## PENENTUAN UKURAN OPTIMUM KAPASITOR BANK DAN DUMMY LOADPLTMH DENGAN GENERATOR INDUKSI
Andi Setiawan 1
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Jember
Jl. Kalimantan 37 Jember 68121

## ABSTRACT
Sebuah teknik penentuan ukuran kapasitor dan dummy load untuk sistem pembangkit listrik tenaga air yang  menggunakan  mesin  induksi  sebagai  generator  dilakukan  dengan  membuat  model  komponen  dan sistem  dalam  Matlab  dan  menyusun  skenario  pembebanan  dan  pengaturan  parameter  sistem  agar didapatkan  ukuran  kapasitor  dan  dummy  load  yang  optimum  sekaligus.  Hasil  simulasi  sudah  dapat memberikan  informasi  tentang  ukuran  semua  ukuran  komponen  ini  dan  sekaligus  menginformasikan batas  daya  aktip  maksimum  yang  bisa  ditanggung  oleh  generator.  Dalam  makalah  ini  skenario pembebanannya  adalah  pembebanan  resistip  murni  sehingga  belum  diselidiki  apakah  metode  ini  juga bisa  digunakan  untuk  menentukan  ukuran  komponen  sistem  yang  didalamnya  terdapat  beban-beban induktip.
Keywords: Capacitor Bank, PLTMH, Asynchronous Generator

## PENDAHULUAN
Dengan  kemajuan  pola  pikir  masyarakat  dan kesadaran untuk melakukan konservasi energi pemanfaatan  pembangkit  listrik  skala  kecil  dengan sumber  energi  terbarukan  dari  alam  menjadi  sebuah kecenderungan.  Sebagai  contoh  adalah  pembangkit listrik dengan tenaga air bersakala kecil.
Fakta  yang  lain  yang  berhubungan  dengan  hal ini  adalah  kecenderungan  pemanfaatan  mesin  induksi (asinkron)  sebagai  generator  sebagai  pasangan  dari turbin-turbin  dengan  skala  mikro  dan  piko Error! Reference  source  not  found. .  Alasannya  jelas  sekali karena mesin ini memiliki desain yang kokoh dan relatif tidak  memerlukan  perawatan  dibandingkan  dengan mesin  sinkron.  Alasan  lain  adalah  harganya  yang  juga jauh  lebih  murah  dibandingkan  dengan  mesin  sinkron magnet  permanen  yang  sangat  umum  digunakan sebagai  pasangan  turbin  kecil  pada  era  pengembangan dan  ketika  aplikasinya  masih  banyak  bertujuan  untuk riset.
Mesin  induksi  kebanyakan  dirancang  secara default  untuk  diaplikasikan  sebagai  motor  penggerak dan  bukan  sebagai  generator.  Untuk  mengoperasikan- nya sebagai generator, mesin induksi perlu dirangkaikan  dengan  peralatan  lain  yang  berfungsi untuk  mencatu  daya  reaktip  yang  dibutuhkan  oleh beban. Biasanya hal ini disiasati dengan  menambahkan kapasitor  bank  atau  generator  ini  dioperasikan  secara paralalel  dengan  generator  lain  atau  bahkan  grid  agar daya  reaktip  yang  dibutuhkan  beban  bisa  dicatu  dari sumber ini.
Dalam artikel ini disajikan sebuah metode untuk menentukan  besarnya  kapasitor  yang  dibutuhkan  pada sebuah  pembangkit  listrik  tenaga  air  berskala  mikro, dan  karena  berbagai  macam  pertimbangan  desain  dan ekonomisnya,  pada  pembangkit  semacam  ini  lebih dipilih  untuk  membuang  daya  lebih  dibandingkan
dengan berinvestasi pada peralatan pengendali pada sisi input  daya  mekanisnya.  Kenyataan  ini  menyebabkan penggunaan beban semu (dummy load) menjadi pilihan pada  pembangkit  yang  tidak  dihubungkan  dengan  grid. Penentuan  besar  daya  dummy  load  ini  juga  sekaligus dilakukan bersamaan dengan penentuan besar kapasitor yang diperlukan.
