Oleh : Kikin Khoirur Roziqin 2206 100 129 Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Mochammad Ashari, M.Eng. Ir. Sjamsjul Anam, M.T.
Latar Belakang Beban Non Linier
Filter
Harmonisa
Usaha Penyelesaian
Permasalahan pada Sistem Tenaga Listrik
Permasalahan Permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah apakah Fuzzy Logic Controller (FLC) layak untuk diimplementasikan pada filter aktif shunt tiga tingkat dalam meredam harmonisa pada sistem tenaga listrik.
Tujuan Mengetahui prinsip kerja filter aktif shunt tiga tingkat. Mendesain filter aktif shunt tiga tingkat berbasis
FLC untuk meredam harmonisa. Mengetahui total harmonics distortion (THD) yang terbangkit sebelum dan sesudah pemasangan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis FLC. Membandingkan kinerja dari FLC dengan Proportional Integral (PI) Controller sebagai kontrol kendali Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat.
HARMONISA
Gelombang Fundamental
Hasil Penjumlahan Gelombang Fundamental & Harmonisa Ketiga
Gelombang Harmonisa Ketiga
Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat
Filter aktif shunt tiga tingkat merupakan suatu filter
aktif shunt yang menggunakan inverter tiga tingkat dalam pembentukan arus kompensasi untuk meredam harmonisa.
Diagram Blok Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat IsA IsB IsC IcA
IcB
IcC
Filtering IhA IhB IhC + + + -
-
-
eIC eIB eIA
Control Block Iref FLC
Inverter Tiga Tingkat
Inverter Tiga Tingkat Inverter merupakan suatu peralatan elektronika yang
mengkonversikan listrik arus searah (DC) menjadi listrik arus bolak-balik (AC). Inverter ini bisa terdiri dari satu tingkat maupun banyak tingkat atau yang biasa disebut dengan multilevel inverter.
Inverter Tiga Tingkat
DESAIN DAN PEMODELAN INVERTER TIGA TINGKAT BERBASIS FUZZY LOGIC CONTROLLER (FLC) SEBAGAI FILTER AKTIF
Konfigurasi Sistem BEBAN NON LINIER
Sumber
BEBAN LINIER
FILTERING
FLC
INVERTER TIGA TINGKAT
Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat
Komponen Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis FLC Filtering Aplikasi Fuzzy Logic Controller
Prosedur Penyalaan Inverter Tiga Tingkat
Filtering Filtering merupakan suatu proses untuk mendapatkan
sinyal arus harmonisa dengan cara memfilter sinyal arus dan tegangan pada sistem. Arus referensi atau harmonisa arus diidentifikasi dengan transformasi α-β untuk mendapatkan daya real dan imajiner. Tegangan sumber (VS1, VS2, VS3) dan arus sumber (IS1, IS2, IS3) ditransformasikan menjadi sistem bi-phase menurut persamaan berikut :
Filtering Daya aktif dan daya reaktif sesaat pada sistem dihitung
berdasarkan persamaan di bawah ini :
Setelah itu, untuk mendapatkan arus referensi harmonisa
dilakukan transformasi sesuai dengan persamaan berikut :
Filtering Untuk mendapatkan arus referensi harmonisa yang
sesungguhnya, maka arus harmonisa dalam sistem biphase harus ditransformasikan dengan invers dari transformasi α-β, dimana ditunjukkan pada persamaan berikut :
Pemodelan Filtering Vref _Transf u
2
Vsa^2 1/u u
2
Fcn
Vsb^2
Va
3 Vc
Scope
Fo=50 Hz
1 2 Vb
K*u Gain
K*u p
Gain 1
Iref alpha K*u
K*u
Gain 6
Gain 7
Fo=50 Hz
Ia 4 6 Ic
5 Ib
K*u
K*u
Gain 2
Gain 3
q
Iref betha Scope 7
-1 Constant
Iref _Transf
1 I_Ref
Prosedur Pengontrolan Menggunakan FLC Menentukan Rule Base FLC Tabel 1 Rule Base Fuzzy Logic Controller Error d_error LN
N
ZE
P
LP
ln
BN
N
P
P
BP
n
BN
N
P
P
BP
ze
BN
N
ZE
P
BP
p
BN
N
N
P
BP
lp
BN
N
N
P
BP
Prosedur Pengontrolan Menggunakan FLC Menentukan Membership Function
Fungsi keanggotaan atau Membership Function (MF) menyatakan fungsi secara keseluruhan yang menyatakan derajat keanggotaan (Membership Function) dari masingmasing variabel. Sedangkan yang dimaksud variabel disini adalah error, delta error, dan sinyal kontrol keluaran.
