Perancangan  Hybrid  dan  Synchronizer  Power  Supply  untuk  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  dan  Grid  PLN  (Doddy  Harja  Saputra dkk) Moulding Process Simulation for Orthodontic Bracket Application (Shinta Virdhian dkk)

## PERANCANGAN HYBRID DAN SYNCHRONIZER POWER SUPPLY UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DAN GRID PLN

## DESIGN OF HYBRID AND SYNCHRONIZER POWER SUPPLY FOR SOLAR POWER PLANT AND THE GRID OF PLN

## Doddy Harja Saputra dan Jumail  Soba
Balai Besar Bahan dan Barang Teknik – Kementerian Perindustrian Jl. Sangkuriang No.14, Bandung, Telp. (022) 2504088, Fax (022) 2502027 Email : jumailsoba_stelk@yahoo.com
Diterima : 10 Agustus 2017 Direvisi : 4 September 2017 Disetujui : 25 September 2017

## ABSTRAK
Daya  listrik  yang  dihasilkan  oleh  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  (PLTS)  bersifat  fluktuatif    bergantung kepada radiasi  sinar  matahari  yang  mengenai  modul surya.  Sistem sinkronisasi  diperlukan  ketika daya  listrik  yang dihasilkan PLTS tidak mampu mensuplai  beban,  sehingga grid PLN akan ikut mensuplai daya ke beban ( hybrid ). Pada penelitian ini dirancang dan dibuat perangkat hybrid dan synhcronizer power supply untuk PLTS dan grid PLN dengan sinkronisasi yang dilakukan pada domain tegangan DC. Pengaturan level tegangan DC pada sisi PLTS dan grid PLN  membuat PLTS menjadi  sumber utama untuk mensuplai ke  beban sedangkan  listrik dari grid PLN akan dipakai  ketika energi  listrik  yang dihasilkan PLTS tidak  mencukupi.  Uji coba dilakukan untuk  mengamati kinerja sistem  sinkronisasi  yang  dirancang  pada  pukul  08:00  sampai  dengan  pukul  16:00  dengan  pengambilan  data konsumsi  energi  dilakukan  setiap  1  jam.    Berdasarkan  hasil  uji  coba  dapat  ditunjukkan  bahwa  sistem  ini  dapat memberikan sinkronisasi antara listrik dari PLTS dan grid PLN untuk mensuplai beban.
Kata kunci : Hybrid power supplies, synchronizer power supplies, pembangkit listrik tenaga surya, grid PLN

## ABSTRACT
The electrical power generated by the solar power plants (PLTS) was fluctuating depending on the radiation of  sunlight  on  the  solar  modules.  The  synchronization  system  was  required  when  the  electricity  generated  by  the PLTS is unable to  supply the load, so the grid of PLN will supply power to the load  (hybrid). In this study hybrid and  synchronizer  power  supply  for  PLTS  and  PLN  grid  were  designed  and  made,  while  synchronization  was performed  on  DC  voltage  domain.  Setting  the  DC  voltage  level  on  the  PLTS  side  and  the  PLN  grid  made  PLTS became the main source to supply to the load while the electricity from the PLN grid will be used when the electrical energy  generated  by  the  PLTS  was  not  sufficient.  Trials  were  done  to  observe  the  performance  of  designed synchronization system by taking the data of energy consumption for every 1 hour within 08:00 to 16:00. Based on the trials results  it can be shown that this system can produce synchronization between electricity from PLTS and grid of PLN to supply loads.
Keywords: Hybrid power supplies, synchronizer power supplies, solar power plants, grid of PLN