Untuk menyederhanakan pembahasan dan membuat  pemodelan  ini  dapat  diverifikasi  nantinya, maka  semua  spesifikasi,  lingkungan  dan  ukuran  sistem dibuat dengan berdasar pada sebuah desain sistem kasus yang  tipikal.  Pemodelan  ini  didasarkan  pada  sistem tenaga  listrik  pikohidro  yang  merupakan  kerjasama antara  Universitas  Jember  dengan  Pondok  Pesantren Mahfilud Duror

## METODOLOGI PENELITIAN
Metode  ini  secara  umum  adalah  perhitungan aliran daya pada sistem dengan jumlah bus yang sedikit. Sebenarnya  bisa  saja  dibangun  dengan  dua  bus  namun pemodelan dengan menggunakan software Matlab akan lebih  mudah  jika  dimodelkan  dengan  beberapa  bus tambahan.  Dipilih  Matlab  sebagai  alat  bantu  analisis karena  pada  Matlab  sudah  disediakan  model  mesin induksi  yang  dapat  disimulasikan  sebagai  generator induksi dengan memberikan input torsi negatip[10].
SB MI SLACK BUS PV BUS LOAD BUS C
Gambar  1  menunjukkan  model  loadflow  untuk mewakili  metode  perhitungan  kapasitor  dan  dummy load yang digunakan.

## Pembuatan Model Komponen
Untuk  implementasinya  dalam  software  Matlab, slack  bus  dibangun  dengan  sebuah  bus  dengan  sebuah generator sinkron yang ukurannya jauh lebih besar dari beban  yang  ada  pada  LOAD  BUS  dan  generator  yang ada pada PV BUS.
Generator  sinkron  ini  diberi  input  daya  nyata dengan bilangan yang sangat kecil untuk mewakili daya nyata  nol.  Artinya  generator  atau  slack  bus  ini  tidak akan  mencatu  daya  nyata.  Sebaliknya  generator  pada slack bus ini nantinya akan menyerap semua daya nyata berlebih  yang  dihasilkan  dari  generator  induksi  jika tidak  digunakan  oleh  beban.  Jika  hal  ini  terjadi  maka pada saat itu generator sinkron atau slack bus mewakili sebuah bus yang akan menyerap semua daya nyata yang tidak diperlukan oleh beban, atau dengan kata lain slack bus ini berfungsi sebagai dummy load.

## Gambar 2. Sistem Penguatan Generator Slack Bus
Di  samping  itu,  dengan  menempatkan  sebuah sistem  penguatan  generator  sinkron  seperti  dalam Gambar  2[10]di  mana  terlihat  di  sana  bahwa  tegangan pada bus akan berusaha dipertahankan pada nilai 1 p.u, maka yang bisa dilakukan adalah dengan mencatu daya reaktip  dan  dikarenakan  load  bus  berisi  beban-beban resistip  dan  induktip  dan  juga  mesin  induksi  pasti bersifat  induktip,  maka  daya  reaktip  yang  dicatu  dari slack  bus  adalah  daya  reaktip  kapasitip.  Saat  inilah slack  bus  dan  generator  sinkron  berperan  memodelkan kondensator  sinkron  yang  berarti  bersifat  seperti kapasitor.
Bus tempat generator induksi bersifat seperti PV bus karena pada generator ini ditempatkan prime mover berupa tubin air yang akan menghasilkan daya mekanik relatip  tetap  dengan  asumsi  atau  setidak-tidaknya  daya nyata  yang  akan  dihasilkan  pada  bus  ini  tidak tergantung  pada  jumlah  beban  melainkan  tergantung pada kapasitas dari mesin dan daya mekanik turbin.
Dengan  membuat  model  peralatan  kendali dengan  umpan  balik  seperti  telihat  dalam  Gambar  3 akan  dimungkinkan  untuk  menjaga  daya  nyata generator  sekaligus  juga  menjaga  menjaga  tegangan pada  bus  sesuai  dengan  yang  dijadwalkan.  Dengan demikian  bus  generator  induksi  ini  bisa  dikatakan berperilaku sebagai PV bus.
