Ilmu Listrik (Electrical Science): Aplikasi Elektronika Daya pada Pumped Hydro Energy Storage

Aplikasi Elektronika Daya pada Pumped Hydro Energy Storage

A. Pumped Hydro Energy Storage

Pumped Hydro Energy Storage merupakan suatu cara untuk menyimpan energi sehingga kita bisa menggunakannya secepat mungkin ketika kita membutuhkannya. Cara menyimpan energi adalah dengan melakukan modifikasi dari PLTA. Jika pada PLTA energy dari air yang turun dari reservoir atas menuju reservoir bawah diubah menjadi energi listrik, maka pada Pumped Hydro Energy Storage, air pada reservoir bawah disimpan di reservoir atas dengan cara pemompaan.

Permintaan akan energi listrik berubah – ubah sepanjang hari. Sebagian besar energi listrik di negara kita di suplai oleh pembangkit listrik dengan bahan bakar fosil, yang perlu waktu sekitar setengah jam untuk meningkatkan kemampuan generasinya hingga ke kondisi optimal. Keadaan dimana permintaan energi banyak biasanya di siang hari, karena digunakan untuk aktivitas bisnis seperti pabrik.
Lalu keadaan dimana permintaan energi rendah ketika malam hari karena aktivitas sudah mulai berhenti. Karena itu lah digunakan pumped storage sebagai metode untuk menyimpan energi ketika permintaan energi rendah dan akan digunakan untuk membantu suplai energi ketika permintaan energi sedang tinggi. Bayangkan apa yang terjadi apabila permintaan energi sedang tinggi, sedangkan butuh waktu setengah jam untuk meningkatkan kualitas pembangkitan energi listriknya, maka akan terjadi pemadaman seperti matinya lampu lalu lintas, dan menyebabkan terjadinya kecelakaan dan masalah lainnya.
Tapi apabila kita menggunakan kualitas pembangkitan energi listrik selalu dalam keadaan maksimal, maka akan banyak daya terbuang. Sistem kerja pumped storage adalah dengan menggunakan dua reservoir, yaitu reservoir atas dan reservoir bawah. Dimana terdapat turbin yang bisa bekerja sebagai pembangkit dan sebagai pemompa yang berada di saluran penghubung antara reservoir atas dan reservoir bawah. Pada saat permintaan beban rendah, maka kelebihan energinya akan digunakan untuk memompa air dari reservoir bawah ke reservoir atas.
Lalu pada saat permintaan beban tinggi, maka air dari reservoir atas akan dialirkan ke reservoir bawah untuk memutar turbin sehingga pumped storage berfungsi seperti pembangkit listrik tenaga air konvensional dan membantu memenuhi kebutuhan beban.
Pembuatan pumped storage ini tampak sederhana, tetapi pada kenyataannya membutuhkan dana yang tidak sedikit apalagi apabila kita menginginkan pumped storageyang ramah lingkungan serta tidak merusak lingkungan. US memiliki pumped storagedengan kapasitas lebih dari 20GW, sedangkan Indonesia saat sini sedang memulai membangun pumped storage di daerah cisokan.

B. Peran Elektronika Daya pada Pumped Hydro Energy Storage
Peran Elektonika daya pada Pumped Hydro Energy Storage adalah mengatur fungsi dan kecepatan dari mesin saat beban rendah maupun beban puncak. Istilah ini dikenal sebagaiVariable-speed Pump Storage. Pada saat beban rendah, mesin berfungsi sebagai pompa yang memindahkan air dari reservoir bawah ke reservoir atas. Air ini merupakan cadangan energi yang digunakan ketika beban puncak. Pada saat beban puncak, mesin berfungsi sebagai turbin yang akan berputar ketika air dari reservoir atas turun ke reservoir bawah. Putaran turbin ini akan menghasilkan listrik dan melayani kebutuhan beban dari jaringan listrik.
Variable-speed Pump Storage dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis yaitu :

Turbin dan Pompa yang dihubungkan dengan motor/generator
Single Reversible Pump Turbine machine (Francis machine),

Single Reversible Pump Turbine Machine/Francis Machine merupakan mesin yang saat ini umum digunakan karena mesin ini dapat bekerja sebagai pompa dan turbin sekaligus. Adapun penggunaan dari turbin dan pompa yang dihubungkan dengan motor/generator sudah jarang ditemui. Untuk mengatur kecepatan digunakan Doubly Fed Adjustable Speed Pumped Storage Unit (DFASPSU). Konfigurasi dari DFASPSU adalah sebagai berikut.