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  energi listrik  makin hari makin meningkat, sedangkan bahan bakar berbasis fosil sebagai  sumber  utama  pembangkit  listrik  makin menipis.  Kondisi  ini  menyebabkan  listrik  yang dibangkitkan  oleh  bahan  bakar  fosil  menjadi makin    mahal.   Selain    mahal,    bahan    bakar
fosil  juga  tidak  ramah  lingkungan  karena menghasilkan  emisi  karbon  yang  menyebabkan gas  rumah  kaca  (GRK)  sebagai  penyebab naiknya  suhu  di  bumi  [1].  Pemerintah  Indonesia dengan kemampuan sendiri menargetkan penurunan  GRK  menjadi  26%  pada  tahun  2020 atau  41%  bila  mendapat  bantuan  dari  negara maju [2].  Untuk  mengurangi  penggunaan bahan
bakar  fosil  penyebab  GRK  maka  diperlukan sumber    energi     alternatif     baru terbarukan dan  ramah  lingkungan  [3].  Salah  satu  sumber energi  alternatif  tersebut  adalah  Pembangkit Listrik Tenaga
Surya (PLTS) yang memanfaatkan efek photovoltaic , yaitu  teknologi yang membangkitkan tegangan DC dari semikonduktor    bila  permukaannya  dikenai  oleh foton [5].
PLTS  tidak  dapat  mengganti  bahan  bakar fosil  karena  daya  listrik  yang  dihasilkan  oleh PLTS  sangat  tergantung  pada  intensitas  cahaya matahari  yang  mengenai  sel  surya.  Ketika intensitas  cahaya  matahari  tinggi  maka  PLTS akan  optimal  untuk  membangkitkan  listrik, sedangkan  pada  saat  intensitas  cahaya  matahari rendah maka daya listrik yang dibangkitkan akan turun  dan  saat  gelap  PLTS  tidak  dapat membangkitkan  energi  listrik.  Oleh  karena  itu diperlukan  suatu  sistem  sinkronisasi  agar  PLTS dapat  digunakan  bersama  dengan grid PLN ( hybrid ).
Pembangkit  listrik hybrid adalah  sistem pembangkit  yang  menggunakan  dua  atau  lebih sumber  energi  yang  berbeda    [8].  Pembangkit listrik hybrid dapat  terhubung  maupun  tidak terhubung  ke grid. Pembangkit  listrik  yang terhubung  ke grid lebih  handal  karena  ketika listrik  dari  PLTS terputus  maka  beban  akan disuplai oleh grid [9]. Pada penelitian ini, sistem sinkronisasi mengatur kondisi pada saat intensitas  cahaya  matahari  tinggi,  suplai  daya listrik untuk beban semuanya diambil oleh PLTS. Pada  kondisi  intensitas  cahaya  matahari  rendah, maka  daya  listrik  yang  dihasilkan  oleh  PLTS akan  turun  sehingga  sebagian  beban  daya  akan disuplai  dari grid PLN.  Sedangkan  pada  malam hari  ketika  PLTS  tidak  dapat  menghasilkan energi  listrik,  maka  beban  daya  semuanya  akan disuplai  dari grid PLN.  Pada  sistem  ini penggunaan  energi  listrik  yang  berasal  dari grid PLN akan dapat berkurang.
Telah  banyak  penelitian  yang  dilakukan untuk  dapat  mensinkronkan  antara  energi  listrik yang  dibangkitkan  oleh  PLTS  dan grid PLN, akan tetapi penelitian tersebut masih menggunakan  baterai  dalam  desainnya  [4,7]. Penelitian  lain  melakukan  sinkronisasi  pada domain  tegangan   AC,  namun  sistem  ini  lebih
kompleks karena memerlukan sinkronisasi fasa  tegangan  AC  [6,10].  Pada   penelitian   ini dilakukan  sinkronisai  tegangan  pada  domain tegangan  DC  tanpa  menggunakan  baterai. Kelebihan  sistem  pada  penelitian  ini  adalah sistem  lebih  sederhana  sehingga  lebih  mudah untuk  diimplementasikan  dan  merupakan  teknik baru  yang  belum  dipakai  sebelumnya  dalam sinkronisasi antara PLTS dan grid PLN.