Pemodelan  generator  induksi  dalam  Gambar  3 didasarkan pada generator sebenarnya  yang  merupakan
motor  induksi  tiga  fasa  dengan  kapasitas  5  HP, 220/380V  yang  dianggap  setara  dengan  generator dengan 3730VA.
Gambar 3. Rangkaian Turbin Generator Model PLTMH
Pemodelan  komponen  yang  terakhir  adalah pemodelan  beban  dinamis  yang  akan  berubah  dengan jangkah  tertentu  sesuai  dengan  waktu  simulasi.  Beban- beban  ini  nantinya  yang  akan  menentukan  batas kemampuan  beban  daya  nyata  atau  daya  aktip  yang akan  mampu  dipikul  oleh  generator  dengan  nilai kapasitor  yang  sudah  ditentukan  lewat  perhitungan  ini juga.

## Pembuatan Model Sistem
Gambar 4. Model Sistem PLTMH
Gambar  4  memperlihatkan  model  sistem PLTMH  berikut  sistem  pengukuran  yang  dibuat  untuk mendapatkan  data  yang  diperlukan  dalam  menentukan ukuran dari kapasitor dan dummy load.
Dari  gambar  tersebut  telihat  adanya  komponen tambahan berupa kapasitor dengan nilai yang tetap yang juga dimodelkan sebagai shunt capacitor dalam Gambar 1.  Nilai  kapasitor  ini  dibuat  cukup  kecil  karena  dan hanya  berkontribusi  pada  perbaikan  faktor  daya  pada sistem  yang  sebenarnya  dan  sama  sekali  tidak  bisa diharapkan untuk membuat generator induksi menghasilkan  tegangan  yang  cukup  untuk  memikul beban.
Dalam  model  sistem  ini  nilai  kapasitor  PF ditetapkan  sebagai  200  Var  dan  nilai  beban  dinamis dibuat dengan nilai awal 500 watt dan dinaikkan secara bertahap dengan penambahan daya 250 watt.
Dalam simulasi dilakukan pengukuran parameter-parameter jaringan yang harus bernilai sesuai dengan  yang  sudah  ditetapkan  untuk  memastikan  agar sistem berjalan sesuai dengan performa standarnya.
Pengukuran  tegangan  dilakukan  pada  PV  bus dan  slack  bus  untuk  memastikan  bahwa  tegangan-
1 Vf v ref v d v q v stab Vf Excitation System 1 1 m <Stator v oltage  v d (pu)> <Stator v oltage  v q (pu)> A B C a b c PV Tm m A B C IG 380V, 3730VA w _Turb Tm Hydro Turbine A B C a b c Slack Pm Vf _ m A B C SG 380V 300kVA A B C a b c PV A B C PF Correction Capacitor A B C a b c LOAD Tm m A B C IG 380V, 3730VA w _Turb Tm Hydro Turbine m Vf Excitation A B C Beban Dinamis -C- 0 kW
tegangan  ini  sesuai  dengan  yang  ditetapkan.  Nilai tegangan pada kedua bus ini ditetapkan sebagai 1 p.u.
Sedangkan pengukuran frekuensi dilakukan pada bus  generator  induksi  (PV  bus)  sedangkan  pada  load bus dan slack bus frekuensi dapat diamati secara visual dengan  mengamati  bentuk  teganga  sinusoida  keluaran dari bus-bus tersebut.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  bagian  ini  disajikan  hasil-hasil  simulasi dari sistem yang sudah disusun seperti dalam Gambar 4 dan disimulasikan dengan waktu simulasi 4 detik.
Penambahan  beban  dilakukan  setiap  0.5  detik dengan  besar  penambahan  beban  daya  aktip  murni sebesar 250W.
