## OPTIMALISASI DAYA KELUARAN PEMBANGKIT LISTRIK
MIKRO HYDRO (PLTMH) MELALUI CURRENT COMPENSATOR (POWER OPTIMALIZATION FOR MICRO-HYDRO POWER PLANT BY USING CURRENT COMPENSATOR)
Slamet Riyadi, Leonardus Heru P.
Laboratorium Elektronika Daya, Teknik Elektro – FTI, Unika Soegijapranata

## ABSTRACT
Micro-Hydro  Power  Plants  (PLTMH)  have  been  built  in  some  countries  in  Indonesia  as alternative ways to generate electricity for any regions which have no electricity from PLN. Electric energy generated by PLTMH are commonly used for loads such as electric motors, lamps, heaters, etc. This consumpsion will result in some power components appear, these are active power, reactive power and harmonics so the efficiency will be poor and finally the amount of power that used by the people will be smaller. In this research a device called current  compensator  is  installed  in  parallel  connection  to  the  system  to  recovery  reactive and  harmonic  power  component.  This  compensator  will  inject  current  components  that force  the  generator  only  supply  active  power  compenent.  This  condition  will  increase  the efficiency.  The  core  of  a  current  compensator  is  power  converter  that  is  implemented  by high  speed  static  switches.  They  are  controlled  automatically  to  adapt  the  real  condition. Analysis and laboratory experimental works are done to validate.
Keywords : active power, reactive power, harmonics, compensator

## PENDAHULUAN
Energi  listrik  merupakan  faktor dominan  yang  mendorong    pertumbuhan ekonomi  bangsa  Indonesia  sehingga Pemerintah  terus  berusaha  agar  energi listrik  dapat  menjangkau  seluruh  lapisan masyarakat. Bagi masyarakat di pedesaan,  karena  kondisi  geografis  dan keterbatasan  PLN  maka  hingga  saat  ini belum  dapat  teraliri  listrik  sehingga tingkat  pertumbuhan  ekonominya  tidak secepat  daerah  di  mana  sudah  tersedia energi  listrik.  Berbagai  langkah  telah dilakukan oleh masyarakat secara swadaya maupun dengan bantuan Pemerintah  Daerah  guna  mendapatkan energi listrik. Beberapa pembangkit listrik skala  kecil  telah  dapat  diupayakan,  di antaranya  adalah  PLTMH  (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro).
Suatu
PLTMH sebenarnya
merupakan  skala  kecil  dari  PLTA (Pembangkit  Listrik  Tenaga  Air)  yaitu suatu pembangkit listrik yang memanfaatkan  aliran  air  guna  memutar turbin  air.  Walaupun  sangat  bergantung pada kondisi musim tetapi jenis pembangkit  ini  sangat  murah  dalam operasionalnya.  PLTMH  dapat  dibangun dari  skala  untuk  memenuhi  kebutuhan listrik beberapa penduduk hingga kebutuhan listrik untuk beberapa desa dan umumnya terpisah dengan sistem PLN PLTMH  yang  dibangun  di  suatu area belum tentu akan mampu memenuhi kebutuhan listrik bagi seluruh masyarakat di area tersebut, hal ini sangat ditentukan oleh  tersedianya  aliran  sungai  yang tersedia.  Oleh  karena  itu,  energi  listrik yang  telah  dibangkitkan  harus  mampu diubah menjadi daya yang dapat
dimanfaatkan oleh konsumen (masyarakat). Hal ini menunjukkan betapa  pentingnya  untuk  mengubah  daya semu  (VA)  menjadi  daya  nyata  (Watt) semaksimal  mungkin.  Jika  nilai  Watt semakin  tinggi  maka  akan  semakin banyak masyarakat yang dapat menikmati energi  listrik  suatu  PLTMH.  Dengan demikian  langkah  menerapkan  teknologi yang  mampu  mengoptimalkan  daya keluaran suatu PLTMH sangat diperlukan. Suatu compensator pada prinsipnya merupakan suatu piranti konverter yang menggunakan saklar statis berkecepatan tinggi (dapat dipakai
MOSFET atau IGBT) dan mulai berkembang  sejak  dekade  80-an.  Sejak mulai  banyak  digunakan  beban  motor listrik, lampu SEL maupun beban modern lainnya  maka  dampak  negatifnya  mulai dirasakan  karena  jika  diabaikan  akan memperpendek  umur  peralatan  [Lai  dan Key,1997], [Grusz, 1990]. Untuk mengurangi  pengaruh  dari  beban  yang menyerap  daya  reaktif  dan  harmonisa maka telah dilakukan beberapa antisipasi, antara lain dengan menggunakan komponen  pasif  (induktor  dan  kapasitor) untuk  memperbaiki  walaupun  ukuran menjadi  besar  [Al-Zamil  dan  Torrey, 2001]. Konverter dapat diterapkan sebagai compensator jenis  tegangan ( voltage ) untuk mengurangi beban seperti di  atas,  dalam  implementasinya  dipasang secara  seri  [Wang,  dkk.  2001].  Penulis juga  telah  mengembangkan  konverter sebagai compensator jenis  arus  ( current ) untuk melakukan reduksi terhadap distorsi akibat beban tak linier. Konverter jenis  ini  dipasang  di  sisi  beban  [Riyadi, dkk. 2004], [Riyadi dan Haroen, 2005]. Pada  penelitian  ini  dilakukan langkah  mengoptimalkan  daya  keluaran suatu  PLTMH  melalui  suatu  alat  yang dinamakan current compensator . Compensator yang  menggunakan  suatu
konverter  statis  mampu  menginjeksikan daya reaktif dan harmonisa sehingga daya nyata  keluaran  dari  PLTMH  akan diupayakan mendekati nilai VA-nya.