Membership Function Variabel Masukan Error dan Delta Error
Membership Function Variabel Masukan Output
Simulasi Fuzzy Logic Controller error A
1 z Fuzzy Logic Controller d_error A Out A
error B Out B
1 In
1 Out
1 z Fuzzy Logic Controller 1
Out C d_error B
error C
1 z Fuzzy Logic Controller 2
d_error C
Aplikasi Fuzzy Logic Controller
Prosedur Penyalaan Inverter Tiga Tingkat Tabel 2 Sinyal Kontrol Ideal Switch pada Inverter Tiga Tingkat Ki
Ti1
Ti2
Ti3
Ti4
Vio
1
1
1
0
0
Vdc/2
0
0
1
1
0
0
-1
0
0
1
1
- Vdc/2
Inverter Tiga Tingkat +v -
1 In 11
g
m
1
2
5 In 21
Ideal Switch
g
m
1
2
9 In 31
Ideal Switch 4
g
m
1
2
Ideal Switch 8
Diode
Diode 1
Diode 2
2 In 12
g
m
1
2
6 In 22
Ideal Switch 1
g
m
1
2
10 In 32
Ideal Switch 5
g
m
1
2
Port A 1
Ideal Switch 9 A B C
A B C
Port B 2 Port C
Diode 3
3 In 13
g
m
1
2
7 In 23
Ideal Switch 2
Diode 4
g
m
1
2
11 In 33
Ideal Switch 6
g
m
1
2
Ideal Switch 10
Diode 5 4 In 14
g
m
1
2
Ideal Switch 3
8 In 24
g
m
1
2
Ideal Switch 7
12 In 34
g
m
1
2
Ideal Switch 11
3
SIMULASI DAN ANALISIS Pemodelan Sistem Tanpa Filter Aktif Shunt 3 Tingkat V_normal
+ -v
Discrete, Ts = 0.0001 s.
+ - v
P
P
Vabc
+v -
+v -
Q
Q
+v -
+v -
S
S
Iabc pf
+ -i
+v [Ia]
[Ib]
A
+ -i
B C
+ -i
Beban Non Linier
[Ic] B
+ -i
C
Three-Phase V-I Measurement
+ -i
A
Three-Phase Source
+ -i
v + -
C
+ -i
v + -
B
pf
v + -
A
A Vabc Iabc B a b C c
I_arus_normal
Beban Linier Goto 1 [Va] [Vb] [Vc]
Pemodelan Beban Linier 1 A
A
a
B
b
C
c
A
3 C
2 B
C
13 kVA
B
Beban linier berupa R dan L seri tiga fasa dengan daya terpasang
Three -Phase Series RL Load
Pemodelan Beban Non Linier
Beban non linier yang terdiri dari sebuah penyearah tiga fasa
serta beban R dan C dengan daya terpasang sebesar 2.8 kVA 1 A 2 B 3 C
A
a
A
B
b
B
C
c
C
+ RC Load
-
Rectifier 3 Phasa
Hasil Simulasi Tanpa Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC 1. Simulasi ini menggunakan MATLAB Simulink R2008a, dengan tegangan line-line pada sumber sebesar 381 Volt. 2. Kondisi awal sistem disimulasikan pada saat sebelum adanya filter aktif shunt tiga tingkat dengan beban linier sebesar 13 kVA dan beban nonlinier sebesar 2.8 kVA. 3. Pada simulasi awal tanpa filter, diperoleh nilai THD arus pada sistem sebesar 7.24 % dan nilai THD tegangan pada sistem sebesar 3.90 %.
Hasil Simulasi Tanpa Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC
Gambar Gelombang Arus
Gambar Gelombang Tegangan
Gambar Spektrum Arus
Gambar Spektrum Tegangan
Hasil Simulasi Tanpa Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC Daya Aktif (P)
13.48 kW
Daya Reaktif (Q)
4.871 kVAR
Daya Total (S)
14.33 kVA
Faktor Daya
0.94
Arus Fundamental (peak)
30.52 A
Arus Fundamental (rms)
21.58 A
THD arus sumber
7.24 %
Tegangan Fundamental (peak)
309.7 V
Tegangan Fundamental (rms)
219 V
THD tegangan sumber
3.90 %
Pemodelan Sistem Dengan Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC V_normal
+ - v
Discrete, Ts = 0.0001 s.