Gambar 5. Hasil Pengukuran Tegangan dan Arus pada PV Bus

## Pengamatan Parameter Jaringan
Gambar  5  menujukkan  hasil  pengukuran tegangan  dan  arus  pada  PV  bus.  Dengan  mengamati gambar ini dapat dilihat bahwa frekuensi yang menjadi parameter  penting  untuk  pengoperasian  generator  dan beban-beban  yang  lain  sudah  memenuhi  syarat  yaitu 50Hz.  Sedangkan  besaran  rms  tegangan  yang  diukur dari  fase  ke  netral  adalah  310/sqrt(2)  =  220V.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  dalam  pengoperasian  dengan menggunakan  skenario  pembebanan  ini  sistem  dapat beroperasi  dengan  tetap  mempertahanka  parameter utamanya yaitu tegangan dan frekuensi.
Nilai  tegangan  dan  frekuensi  dalam  sistem  ini sangat  dipengaruhi  oleh  kerja  pengaturan  putaran  dan torsi  pada  rangkaian  tubin  generator  induksi.  Inilah perilaku  generator  induksi  yang  tidak  bisa  mengatur langsung  daya  reaktip  yang  dihasilkan  sehingga  sistem pengaturan yang berhubungan dengan langsung dengan mesin ini hanyalah pengaturan putaran untuk menghasilkan frekuensi di dekat nilai frekuensi sinkron.
Gambar  6  menunjukkan  hubungan  antara  torsi dan  frekuensi  atau  kecepatan  putaran  generator  yang dihasilkan.  Dalam  gambar  ini  terlihat  bahawa  nilai frekuensi  dibatasi  pada  1.015  p.u  dengan  kata  lain putaran  generator  dibatasi  pada  1.5%  di  atas  putaran sinkron.
Gambar 6. Kerja Pengaturan Turbin-Generator untuk Mempertahankan Frekuensi.

## Penentuan Ukuran Komponen Kapasitor dan Dummy Load
Selanjutnya  ditunjukkan  hasil  simulasi  yang menunjukkan hubungan antara daya-daya pada masing- masing komponen pendukung sistem dalam Gambar 7.
Terlihat dalam grafik daya ini bahwa daya  yang dihasilkan  dari  generator  induksi  (PGen)  cenderung tetap.  Hal  ini  sesuai  dengan  skenario  pengaturan  yang ada  bahwa  semua  daya  mekanik  yang  dihasilkan  dari hydro  turbine  harus  disalurkan  ke  sumbu  putar generator yang terkopel pada turbin ini.
Perubahan  daya  pada  beban  yang  ditunjukkan dengan  grafik  Pload  berwarna  biru  dikompensasi dengan  pemnyaluran  daya  pada  slack  bus  yang ditunjukkan dengan grafik Pslack yang berwarna merah.
Gambar 7. Hubungan Daya pada Komponen Sistem.
Ada beberapa hal yang bisa disimpulkan dengan mengamati  hasil  simulasi  yang  ditunjukkan  dalam Gambar  7.  Pertama  adalah  besaran  daya  reaktip  yang harus  disediakan  pada  sistem  untuk  menjamin  agar sistem selalu dapat menyediakan semua kebutuhan daya reaktif  sistem.  Besar  daya  reaktip  ini  ditunjukkan dengan  garis  grafik  Qslack  yang  dalam  simulasi  ini berarti besar daya reaktip yang diberikan oleh generator pada  slack  bus.  Besaran  var  dari  reaktip  ini  nantinya yang  akan  digantikan  dengan  besarnya  var  kapasitor yang akan diinstal pada sistem.
3.9 3.92 3.94 3.96 3.98 4 -400 -200 0 200 400 B u s V o lt a g e ( V ) Bus Volatage PPMD-PLTM Va(V) Vb(V) Vc(V) 3.9 3.92 3.94 3.96 3.98 4 -1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 Simulation time (s) L in e C u rr e n t (p .u ) Load Current PPMD-PLTM
Ia(p.u) Ib(p.u) Ic(p.u)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0.94 0.98 1.02 Simulation time (s) To rq u e & Fr e q u e n c y ( p .u ) Turbine-Generator Parameter PPMD-PLTM Freq(p.u) T-Speed(p.u) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Simulation time (s) B u s P o w e r Active & Reactive Power PPMD-PLTM P Gen (W) P Load (W) P Slack (W) Q Slack (var)
Besaran  nilai  ini  tentunya  juga  tergantung  pada bersar  kebutuhan  daya  reaktip  beban-beban  yang diinstal  pada  bus  beban.  Dalam  percobaan  ini digunakan  beban-beban  resistip  sehingga  semua  nilai daya  reaktip  ini  adalah  mewakili  nilai  kapasitor  yang diperlukan  untuk  pembangkitan  tegangan  generator. Dari  grafik  Qslack  terlihat  bahwa  besar  kapasitor  yang diperlukan  dengan  asumsi  bahasa  semua  beban  adalah beban-beban  resistip  ataupun  beban-beban  dengan faktor daya yang mendekati unity adalah 3-3.5 kvar.
