TESIS – TE142599
PEMODELAN BACK-TO-BACK CONVERTER DENGAN AVERAGE MODEL PADA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN PMSG BERBASIS ANFIS DIAH SEPTI YANARATRI NRP. 2212201003 DOSEN PEMBIMBING Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng. Dedet Candra Riawan S.T., M.Eng., Ph.D. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM TENAGA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
TESIS – TE142599
PEMODELAN BACK-TO-BACK CONVERTER DENGAN AVERAGE MODEL PADA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN PMSG BERBASIS ANFIS
DIAH SEPTI YANARATRI NRP. 2212 201 003 DOSEN PEMBIMBING
Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng. Dedet Candra Riawan S.T., M.Eng., Ph.D. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM TENAGA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
THESIS – TE142599
MODELLING OF AVERAGE MODEL BACK-TOBACK CONVERTER ON WIND POWER GENERATION WITH PERMANENT MAGNET SYNCRONOUS GENERATOR (PMSG) BASED ON ANFIS DIAH SEPTI YANARATRI NRP 2212 201 003 SUPERVISOR Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng. Dedet Candra Riawan S.T., M.Eng., Ph.D.
MAGISTER PROGRAM POWER SYSTEM ENGINEERING ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
Scanned by CamScanner
PERNYATAAN KEASLIAN TESIS Dengan ini saya menyatakan bahwa isi keseluruhan Tesis saya dengan judul
“PEMODELAN
BACK-TO-BACK
CONVERTER
DENGAN
AVERAGE MODEL PADA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN PMSG BERBASIS ANFIS” adalah benar-benar hasil karya intelektual mandiri, diselesaikan tanpa menggunakan bahan-bahan yang tidak diijinkan dan bukan merupakan karya pihak lain yang saya akui sebagai karya sendiri. Semua referensi yang dikutip maupun dirujuk telah ditulis secara lengkap pada daftar pustaka. Apabila ternyata pernyataan ini tidak benar, saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan yang berlaku.
Surabaya, Januari 2017
Diah Septi Yanaratri NRP. 2212201003
v
Halaman ini sengaja dikosongkan
vi
PEMODELAN BACK-TO-BACK CONVERTER DENGAN AVERAGE MODEL PADA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN PMSG BERBASIS ANFIS
Nama mahasiswa : Diah Septi Yanaratri NRP : 2212201003 Pembimbing : 1. Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng 2. Dedet Candra Riawan ST.,M.Eng.,Ph.D
ABSTRAK Saat ini pembangkit listrik tenaga angin mulai berkembang menyusul semakin berkurangnya cadangan sumber energi fosil. Jenis generator yang banyak digunakan untuk pembangkit ini adalah Permanent magnet synchronous generator (PMSG). PMSG adalah generator yang banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga angin skala kecil karena generator ini mempunyai efisiensi dan power faktor tinggi, serta resistansi yang kecil. Kontrol langsung untuk PMSG yang paling tepat adalah dengan menggunakan back-to-back converter. Peningkatan penggunaan energi angin perlu diimbangi dengan pengembangan analisis dan simulasi sistem pembangkitan listrik tenaga angin mulai dari turbin angin, generator sampai back to back converter. Penelitian ini menerapkan average model untuk back-toback-converter pada sistem turbin angin. Pengaturan daya maksimum dilakukan dengan mengatru arus referensi pada konverter di sisi generator. Sistem ini menggunakan metode MPPT berbasis adaptive network based fuzzy inference system (ANFIS) dengan masukan kecepatan angina dan kemudian menghasilkan nilai arus referensi yang dibutuhkan inverter. Sistem ini terbukti mempunyai efisiensi yang tinggi dengan nilai akurasi di atas 90% untuk semua kecepatan angin dan dengan nilai akurasi terbesar 99.92% pada kecepatan angin 10 m/s.
Kata kunci: adaptive network based fuzzy inference system (ANFIS), average model, back-to-back converter, permanent magnet synchronous generator (PMSG).
vii
Halaman ini sengaja dikosongkan
viii
MODELLING OF AVERAGE MODEL BACK-TO-BACK CONVERTER ON WIND POWER GENERATION WITH PERMANENT MAGNET SYNCRONOUS GENERATOR (PMSG) BASED ON ANFIS
By : Diah Septi Yanaratri Student Identity Number : 2212201003 Supervisor(s) : 1. Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng 2. Dedet Candra Riawan ST.,M.Eng.,Ph.D
ABSTRACT Currently wind power plant began to grow following the decreasing of fossil energy sources. Types of generators that widely used for this plant is a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). PMSG is generators that widely used in power plants for small-scale wind generator because it has a high efficiency and power factor, as well as a small resistance. The appropriate control for PMSG back-to-back converter. The increasing use of wind energy needs to be balanced with the development of analysis and simulation of wind power generation systems ranging from wind turbines, generators until back-to-back converter. This research applies average model back-to-back converter in wind turbine systems. The system is equipped with Adaptive Network Based Fuzzy Inference System (ANFIS) based Maximum Power Point Tracking (MPPT) to track the maximum available power for every wind speed. MPPT and controler accuracy test show high efficiency with the highest efficiency is up to 99.53%.