+ - v
P
P
Vabc
+ - v
Q
+ - v
S
+ - v Q
+ - v S
Iabc pf
+ i -
Goto 1 [Va] [Vb]
[Vc ] [Vb ] [Va]
[Vc]
B
C
[Ic_b]
Vb Ia
[Ib ]
[Ic _c]
Vc I_Ref
Ib Port_A
Ic
[Ic]
Alpha Betha Transf Out
In
[Ic_a]
Ic_a
[Ic_b]
Ic_b I_Compns
[Ic _c]
Ic_c
I Compensation
FLC
From _Out_Fuzzy Port_B
Port_C
Proses + Inverter 3 Tingkat
+ i + i + i -
[Ia ]
Rectifier
B
C
Three -Phase Series RLC Load
[Ic_a]
Va
-
[Ic ]
A
[Ib ]
c
[Ia ]
C A
+ - v
+
B + i -
b
Three -Phase V-I Measurement
A + i -
a
Three -Phase Source
+ i -
+ i -
v + -
C
+ i -
+ i -
v + -
B
pf
v + -
A Vabc Iabc B a b C c
A
I_arus_normal
Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC Pada simulasi menggunakan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis FLC, diperoleh nilai THD arus pada sistem sebesar 4.98 % dan nilai THD tegangan pada sistem sebesar 0.71 %.
Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC
Gambar Gelombang Arus
Gambar Gelombang Tegangan
Gambar Spektrum Arus
Gambar Spektrum Tegangan
Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC Daya Aktif (P) Daya Reaktif (Q) Daya Total (S) Faktor Daya Arus Fundamental (peak) Arus Fundamental (rms) THD arus sumber
16.36 kW 4.868 kVAR 17.07 kVA 0.958 36.5 A 25.81 A 4.98 %
Tegangan Fundamental (peak)
309 V
Tegangan Fundamental (rms)
219 V
THD tegangan sumber
0.71 %
Simulasi Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Menggunakan Proportional Integral (PI) Controller PI 1 In
PI
1 Out
PI
Kontrol proposional (Kp) mempunyai keluaran (output) yang sebanding atau proposional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Kontroller integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan keadaan mantap (steady state) nol.
Perbandingan Sistem Sebelum dan Sesudah Pemasangan Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis Fuzzy Logic Controller (FLC) Besaran yang diukur
Sebelum Pemasangan Filter
Setelah Pemasangan Filter FLC
PI Controller
Daya Aktif (P)
13.48 kW
16.36 kW
16.27
Daya Reaktif (Q)
4.871 kVAR
4.868 kVAR
5.1 kVAR
Daya Total (S)
14.33 kVA
17.07 kVA
17.05 kVA
Faktor Daya
0.94
0.958
0.9578
Arus Sumber Fundamental (peak)
30.52 A
36.5 A
36.69 A
Arus Sumber Fundamental (rms)
21.58 A
25.81 A
25.94 A
THD arus sumber
7.24 %
4.98 %
5.06 %
Tegangan Sumber Fundamental (peak)
309 V
309 V
309 V
Tegangan Sumber Fundamental (rms)
219 V
219 V
219 V
THD tegangan sumber
3.90 %
0.71 %
0.71 %
KESIMPULAN Pemasangan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Fuzzy Logic
Controller (FLC) pada suatu sistem tenaga listrik dengan tegangan Vphase-phase (rms) 381 Volt dapat mengurangi besar Total Harmonic Distortion (THD) arus yang pada awalnya adalah 7.24% menjadi 4.98%, dan THD tegangan dari 3.90% menjadi 0.71%. Pemasangan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Proportional Integral (PI) Controller dapat mengurangi THD arus dari 7.24% menjadi 5.06%, dan THD tegangan dari 3.90% menjadi 0.71%. Filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Fuzzy Logic Controller (FLC) memiliki kemampuan untuk memperbaiki faktor daya total. Sebelum pemasangan filter faktor daya sistem adalah 0.94 dan setelah pemasangan filter menjadi 0.958. Sedangkan penggunaan PI Controller pada filter aktif shunt tiga tingkat, berdampak pada faktor daya yang semula 0.94 menjadi 0.9578.
SARAN Diperlukan penggunaan metode rule base yang tepat pada
kontroller fuzzy agar kinerja dari kontroller fuzzy tersebut dapat ditingkatkan. Serta penambahan jumlah membership function (fungsi keanggotaan) pada kontroller fuzzy baik untuk sinyal masukan dan sinyal keluaran dari kontroller sangat disarankan. Sehingga kontroller fuzzy dapat lebih presisi dalam memberikan sinyal kontrol untuk penyalaan inverter tiga tingkat sebagai filter aktif shunt. Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk menentukan jumlah tingkat pada inverter yang optimum sebagai filter aktif shunt yang disesuaikan dengan faktor ekonomi. Karena penambahan jumlah tingkat pada inverter akan berpengaruh pada peningkatan sisi ekonomi yaitu semakin bertambah pula komponen-komponen di dalam inverter seperti jumlah switch, kapasitor, dan dioda yang semakin bertambah banyak.
TERIMA KASIH