Selanjutnya,  dengan  mengamati  grafik  Pslack yang  berwarna  merah  yang  nilainya  merupakan  selisih dari  daya  beban  terhadap  daya  generator  bisa disimpulkan  besaran  daya  dummy  load  yang  harus disediakan.  Ukuran  dummy  load  ditetapkan  sebesar 2kW  yang  merupakan  daerah  persilangan  grafik  Pload dan  Pslack.  Nilai  ini  sekaligus  merupakan  nilai  batas daya aktip maksimum dari beban yang bisa dipikul oleh sistem.
Dalam  simulasi  ini  sistem  masih  dapat menanggung  beban  daya  aktip  lebih  besar  dari  2kW karena  adanya  slack  bus  yang  secara  teoritis  dapat menyerap dan menarik beban aktip dan reaktip.
Jadi  dari  simulasi  ini  dapat  ditentukan  tiga besaran  yaitu;  daya  reaktip  kapasitor,  daya  aktip dummy load dan batas daya aktip beban.

## KESIMPULAN
Penentuan  ukuran  kapasitor,  dummy  load  dan batas  daya  beban  sistem  pembangkit  listrik  dengan menggunakan  mesin  induksi  sebagai  generator  telah disimulasikan  dan  menghasilkan  informasi  yang dibutuhkan.
Besar  kapasitor  dalam  simulasi  ini  mendekati besaran kVA yang ditetapkan dari spesifikasi nilai daya mekanik  motor  induksi  (HP).  Dalam  simulasi  ini  besar daya  reaktip  dari  kapasitor  yang  harus  disediakan adalah  3-3.5kvar  yang  mendekati  nilai  kVA  generator yaitu 3730 kVA.
Nilai kapasitor ini haru ditambah jika diasumsikan  beban-beban  yang  akan  diinstal  adalah beban-beban  induktip  dan  nilai  bersaran  daya  induktip ini  juga  harus  dikompensasi  dengan  besaran  kapasitor yang diinstal.
Besaran  daya  dummy  load  adalah  sebesar  nilai daya aktip beban maksimum yang bisa ditanggung oleh generator.  Dalam  simulasi  ini  besar  daya  aktip maksimum beban dan dummy load adalah sebesar 2kW.
Semua  besaran  komponen  yang  dihasilkan dengan cara ini akan sesuai dengan kenyataan jika pada implementasinya bisa dibangun sistem turbin-generator yang  bisa  melakukan  pengaturan  putaran  untuk mempertahankan  parameter  jaringan  dengan  tidak mengurangi daya mekanik turbinnya.

## SARAN
Dalam simulasi ini penyelidikan hanya dilakukan  dengan  menggunakan  beban-beban  resistip dan  memerlukan  data  yang  lebih  jauh  tentang  beban untuk  dapat  melakukan  simulasi  pembebanan  dengan memasukkan nilai reaktip dari beban.
Pengujian  yang  lebih  baik  akan  dapat  dilakukan
dengan  melakukan  verifikasi  pada  sistem  yang sebenarnya  dan  mendapatkan  karakteristik  pengaturan pada  turbin-generator  sehingga  dapat  dimodelkan dengan lebih tepat dan pemodelan serta simulasi sistem secara  keseluruhan  dapat  menghasilkan  informasi  yang lebih sesuai dengan perilaku sistem yang sebenarnya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. F.  Iov,  A.  D.  Hansen,  P.  Sørensen,  and  F.  Blaabjerg, “Wind  Turbine  Blockset  in  Matlab/Simulink.  General Overview  and  Description  of  the  Model,”  tech.  rep., Aalborg University, 2004
[2]. G.  Raina  and  O.  P.  Malik,  “Wind  Energy  Conversion Using ASelf-Excited Induction Generator,” IEEE Trans. Power  App.  Syst.,Vol.  PAS  -102,  no.  12,  1983,  pp. 3933–3936.
