron

name plate• Rating daya 40 kVA• Power factor 0.8• Tegangan 400/231 V• Arus Beban Penuh 57.7 A• Kecepatan putar 1500 rpm• Frekuensi 50 Hz• Eksitasi 27 V, 2.15 A

Tahun pembuatan 1994, di bawah lisensi dari A. Van Kaick, Neu-Isenburg GmbH&60, D-6078 Neu Isenburg West Germany.

Generator sinkron PLTM Kalimaron Generator sinkron PLTM Wot Lemah

Electronic Load Controller (ELC) GP STARCCT1-25kW

Komponen utamanya

• Frequency Trip Board(FTB)

• Kontaktor

• Silicone Controlled Rectifier (SCR)

• Trafo Arus Sensing (CTS) & Sensing Resistor (R)

• Ballast Load

Modul MainsconMerupakan pengontrol

sekaligus protektor pembangkit untuk sistem interkoneksi

dengan grid. Pembangkit yang

sebelumnya menggunakan ELC

dengan tambahan alat ini dapat bekerja secara

isolated dan interkoneksi.

ANALISA KERJA ELECTRONIC LOAD CONTROLLER (ELC) DAN

PERHITUNGAN PARAMETER BALLAST LOAD

Daya TerbangkitBerdasarkan data-data spesifikasi bangunan sipil dan peralatan elektrikal pada PLTM Kalimaron, diketahui;

• Konstanta gravitasi (k) = 9.8 m/• Efisiensi maksimum turbin = 80%• Esisiensi maksimum generator = 90%• Head (H) = 14 m• Debit air (Q) = 305 lt/detik

= 0.305 m3/detikMaka potensi daya terbangkit dari PLTM Kalimaronadalah sebesar

P = 9.8 x 0.8 x 0.9 x 14 x 0.305= 30.12912 kW

Keterkaitan Fluktuasi Beban Terhadap Perubahan Frekuensi

• Kondisi ideal, daya terbangkit dari generator samadengan konsumsi daya pada beban.

Tm = Te

• Namun pada prakteknya, kondisi beban seringkali akanmengalami fluktuasi, sehingga terdapat selisih dayaantara sisi generator dengan sisi beban

Tm = Te + Ta

Dimana Ta = M x

dan ;f =

Keterkaitan Fluktuasi Beban Terhadap Perubahan Frekuensi

• Tm – Te = Ta < 0, maka < 0, sehingga frekuensi akan turun.

• Tm – Te = Ta > 0, maka > 0, sehingga frekuensi akan naik.

ELC sebagai Penyeimbang Beban

Secara umum sebuah ELC terdiri atas 3 buahkomponen utama yaitu;

• Current Transformer (transformator arus)

• Thyristor

• Rangkaian Logic (IC)

ELC sebagai Penyeimbang Beban

Rangkaian ELC yang Menghubungkan Generator dengan Beban

ELC pada PLTM Kalimaron

• ELC pada PLTM Kalimaron bekerja tidak sebagaimana ELC pada umumnya seperti halnya pada PLTM yang lain. ELC hanya difungsikan sebagai pengontrol pembuangan daya ke ballast load pada saat pembangkit belum siap untuk dihubungkan ke jaringan.

• Dimana pada saat sinkronisasi nilai tegangan dan frekuensi untuk sesaat belum mencapai nilai nominal yang diijinkan untuk diparalelkan dengan jaringan. Oleh karena itu, daya yang dihasilkan oleh generator pada kondisi ini akan dialirkan menuju ke ballast load untuk dibuang sebagai

Pembukaan katup

turbin

Generator berputar, daya

terbangkitPenambahan atau pengurangan arus

medan oleh AVR

V & f

sesuai

rating?

Daya dibuang ke Ballast

Load

Kontaktor

terhubung

Mainscon Interkoneksi dengan

Grid dan Pelanggan

PANEL ELC

Mekanisme Proses Pengoperasian danInterkoneksi PLTM Kalimaron

Kapasitas Ballast Load

• Pembuangan daya ke ballast load tidak lebihbesar daripada daya yang masih tersalurkepada konsumen (untuk pembangkit yangtidak terinterkoneksi dengan jaringan).