## BAHAN DAN METODE
Pada  penelitian  ini  dilakukan  perancangan kemudian  pembuatan  sebuah  sistem  sinkronisasi dan  selanjutnya  dilakukan  uji  coba  dengan mengaplikasikan  sistem  ini  pada  PLTS  dan grid PLN.  Lokasi  pemasangan  sel  surya  adalah  di Balai Besar Bahan dan Barang Teknik, Bandung. Sel  surya  dipasang  di  atas duct beton  dengan posisi 10° ke arah utara  kota Bandung. Panel sel surya  5  unit  masing-masing  200  W  dipasang berbanjar  ke  samping  diatas  konstruksi  baja dengan  jarak  antara  panel  surya  ke  peralatan kontrol dan beban adalah 12 meter.
Pada  sistem  ini,  tegangan  DC  yang dihasilkan  oleh  PLTS  menjadi  sumber  listrik utama  sedangkan  energi  listrik  dari grid PLN menjadi  sumber  listrik  cadangan.  Energi  listrik dari grid PLN  hanya  dipakai  ketika  daya  listrik yang dihasilkan oleh PLTS lebih rendah daripada daya  listrik  yang  dibutuhkan  oleh  beban  atau ketika  PLTS  tidak  menghasilkan  energi  listrik pada malam hari.
Beban  2  unit  lampu  pijar    masing-masing 100  W  sehingga  beban  total  adalah  200  W dihubungkan  ke  sistem.  Pengukuran  dilakukan dari pukul 8:00 sampai 16:00 dengan pengambilan  data  konsumsi  energi  pada  sistem dilakukan  untuk  setiap  1  jam.  Pengambilan  data konsumsi  energi    menggunakan Power  Meter pada  sisi  PLN,  PLTS  dan  beban.  Pengambilan data intensitas radiasi matahari  dilakukan dengan menggunakan  alat Solar  Power  Meter ,  dan pengambilan data dilakukan setiap detik sehingga diperoleh  jumlah    energi  dari    matahari    pada lokasi  dalam  1  jam.  Pengukuran  dilakukan  dua kali  pada  dua  hari  yang  berbeda  untuk  melihat keandalan dari sistem.
Perancangan  Hybrid  dan  Synchronizer  Power  Supply  untuk  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  dan  Grid  PLN  (Doddy  Harja  Saputra dkk) Moulding Process Simulation for Orthodontic Bracket Application (Shinta Virdhian dkk)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Desain Hybrid dan Synchronizer Power Supply Prinsip  kerja  dari  sistem hybrid dan sinkronisasi diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Desain Hybrid dan Synchronizer Power Supply
Tegangan  jala-jala 220 V masuk ke dalam kWh  meter  untuk  diukur  pemakaian  daya  yang diambil  dari grid PLN.  Tegangan  220  V kemudian diturunkan dan distabilkan oleh power supply dan switching regulator menjadi tegangan DC stabil pada 24 Volt. Switching regulator pada sisi  PLTS  digunakan  untuk  mengubah  tegangan DC  yang  dihasilkan  oleh  sel  surya  menjadi tegangan  yang  dapat  diatur  pada  nilai  sekitar  24 V  sesuai  dengan  kondisi  intensitas  cahaya matahari.
Pada  saat  intensitas  cahaya  matahari tinggi, switching  regulator pada  sisi  PLTS membangkitkan  tegangan  DC  yang  lebih  tinggi daripada  tegangan  24  V.  Pada  kondisi  ini sebagian  besar  suplai  listrik  ke  beban  diambil dari PLTS. Pada  saat  intensitas cahaya  matahari rendah, regulator pada sisi PLTS membangkitkan tegangan  DC  yang  lebih  rendah  daripada tegangan  24  V  sehingga  sebagian  besar  suplai listrik ke beban diambil dari grid PLN. Pada saat malam  hari, switching  regulator pada  sisi  PLTS tidak  membangkitkan  tegangan    sehingga  suplai listrik ke beban semuanya diambil dari grid PLN. Blocking  diode digunakan  pada  sisi  PLTS maupun pada grid PLN untuk memblok tegangan dari sisi lain ketika satu sisi tidak digunakan atau off .  Tegangan  DC  dari  sisi  PLTS  dan grid PLN digabungkan pada domain tegangan DC sebelum inverter.  Inverter  mengkonversi  tegangan  DC gabungan  menjadi  tegangan  AC  220  V  untuk disuplai ke beban.
Pada  sistem  ini,  tegangan  DC  yang dihasilkan  oleh  PLTS  menjadi  sumber  listrik utama  sedangkan  energi  listrik  dari grid PLN menjadi  sumber  listrik  cadangan.  Energi  listrik dari grid PLN  hanya  dipakai  ketika  daya  listrik yang dihasilkan oleh PLTS lebih rendah daripada daya  listrik  yang  dibutuhkan  oleh  beban  atau ketika  PLTS  tidak  menghasilkan  energi  listrik pada malam hari.