[3]. K.  Subramanian*,  K.  K.  Ray  Venkat  and  S.  Aravind, "Experimental  Based  Capacitance  Calculation  of Induction Motor: As Wind Power Generator" , Chennai and Dr.MGR University Second International Conference  on  Sustainable  Energy  and  Intelligent System, July 2011
[4]. K.  Subramanian,K.  K.  Ray,  Evaluation  of  Capacitance Requirements for Constant Voltage Operation of a Self- Excited  Induction  Generator  in  Stand  Alone  Mode, International  Review  on  Modelling  and  Simulations (I.RE.MO.S.), Vol. 4, N. 6, December 2011
[5]. Malik  N.  H.,  Al-Bahrani,  A.H.,  Influence  of  the terminalcapacitor  on  the  performance  characteristics  of a self- excited induction generator,” IEE Proc., Vol.137, pt. C, No.2, 1990,pp 168-173.
[6]. Marco  Araújo,  “Circuit  Analysis  and  MATLAB Simulation ofChua Oscillator”, International Review on Modelling andSimulations (IREMOS), Vol.2, n3, 2009, pp 254-258.
[7]. Murthy,  S.S.,  Singh  B.P.  et.  al.,  “Studies  Of  The ConventionalInduction Motor As Self-Excited Induction Generators,”  IEEETransaction  on  energy  conversion, Vol.3, No.4, 1988, pp 842 -848
[8]. P. Immonen, L. Laurila, and J. Pyrhönen, “Modelling of a  Diesel-Electric  Parallel  Hybrid  Drive  System  in Matlab  Simulink”,International  Review  on  Modelling and  Simulations  (IREMOS),Vol.2,  n.5,  2009,  pp  565- 572.
[9]. R.  C.  Bansal,  “Three-Phase  Self-Excited  Induction Generators:Over  View,”  IEEE  Transaction  On  Enrgy Conversion, vol. 20,No.2, June 2005, pp. 292 – 299.
[10]. R.  Reid,  B.  Saulnier,  R.  Gagnon,  "Wind-Turbine Asynchronous  Generator  in  Isolated  Network"", Copyright  1997-2006  The  MathWorks,  Inc.Published with MATLAB® 7.8"
[11]. Subramanian  Kulandhaivelu,  K.K.Ray,  P.  Jyothi  ,  S. Jayachitra, and V.Narasinga Rao, Experimental Evaluation  Of  Capacitance  Value;  ToSelf-Excite  The Induction  Motor  Operating  AsGenerator  in  Wind Energy Conversion, IEEE  PROCEEDINGS OF ICETECT 2011.
[12]. T.Ahmed.,  O.  Noro,  E.  Hiraki  and  M.  Nakaoka, “TerminalVoltageregulation  Characteristics  By  Static Var  Compensator  ForA  Three-Phase  Self-Excited Induction  Generator,”  IEEETrans.Ind.  Appl.,  2004,  40, (4), pp. 978–988
[13]. Three Phase Squirrel Cage Induction Motors, ASI.CT.027.6.GB, Marelli Motori Catalouge, 2011.
[14]. Yogesh  K.  Chauhan,  Sanjay  K.  Jain,  and  Bhim  Singh, “AProspective  on  Voltage  Regulation  of  Self-Excited InductionGenerators  for  Industry  Applications,”  IEEE
Transactions  OnIndustry  Applications,  Vol.  46,  No.2, 2010, pp 720 – 730.
[15]. Yogesh  K.  Chauhan,  Sanjay  K.  Jain,  and  Bhim  Singh, “AProspective  on  Voltage  Regulation  of  Self-Excited
InductionGenerators  for  Industry  Applications,”  IEEE Transactions  OnIndustry  Applications,  Vol.  46,  No.2, 2010, pp 720 – 730.