• Penentuan besarnya kapasitas daya terbuangke ballast load dapat ditentukan melaluibesarnya arus yang dilewatkan oleh thyristordan besarnya beban resistif yang dipakaisebagai ballast load, sehingga:

Perhitungan Ballast Load pada PLTM Kalimaron

Pada PLTM Kalimaron ditentukan bahwa kapasitas ballast load yang dipakai adalah sebesar 30% dari total daya terbangkit untukproses interkoneksi dengan jaringan.

Besarnya daya yang akan dibuang ke ballast load

Nilai tegangan = 220/380 V

Perhitungan Parameter Ballast Load pada PLTM Kalimaron, (2)

• Besar arus pada ballast load 30%;

• Besarnya komponen resistif yang dipasang sebagai ballast load

Perhitungan Ballast Load pada PLTM Kalimaron, (3)

Dari perhitungan di atas diperoleh bahwabesarnya arus yang dialirkan ELC menuju ballastload pada saat kapasitas ballast mencapai 30%adalah sebesar 13.67 ampere. Atau dengan katalain, ELC hanya akan mengalirkan arus padarange 0 ampere (minimum ballast 0%) hingga13.67 ampere (maksimum ballast 30%).Sedangkan besarnya komponen resistif yangharus dipasang sebagai ballast load adalahsebesar 16.09 Ω per fasa.

Kesimpulan

1. Mekanisme kerja dari ELC pada PLTM Kalimaronberbeda dengan mekanisme kerja ELC PLTMpada umumnya. Pada PLTM Kalimaron, ELChanya bekerja pada saat pembangkit mulaidijalankan. ELC difungsikan untuk pembuanganbeban ke ballast load selama pembangkit belumsiap untuk interkoneksi dengan jaringan. Setelahpembangkit terinterkoneksi, maka secaraotomatis ELC akan berhenti bekerja dan tidakada daya yang dibuang ke ballast load.

2. Penentuan kapasitas ballast load perludiperhatikan dalam upaya memaksimalkanefektifitas pengaturan keseimbangan dayaterbangkit dengan daya terpakai olehkonsumen, sehingga nilai pembuangan daya ke

Kesimpulan

3. Berdasarkan hasil perhitungan untuk kapasitas ballast loadsebesar 30% dari potensi daya terbangkit pada PLTMKalimaron, diperoleh besarnya komponen resistif yangharus dipasang adalah sebesar 16.09 Ω per fasa, denganrange arus yang dialirkan ELC sebesar berada pada nilaiantara 0-13.67 Ampere.

4. Dengan metode perhitungan yang sama maka dapatditentukan berapa besaran arus, besaran komponen resistifballast load serta setting untuk besarnya kapasitas ballastload yang lain.

Saran

1. Melihat kenyataan bahwa ballast load hanyadifungsikan untuk membuang daya pada saatproses sinkronisasi PTM, maka ada baiknya jikadilakukan pengembangan lebih lanjut terhadapballast load. Hal ini akan bermanfaat sehinggakelebihan daya yang dibuang dapatdimanfaatkan untuk keperluan yang lain.

2. Ballast load yang dipergunakan pada PLTMKalimaron ini merupakan beban resistif (R),sehingga disarankan untuk penelitian-penelitianselanjutnya diharapkan dapat menganalisa jikabeban ballast yang dipergunakan adalah bebaninduktif (L), kapasitif (C) maupun kombinasi dariketiganya.

DAFTAR PUSTAKA

• Hasan, Achmad, “Pengontrol Beban Elektronik pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro”, P3 Teknologi Konversi dan Konservasi Energi, Deputi Teknologi Informasi, Energi, Material dan Lingkungan, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi.

• Kadir, Abdul,”Mesin Sinkron”, Penerbit Djambatan, 1999.• Marsudi, Djiteng, “Pembangkitan Energi Listrik”, Penerbit Erlangga,

2005.• Marsudi, Djiteng, “Operasi Sistem Tenaga Listrik”, Penerbit Graha

Ilmu, 2006.• PT. Heksa Pradana Teknik, “Buku Manual Operasi dan Perawatan

PLTMH Maron PPLH Seloliman”, Bandung, 2000.• PT. Heksa Pradana Teknik, “Suplemen Buku Manual Interkoneksi

dengan Mainscon MC-301Pembangkit Listrik Tenga Mikrohidro Maron.”, Bandung, 2003.

• Pusat Pendidikan Lingkungan Hidup, “Pembangkitan Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)”, Pusat Pendidikan Lingkungan Hidup (PPLH) Seloliman, Trawas Mojokerto, 2007.

• Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik”, Penerbit ITB, 1991