## BAHAN DAN METODA
Suatu generator AC dengan rating 220V/50Hz  pada  kondisi  ideal  akan menghasilkan tegangan AC yang memiliki  arti  fisik  berupa  gelombang sinusoidal  dengan  nilai  puncak  sebesar
2 220 Volt  dengan  perioda  sebesar  20 mili  dt  (dalam  1  detik  terjadi  50  buah gelombang  sinusoidal).  Jika  generator dihubungkan  dengan  peralatan  listrik maka  akan  mengalir  arus  (bolak-balik) dari generator ke beban atau sebaliknya.
Arus  yang  bersifat  resistif  akan memiliki gelombang dengan bentuk sama tetapi  dengan  amplituda  berbeda,  kondisi ini  mengandung  arti  bahwa  daya  yang dihasilkan  selalu  mengalir  dari  sumber tegangan  ke  sisi  beban.  Secara  vektor diagram  daya  maka  nilai  daya  nyata  (P) akan  sama  dengan  nilai  daya  semu  (S). Kondisi memiliki arti bahwa seluruh arus yang  mengalir  dari/ke  generator  akan menghasilkan daya yang dapat dimanfaatkan.  Beban-beban  listrik  yang memiliki karakteristik seperti ini adalah : lampu  bolam  dan  pemanas  ( heater )  [Lai dan  Key,1997].  Sedangkan  arus  induktif memiliki sifat tergeser dari tegangan fasa tetapi  masih  memiliki  bentuk  gelombang sama  dengan  tegangan.  Arus  induktif  ini memiliki pergeseran sudut fasa sebesar 90 derajad  terhadap  tegangannya  sehingga akan menghasilkan nilai daya sesaat yang berubah  dari  positif  dan  negatif  tetapi nilai  rata-ratanya  sama  dengan  nol, kondisi  ini  mengandung  arti  bahwa  daya yang  dihasilkan  akan  mengalir  dari generator  ke  sisi  beban    dan  sebaliknya. Diagram vektor pada pembebanan induktif  menunjukkan  seluruh  arus  akan diubah  menjadi  daya  reaktif  yang  tidak
dapat  dimanfaatkan  menjadi  kerja  maka dengan  demikian  daya  yang  bermanfaat (P) akan sama dengan nol.
Berbeda  dengan  arus  resistif  dan arus  induktif,  arus  harmonisa  memiliki bentuk  yang  berbeda  dengan  gelombang tegangannya.  Menurut  Fourier,  setiap gelombang  periodik  dapat  dinyatakan dengan  jumlah  gelombang-gelombang sinusoidal.  Arus  harmonisa  ini  akan menghasilkan  nilai  daya  sesaat  yang berubah  dari  positif  dan  negatif  tetapi nilai  rata-ratanya  sama  dengan  nol, kondisi  ini  mengandung  arti  bahwa  daya yang  dihasilkan  akan  mengalir  dari sumber  tegangan  ke  sisi  beban    dan sebaliknya  [Riyadi,  dkk.  2004].  Dalam implementasi  beban  yang  mengandung komponen  harmonisa  sering  dinamakan beban  tak  linier.  Beban  tak  linier  jenis kapasitif sering dijumpai dalam peralatan listrik  yang  menggunakan  penyearah dioda  dengan  tapis  kapasitor  pada  sisi keluarannya  sedangkan  beban  tak  linier jenis  induktif  sering  dijumpai  dalam peralatan  listrik  yang  menggunakan penyearah  thyristor/dioda  dengan  tapis
induktor  pada  sisi  keluarannya  [Grusz, 1990].