Gambar 1: DFASPSU

Pada gambar diatas, terlihat bahwa rotor terhubung ke konverter sedangkan stator terhubung ke trafo yang terkoneksi ke jaringan listrik. Konverter yang digunakan bervariasi, diantaranya adalah cycloconverter, diode clamped inverter, H-Bridged Cascaded Multilevel Converter, & Back to back two levels voltage source inverter. Ketiga konverter terakhir merupakan jenis multilevel inverter.
Cycloconverter (Konverter AC-AC)-merupakan rangkaian elektronika daya yang berfungsi mengubah frekuensi gelombang masukan. Pada Variable-speed Pump Storage, umumnya digunakan semikonduktor jenis GTO (Gate Turn-Off Thyristor). Berikut adalah gambar rangkaian Cycloconverter yang digunakan dalam Pumped Hydro Energy Storage.

Gambar 2: 3phase-3phase Bridge Cycloconverter

Gambar diatas merupakan 3 phase-3 phase Bridge Cycloconverter/6-pulse cycloconverter/36-thyristors cycloconverter yang umum digunakan pada Variable-speed Pump Storage. Keluaran dari konverter ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 3: Arus rotor dengan THD sebesar 15,69%

Kelemahan dari konverter jenis ini adalah THD yang tinggi jika dibandingkan dengan konverter jenis ini. Selain itu, output frekuensi yang dihasilkan lebih rendah disbanding input frekuensi. Dibutuhkannya SVFC (Synchronous Voltage-to-Frequency Converter) terpisah serta topologi menambah kelemahan konverter ini.
Diode Clamped Inverter (AC-DC-AC) yang umum digunakan pada Variable-Speed Pump Storage adalah Diode Clamped Inverter bertingkat 3 (Three Level Voltage Source Diode Clamped Inverter). Pengontrolan rangkaian ini menggunakan teknik PWM Sinusoidal. Semikonduktor yang dapat digunakan sebagai saklar diantaranya adalah IGBT, GCT dan GTO. Berikut adalah topologi rangkaian Diode Clamped Inverter 3 tingkat serta arus rotor keluaran konverter

Gambar 3: Rangkaian Diode Clamped Inverter 3 tingkat

Gambar 4: Arus Rotor dengan THD 4,19%

Kelebihan dari topologi ini adalah THD yang rendah. Namun, terdapat beberapa kelemahan dari topologi ini yaitu dibutuhkan clamping diode berkecepatan tinggi yang mampu menahan arus puncak serta desain yang kompleks untuk inverter lebih dari 3 tingkat. Rangkaian serta gelombang keluaran dari H-Bridged Cascaded Multilevel Converter ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 5: Rangkaian H-Bridged Cascaded Multilevel Converter

Gambar 6: Power Cell

Gambar 7: Arus rotor dengan THD 1,065%

H-Bridged Cascaded Multilevel Inverter yang digunakan pada Variable-speed pumped storage terdiri dari 11 tingkat H-Bridged Cascaded Multilevel Inverter, Transformator penggeser fasa, dan mesin induksi tipe wound rotor. Transformator berguna sebagai isolasi, memperbaiki THD pada arus line, serta memisahkan konverter dengan peralatan untuk menghindari kerusakan pada peralatan apabila konverter mengalami kerusakan. Begitu juga sebaliknya. Adapun Power Cell terdiri dari penyearah diode 3 fasa, sebuah kapasitor DC, serta sebuah H-Bridged Inverter satu fasa.

Kelebihan dari topologi ini adalah:

Untuk tingkat yang sama, diperlukan komponen yang lebih sedikit dibandingkan dengan Diode Clamped Inverter.
Optimisasi Layout rangkaian dan kemasan mungkin dilakukan karena struktur tiap tingkat sama.
Tegangan keluaran yang dihasilkan mendekati tegangan sinusoidal.
Perubahan tegangan terhadap waktu yang rendah
THD arus rendah

Selain dari kelebihan yang telah disebutkan diatas, topologi ini memiliki beberapa kelemahan, diantaranya adalah biaya yang mahal untuk transformator penggeser fasa serta membutuhkan banyak kabel.

Referensi