Key words: Adaptive Network Based Fuzzy Inference System (ANFIS), average model, back-to-back converter, permanent magnet synchronous generator (PMSG).
ix
Halaman ini sengaja dikosongkan
x
KATA PENGANTAR Segala puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan judul : Pemodelan Back-To-Back Converter Dengan Average Model Pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan PMSG Berbasis ANFIS Tesis ini disusun sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Magister Teknik pada bidang keahlian Teknik Sistem Tenaga, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua saya yang telah memberikan dukungan dan do’a yang terus menerus mengalir kepada penulis hingga detik-detik terakhir penyelesaian Tesis ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Mochammad Ashari M.Eng dan Bapak Dedet C. Riawan, ST., M.Eng.,Ph.D., selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan saran serta bimbingan. 3. Seluruh dosen Bidang Sistem Tenaga Jurusan teknik Elektro yang telah memberikan bimbingan dan pengajaran kepada penulis Penulis berharap dengan penyusunan Tesis ini dapat menjadikan suatu manfaat dan sumbangan pemikiran kepada pembaca yang lainnya. Penulis juga mengharapkan kritik dan saran dari pembaca untuk kemajuan Tesis ini dimasa yang akan datang. Penulis juga memohon maaf apabila terdapat kekurangan pada Tesis kali ini.
Surabaya, Januari 2017
Penulis
xi
Halaman ini sengaja dikosongkan
xii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................
iii
PERNYATAAN KEASLIAN TESIS .............................................................
v
ABSTRAK .......................................................................................................
vii
ABSTRACT .....................................................................................................
ix
KATA PENGANTAR ....................................................................................
xi
DAFTAR ISI ...................................................................................................
xii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiv DAFTAR TABEL ........................................................................................... xvi NOMENKLATUR .......................................................................................... xvii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang .....................................................................................
1
1.2
Rumusan Masalah ................................................................................
2
1.3
Tujuan ..................................................................................................
2
1.4
Batasan Masalah ..................................................................................
3
1.5
Kontribusi Penelitian............................................................................
3
1.6
Metodologi Penelitian ..........................................................................
3
BAB 2 KAJIAN PUSTAKA 2. 1.
Kajian Penelitian Terkait ......................................................................
5
2. 2.
Topologi Pembangkita Listrik Tenaga Angin Menggunakan PMSG .
7
2. 3.
Permanent Magnet Synchronous Generator .......................................
8
2. 4.
Turbin Angin ........................................................................................
9
2. 5.
Average Model Back to Back Converter ............................................
10
BAB 3 PEMODELAN PMSG MENGGUNAKAN AVERAGE MODEL 3.1
Model Sistem Keseluruhan ..................................................................
15
3.2
Pemodelan Turbin Angin ....................................................................
15
xii
3.3
Parameter Generator ............................................................................ 17
3.4
Pemodelan Back-to-Back Converter ................................................... 18
3.5
Pemodelan Rangkaian Kontrol Back-to-Back Converter .................... 20
3.6
MPPT Berbasis ANFIS ....................................................................... 21
BAB 4 SIMULASI SISTEM DAN ANALISIS DATA 4.1
Simulasi Sistem Sisi Grid ..................................................................... 25
4.2
Simulasi Sistem Sisi Generator ............................................................ 26
4.3
Simulasi Sistem Keseluruhan ............................................................... 28
4.4
Perbandingan Simulasi dengan Average Model dan Switching Model 30
4.5
Simulasi dengan MPPT ........................................................................ 32
BAB 5 PENUTUP 5.1
Kesimpulan .......................................................................................... 37
5.2
Saran .................................................................................................... 37
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 39 BIOGRAFI PENULIS ..................................................................................... 41
xiii
TABLE OF CONTENT TITLE
PAGE
APPROVAL SHEET.......................................................................................
iii
AUTHENTICITY OF THESIS STATEMENT ............................................
v
ABSTRACT (INDONESIA) ...........................................................................
vii
ABSTRACT (ENGLISH)................................................................................
ix
PREFACE .......................................................................................................
xi
TABLE OF CONTENT .................................................................................
xii
LIST OF ILUSTRATION .............................................................................. xiv LIST OF TABLE ............................................................................................ xvi GLOSARIUM ................................................................................................. xvii
CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1
Background ..........................................................................................