Pada  pembebanan  resistif  akan terjadi  kondisi  di  mana  daya  semu  (S) sama dengan daya nyata (P). Pada kondisi ini  maka  arus  yang  mengalir  dari generator  sepenuhnya  diubah  menjadi daya  nyata  atau  dengan  kata  lain  bahwa daya yang dihasilkan akan dapat dimanfaatkan menjadi kerja yang berguna. Sedangkan pada jenis pembebanan  selain  resistif  maka  akan muncul  komponen  daya  lainnya,  yaitu daya  reaktif  (Q)  dan  daya  harmonisa  (H) di  mana  komponen  daya  ini  akan  bolak- balik  dari  sumber  ke  beban  dan sebaliknya. Komponen daya ini sebenarnya merupakan daya yang terperangkap  dalam  sistem  dan  tidak dapat dimanfaatkan menjadi kerja. Mengalirnya komponen daya tak bermanfaat ini akan menyebabkan keluaran  dari  suatu  generator  jauh  di bawah  nilai rating -nya.  Sehingga  akan pemakaian daya keluaran generator dapat optimal  maka  harus  dicapai  kondisi  di mana daya nyata sama dengan daya semu (P = S).
Gb-1.  Perbaikan pada sistem dengan pembebanan resistif-induktif  (a) sebelum perbaikan
(b) sesudah perbaikan Perbaikan sistem dengan pembebanan  resistif-induktif  dilakukan melalui  injeksi  daya  reaktif  sebesar  (-Q) sehingga  nilai  S  akan  sama  dengan  P. Sedangkan  perbaikan  sistem  dengan
pembebanan  resistif-harmonisa  melalui injeksi  daya  harmonisa  sebesar  (-H) sehingga  nilai  S  akan  sama  dengan  P. Perbaikan  sistem  dengan  pembebanan resistif-reaktif-harmonisa dilakukan
melalui  injeksi  komponen  daya  reaktif  (- Q)  dan  daya  harmonisa  (-H)  [Riyadi  dan
Haroen, 2005].
Gb-2.  Perbaikan pada sistem dengan pembebanan resistif-harmonisa  (a) sebelum perbaikan  (b) sesudah perbaikan
Gb-3.  Perbaikan pada sistem dengan pembebanan resistif-induktif-harmonisa  (a) sebelum perbaikan  (b) sesudah perbaikan
HASIL Pada Gb-4 disajikan skema
current  compensator yang  dipasang paralel antara generator dan beban. Suatu current  compensator terdiri  dari  saklar statis  dengan  induktor  dan  kapasitor. Tegangan  generator  akan  dideteksi  untuk dipergunakan  sebagai  dasar  referensi.
Arus referensi dibentuk dengan mengalikan  tegangan  generator  dan keluaran  kontroler  PI.  Konstanta  pengali ini  akan  mengindikasikan  nilai  tegangan kapasitor  yang  konstan,  di  mana  pada kondisi  ini  terjadi  keseimbangan  daya dalam  sistem.  Selanjutnya  nilai  arus
referensi  akan  dibandingkan  dengan  nilai arus  sumber  serta  selisihnya  (nilai error ) akan  dijadikan  sebagai  sinyal  masukan bagi current  controller .  Didasarkan  pada pulsa  PWM  yang  keluar  dari current controller maka  saklar  statis  akan dikendalikan.
Dalam  penelitian  ini current compensator
difungsikan untuk memberikan  dan  menyerap  daya  reaktif dan  harmonisa  dari  beban  listrik  yang menghasilkan  daya  jenis  itu.  Kapasitor (C)  pada current  compensator berguna untuk menyimpan energi sesaat.
ref V C i L i S i
Gb-4.  Skema current compensator
Gb-5.  Prototip compensator skala laboratorium dan generator AC sinkron yang diputar motor DC untuk pengganti PLTMH
Gb-6.  Hasil pengujian laboratorium  (a)  arus sumber setelah dipasang compensator    (b) arus sumber sebelum dipasang compensator (c)  tegangan sumber    (d) arus sumber sebelum
dipasang compenstor PEMBAHASAN Untuk melakukan validasi
terhadap  hasil  analisa  dan  simulasi  maka dilakukan perancangan prototip alat skala laboratorium  (Gb-5).  Untuk  mendekati suatu  PLTMH  maka  dipakai  suatu generator  AC  sinkron  yang  diputar dengan  motor  DC  sedangkan  untuk
membatasi agar tegangan yang digunakan tidak terlalu tinggi maka digunakan suatu trafo  penurun  tegangan.  Pada  Gb-6 disajikan  hasil  pengujian  laboratorium untuk  arus  sumber  pada  kondisi  sebelum dan  sesudah  pemasangan compensator . Sebelum  pemasangan compensator maka arus  sumber  tidak  berbentuk  sinusoidal
yang  mengindikasikan  terkandungnya komponen  harmonisa  sehingga  tidak efisien. Setelah pemasangan compensator maka  arus  sumber  menjadi  sinusoidal yang  memiliki  efisiensi  lebih  baik.