## Hasil Uji Coba
Hasil uji coba sistem sinkronisasi tercantum pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Pengukuran konsumsi energi dari PLTS dan Grid PLN  dengan  beban  listrik  lampu  Pijar 200 W (Pengamatan 1) Jam Pengukuran Radiasi Matahari (Wh/m 2 ) PLTS (kWh) Grid PLN (kWh) Beban Listrik (kWh) 8:00-09:00 242 162 173 182,0 9:00-10:00 354 229 100 182,6 10:00-11:00 305 177 143 181,5 11:00-12:00 303 215 111 181,4 12:00-13:00 516 256 87 181,2 13:00-14:00 134 118 225 182,1 14:00-15:00 242 200 108 181,9 15:00-16:00 197 118 231 181,5 16:00-17:00 72 43 348 180,9 17:00-18:00 13 8 440 178,8
Tabel 2. Pengukuran konsumsi energi dari PLTS dan Grid PLN  dengan  beban  listrik  lampu  Pijar 200 W  (Pengamatan 2)
Jam
Pengukuran Radiasi Matahari (Wh/m 2 ) PLTS (kWh) Grid PLN (kWh) Beban Listrik (kWh) 8:00-09:00 242 183 181 181,7 9:00-10:00 569 309 97 181,1 10:00-11:00 598 261 72 181,1 11:00-12:00 667 283 83 181,3 12:00-13:00 986 296 82 181,9 13:00-14:00 843 276 88 181,9 14:00-15:00 698 234 112 181,9 15:00-16:00 231 82 297 182,2 16:00-17:00 126 70 358 180,1 17:00-18:00 23 7 417 178,7
Pada  Tabel  1  dan  Tabel  2  terlihat  bahwa perubahan intensitas sinar matahari yang mengenai  panel  surya  menyebabkan  perubahan energi     listrik     yang    diberikan   oleh   PLTS. Intensitas sinar matahari berbanding lurus dengan energi  listrik  yang  dihasilkan  oleh  PLTS.  Hasil pengukuran  pada  pengamatan  pertama,  saat kondisi  intensitas  radiasi  matahari  tinggi    (pukul 09:00 – 13:00 dan  14:00  – 15:00), energi listrik yang  dibangkitkan  dari  PLTS  optimal.  Pada kondisi  tersebut,  sebagian  besar  daya  yang disuplai  ke  beban  berasal  dari  PLTS.  Pada intensitas radiasi matahari rendah (pukul 08:00 – 09:00,  13:00 – 14.00 dan 15:00 – 18:00), energi listrik  yang  dibangkitkan  oleh  PLTS  turun. Penurunan intensitas radiasi matahari pada pukul 13:00  –  14.00  disebabkan  oleh  kondisi  mendung pada  saat  pengukuran  sehingga  radiasi  matahari menuju solar  panel terhalang  oleh  awan.  Hasil pengukuran  pada  pengamatan  kedua,    intensitas radiasi  matahari    lebih  tinggi  karena  pada  saat tersebut  kondisi  lebih  cerah.  Pada  pukul  08:00  – 13:00,  energi  listrik  sebagian  besar  disuplai  dari PLTS.  Sedangkan  pada  sore  hari  15:00  –  18:00 ketika  intensitas  matahari  turun,  energi  listrik sebagian besar disuplai dari grid PLN.
Pada kondisi energi listrik yang dibangkitkan PLTS turun,  maka sistem ini secara otomatis  akan  menaikkan  pemakaian  energi listrik dari grid PLN.   Kenaikan pemakaian daya dari grid PLN  membuat  suplai    daya  listrik  ke beban  tetap  terpenuhi.  Fluktuasi  energi  listrik yang  dihasilkan  oleh  PLTS  tidak  menyebabkan fluktuasi  daya  listrik  yang  disuplai  ke  beban. Sistem pada penelitian ini melakukan sinkronisasi  sehingga  kekurangan  daya  dari PLTS dikompensasi dengan mengambil dari grid PLN.  Sedangkan  ketika  energi  listrik  yang dihasilkan  oleh  PLTS  optimal,  maka  energi listrik  dari grid PLN  yang  disuplai  ke  beban mendekati  0  W.  Daya  yang  tercatat  pada  kWh meter  pada  sisi  PLN  adalah  daya  yang dikonsumsi  oleh  sistem  yang  disuplai  dari grid PLN.

## Perhitungan Tekno Ekonomi
Biaya Produksi perangkat : - Sel surya 1000 Watt : Rp 14.500.000,-
- Perangkat hybrid : Rp 3.212.500,-
- Perkiraan biaya pemeliharaan selama 20 tahun : Rp 2.121.500,-
Sehingga  totalnya  adalah  Rp  19.834.000,-, untuk perkiraan usia pakai 20 tahun.
Perhitungan  daya  masuk  dapat  dihitung dengan  asumsi  rata-rata  daya  yang  dihasilkan oleh PLTS adalah 0,4 kW setiap hari selama rata- rata  8  jam.  Sehingga  energi  rata-rata  yang dihasilkan  perhari  (efektif)  adalah  3,2  kWh. Dengan  asumsi  harga  listrik  PLN  per  kWh adalah  Rp.  1.352,-,  maka  setiap  bulan  PLTS dapat  mensubstitusi  listrik  PLN  sebanyak Rp.  129.792,-.  Dengan  demikian  biaya  produksi akan  impas  pada  153  bulan  atau  12  tahun  9 bulan.