1
1.2
Statement of the Problems ...................................................................
2
1.3
Significance of Research ......................................................................
2
1.4
Scope of Research ................................................................................
3
1.5
Contribution .........................................................................................
3
1.6
Research Methodology ........................................................................
3
BAB 2 LITERATURE REVIEW 2. 1.
`Related Studies ....................................................................................
5
2. 2.
Wind Turbine with PMSG Topology ..................................................
7
2. 3.
Permanent Magnet Synchronous Generator .......................................
8
2. 4.
Wind Turbine .......................................................................................
9
2. 5.
Average Model Back to Back Converter ............................................
10
BAB 3 PMSG WITH AVERAGE MODELLING 3.1
System Model ......................................................................................
15
3.2
Wind Turbine Modelling ....................................................................
15
xii
3.3
Generator Parameter ............................................................................ 17
3.4
Back-to-Back Converter Modelling ..................................................... 18
3.5
Back-to-Back Converter Circuit Modelling ......................................... 20
3.6
MPPT with ANFIS .............................................................................. 21
BAB 4 SYSTEM SIMULATION AND DATA ANALISYS 4.1
Grid Side Simulation ............................................................................ 25
4.2
Generator Side Simulation ................................................................... 26
4.3
Whole System Simulation .................................................................... 28
4.4
Comparison Average Model and Switching Model ............................. 30
4.5
MPPT Simulation ............................................................................. 32
BAB 5 PENUTUP 5.1
Conclusion ........................................................................................... 37
5.2
Suggestion ........................................................................................... 37
BIBLIOGRAPHY ............................................................................................ 39 BIOGRAPHY ................................................................................................... 41
xiii
DAFTAR GAMBAR
GAMBAR
NAMA GAMBAR
HALAMAN
Gambar 2.1
Topologi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan PMSG .........................................................................................
7
Gambar 2.2
Rangkaian Pengganti PMSG: (a) d-axis (b) q-axis ...................
8
Gambar 2.3
VSI Tiga Fasa dengan SPWM Sebagai Pensaklaran ................ 13
Gambar 2.4
Rangkaian Ekivalen Average Model VSI .................................. 13
Gambar 3.1
Model Sistem Keseluruhan ....................................................... 15
Gambar 3.2
Kurva Karakteristik Kecepatan Turbin Angin dengan Daya yang Dihasilkan Turbin Angin untuk Setiap Kecepatan Angin . 16
Gambar 3.3
Pembagian VSI tiga fasa dengan penyulutan ............................. 18
Gambar 3.4
Pemodelan Rangkaian Kontrol Konverter Sisi Grid.................. 20
Gambar 3.5
Pemodelan Rangkaian Kontrol Konverter Sisi Rotor ................ 20
Gambar 3.6
Struktur ANFIS ......................................................................... 22
Gambar 3.7
Hasil Training ANFIS ............................................................... 24
Gambar 4.1
Tegangan keluaran konverter sisi grid dan tegangan pada kapasitor DC-link ....................................................................... 25
Gambar 4.2
Arus yang mengalir pada sisi grid dan arus referensi ................ 26
Gambar 4.3
Bentuk arus generator dan arus referensi generator dengan inverter average model............................................................... 27
Gambar 4.4
Tegangan keluaran generator ..................................................... 27
Gambar 4.5
Daya keluaran generator ............................................................ 28
Gambar 4.6
Kurva kecepatan angin yang digunakan pada simulasi ............. 28
Gambar 4.7
Kurva gelombang daya keluaran sistem .................................... 29
Gambar 4.8
Kurva gelombang daya keluaran generator vs daya yang diterima oleh grid. ...................................................................... 29
Gambar 4.9
Arus generator (a) Switching Model (b) Average Model .......... 30
Gambar 4.10 Tegangan grid (a) Switching Model (b) Average Model ........... 31 Gambar 4.11 Variasi kecepatan angin yang digunakan pada simulasi ............ 32 Gambar 4.12 Kecepatan maksimum turbin berdasarkan kecepatan angin ...... 32
xiv
Gambar 4.13 Bentuk arus dan tegangan generator pada sistem tanpa MPPT .