Compensator yang dipasang selalu menginjeksikan arus untuk terus memaksa  arus  sumber  selalu  sinusoidal. Faktor  daya  yang  dapat  dijadikan  dasar menilai  efisiensi  pemanfaatan  energi dapat  dilihat  pada  gambar  tersebut,  yaitu tampak  gelombang  arus  dan  tegangan yang merupakan dua gelombang sinusoidal  yang  sefasa.  Kondisi  ini menunjukkan  bahwa  faktor  daya  sistem mendekati satu (sesuai Gb-3b).
Pemanfaatan  energi  listrik  untuk beban-beban yang tidak linier menyebabkan munculnya komponen daya lain  di  luar  komponen  daya  nyata. Komponen daya tersebut
akan mengurangi  efisiensi  pemanfaatan  energi listrik. Kondisi ini ditandai dengan bentuk arus  yang  tidak  sinusoidal.  Untuk menaikkan  efisiensi  pemanfaatan  energi listrik  yang  dihasilkan  oleh  generator maka dapat dilakukan langkah pemasangan current  compensator yang dihubungkan secara paralel.

## SIMPULAN
Suatu compensator dengan implementasi  konverter  statis  mampu menginjeksikan  komponen  daya  reaktif dan  harmonisa.  Suatu  PLTMH  yang umumnya berskala kecil dapat dioptimalkan  daya  keluarannya  yang menurun  akibat  pemakaian  beban  tak linier.  Optimalisasi  ini  dilakukan  dengan memasang  suatu compensator secara paralel dengan sistem sehingga compensator menginjeksikan daya reaktif dan  harmonisa  sebesar  daya  reaktif  dan harmonisa  yang  ditimbulkan  oleh  beban tak  linier.  Pada  kondisi  ini  pembangkit (sumber) hanya akan mencatu daya nyata sehingga  nilai  daya  nyata  mampu mendekati nilai VA-nya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih disampaikan kepada BALITBANG PROVINSI JAWA
TENGAH atas dukungan biaya penelitian ini dan LPPM Unika Soegijapranata yang telah  memberi  bantuan  demi  kelancaran pelaksanaannya.

## DAFTAR PUSTAKA
Al-Zamil, A.M. dan Torrey, D. A. (2001) :  A  Passive  Series,  Active Shunt  Filter  for  High  Power Applications, IEEE  Trans.  on Power  Electronics , vol.16, no.1 ,  101-109.
Grusz,  T.  M.  (1990)  :  A  Survey  of Neutral  Currents  in  Three- Phase Computer Power Systems, IEEE  Trans.  on
Industry  Applications , vol.26,
no.4 , 719-725. Lai,  J.  S.  dan    Key,  T.  S.  (1997)  : Effectiveness  of  Harmonic Mitigation Equipment for Commercial  Buildings, IEEE Trans. on Industry Applications , vol-33,  no.4 , 1104-1110.
Riyadi,  S.,  Haroen,  Y.,  Sudirham,  S., Sughartono  (2004),  A  Virtual Instantaneous  Power  Based Control  Method  of  a  Shunt Active Power Filter for Three- Phase  Four-Wire  Systems, Proceedings  of  International
Conference on Electric Machines and Systems (ICEMS) , South Korea Riyadi,  S.,  Haroen,  Y  (2005),  A  New Control  Strategy  for  Three-
Phase  Shunt  Active  Power
Filter  that  based  on  Source Instantaneous Power, Proceedings  of    International Power Engineering Conference (IPEC) , Singapore Riyadi,  S    dan  Haroen,  Y.  (2005), Analysis of Instantaneous Representative  Active  Power Equality based Control Method for Three Phase Shunt
Active Power Filter, The Sixth
International  Conference  on Power  Electronics  and  Drive
Systems (PEDS) , Kuala Lumpur, Malaysia
Wang,  Z.,  Wang,  Q.,  Yao,  W.,    dan  Liu,
J.  (2001)  :  A  Series  Active
Power  Filter  Adopting  Hybrid Control
Approach, IEEE
Trans.  on  Power  Electronics , vol.16, no.3 , 301-310.