## KESIMPULAN
Dari  hasil  desain  pengukuran  dapat ditunjukkan bahwa desain hybrid dan synchronizer untuk  sumber  energi  listrik  PLTS dan grid PLN   dapat melakukan sinkronisasi dari kedua  sumber  untuk  disuplai  ke  beban. Penurunan  daya  dari  PLTS  akibat  turunnya intensitas  radiasi  matahari  yang  mengenai  panel surya dikompensasi dengan menaikkan konsumsi listrik  dari grid PLN.    Pengaturan  tegangan  DC pada sisi PLTS dan sisi grid PLN memungkinkan pengaturan  besaran  energi  listrik  yang  disuplai dari grid PLN.  Desain  ini  dapat  dimanfaatkan untuk mendorong percepatan pemanfaatan sumber energi surya dalam rangka penurunan gas rumah kaca.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Kepala  Balai  Besar  Bahan  dan  Barang  Teknik atas  dukungannya  dalam  pelaksanaan  penelitian ini.  Penulis  juga  mengucapkan  terima  kasih kepada Pak Karmin Rahimahullah atas bantuannya dalam penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Budi, R. F. S., and Suparman, "Perhitungan Faktor Emisi Co2 PLTU  Batubara  dan  PLTN", Jurnal Pengembangan Energi Nuklir , 15 (1), 1–8, 2013.
[2] Daulay,  Suryani,  "Rencana  Aksi  Nasional Penurunan  Emisi  Gas  Rumah  Kaca  dan
Proyeksi  Emisi  CO  2  untuk  Jangka Panjang", Prosiding Seminar dan Peluncuran Buku Outlook Energi Indonesia 2012, 88-92 , 2012.
Perancangan  Hybrid  dan  Synchronizer  Power  Supply  untuk  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  dan  Grid  PLN  (Doddy  Harja  Saputra dkk) Moulding Process Simulation for Orthodontic Bracket Application (Shinta Virdhian dkk)
[3] Arimbawa, P. A. R., Kumara, I. N. S., and Hartati,  R.  S.,  "Studi  Pemanfaatan  Catu Daya  Hibrida  PLTS  3,7  kWP  dan  PLN Pada  Instalasi  Pengolahan  Air  Limbah Desa  Pemecutan  Kaja  Denpasar  Bali",
Majalah  Ilmiah  Teknologi  Elektro ,  15  (2),
33–38, 2016.
[4] Hamzah, A., and Hendri., "Desain Pengembangan Hybrid Bidirectional Inverter 1500 Watt dengan Menggabungkan Energi Alternatif Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  dan Energi  Utilitas  untuk  Aplikasi  Rumah Tangga", Jurnal Online Mahasiswa Fakultas  Teknik  Universitas  Riau ,  3 (2),
1-11, 2016.
[5] Hegedus,  S.,  and    Luque,  A.,    "Handbook of  Photovoltaic  Science  and  Engineering, West  Sussex":  John  Wiley  &  Sons  Ltd, 2005.
[6] Kananda,  K.,  and    Nazir,  R.,  "Konsep Pengaturan  Aliran  Daya  Untuk  PLTS Tersambung  Ke  Sistem  Grid  Pada  Rumah
Tinggal", Jurnal Nasional Teknik Elektro , 2 (2), 65–71, 2013.
[7] Khan, M. W., Saleem, M., Ahmad, A., and Ayaz,  A.,  "Synchronization  of  Photo- voltaic system with a Grid", IOSR Journal of  Electrical  and  Electronics  Engineering (IOSR-JEEE) , 7 (4), 01–05, 2013.
[8] Mansyur, I. J., "Studi Komparatif 2 Model Pembangkit  Listrik  Sistem  Hibrid  PLTS Dan  PLN  /  Genset", Prosiding  Hasil Penelitian  Fakultas  Teknik  UNHAS ,  6, 2012.
[9] Sunil,  P.,  Prajapti,  N.,  Patel,  T.,  "Grid Connected  Solar  and  Wind  Hybrid System", International Journal for Innovative Research in Science & Technology , 2 (12), 300-307, 2013. [10] Santoso, H. B., and Budiyanto,
"Microgrid Development Using a Grid Tie Inverter", MAKARA Journal of Technology Series , 17 (3), 121–127, 2013.