33
Gambar 4.14 Bentuk arus dan tegangan generator pada sistem dengan MPPT 33 Gambar 4.15 Grafik Daya Kelauaran Turbin ..................................................
xv
34
DAFTAR TABEL
TABEL
NAMA TABEL
HALAMAN
Tabel 3.1
Parameter-Parameter Turbin Angin .......................................... 16
Tabel 3.2
Kecepatan Optimum dan Daya Maksimum Turbin untuk Setiap Kecepatan Angin ....................................................................... 17
Tabel 3.3
Parameter-Parameter Generator ................................................. 17
Tabel 4.1
Tabel Daya Keluaran Turbin Optimum dengan Hasil MPPT.... 35
xvi
Halaman ini sengaja dikosongkan
xvii
NOMENKLATUR 𝑃𝑚
= Daya mekanik turbin (MW)
𝑃
= Daya elektrik rotor (MW)
𝑇𝑚
= Torsi elektrik stator (Nm)
𝜔∗
= Kecepatan rotor referensi (rad/s)
𝐽
= Konstanta inersia turbin (kgm2)
𝑃
= Daya elektrik stator (MW)
𝑇𝑚
= Torsi mekanik turbin (Nm)
𝜔
= Kecepatan rotor (rad/s)
𝜔
= Kecepatan sinkron (rad/s)
= Slip
𝜌
= Kerapatan udara (1.22 kg/m2)
𝑉𝑤
= Kecepatan angin (m/s)
𝜔𝑤
= Kecepatan poros turbin (rad/s)
λ
= Tip Speed Ratio (TSR)
𝐶𝑝
= Koefisien daya = Koefisien turbin angin
β
= Pitch angle
𝑅
1… 6
= Radius baling-baling (m)
= Diameter baling-baling
= diameter baling-baling 𝜔𝑤
= kecepatan poros turbin (rad/s)
𝑇𝜔 𝑥
= Average operator
T
= Periode switching
= Torka mekanik turbin angin
= Duty cycle fasa a = Duty cycle antara fasa a dan b 𝑉̅ 𝑅 𝑉̅ 𝐿
𝑉̅ 𝐶
= Tegangan resistor = Tegangan induktor = Tegangan kapasitor
xviii
𝑉
= Tegangan kapasitor DC
𝑉∗
= Tegangan kapasitor DC referensi
PF
= Power factor
Vs
= Tegangan stator
Vr
= Tegangan rotor
Is
= Arus stator
Ir
= Arus rotor
Ig
= Arus jaringan
Igs
= Arus konverter sisi jaringan
fn
= Frekuensi nominal
Rs, Lls = Resistansi stator, Indukstansi stator Rr’, Llr' = Resistansi rotor, Indukstansi rotor Lm
= Induktansi magnetisasi
H
= Konstanta inersia
F
= Friction factor
𝑉 𝑉
_𝑔 , 𝑉 _ ,𝑉
_𝑔
_
= Sumber tegangan grid-side converter = Sumber tegangan rotor-side converter
xix
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pertumbuhan penduduk yang terus meningkat mengakibatkan kebutuhan energi pun terus bertambah. Di sisi lain ketersediaan sumber energi fosil semakin menipis, penggunaannya pun mengakibatkan peningkatan polusi dan gas rumah kaca, oleh karena itu penggunaan sumber energi yang dapat diperbarui perlu ditingkatkan. Salah satu sumber energi yang mulai banyak digunakan adalah energi angin. Keuntungan yang diperoleh dari pembangkit listrik tenaga angin adalah angin merupakan sumber energi yang ramah lingkungan dan dapat diperoleh kapan saja karena angin bertiup baik siang maupun malam, terutama di daerah pantai. Di sisi lain, pembangkit listrik tenaga angin juga memiliki kerugian, yaitu noise yang dihasilkan oleh perputaran bilah turbin dan biaya investasi awal yang mahal. Untuk memperoleh energi listrik dari energi angin diperlukan konversi dengan menggunakan sistem turbin angin. Peningkatan penggunaan energi angin perlu diimbangi dengan pengembangan analisis dan simulasi sistem pembangkitan listrik tenaga angin mulai dari turbin angin, generator sampai back to back converter. Salah satu generator yang banyak digunakan dalam sistem turbin angin skala kecil adalah Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). Keunggulan PMSG adalah tidak memerlukan penguatan terpisah dan sistem pendinginan sehingga perawatan yang diperlukan lebih sedikit dibanding generator jenis lain. Sebelum mengaplikasikan pembangkit listrik tenaga angin, perlu dilakukan simulasi terlebih dahulu. Simulasi yang dilakukan harus dapat menggambarkan kondisi sistem sebenarnya yaitu sistem tidak seimbang dan adanya gangguan. Simulasi dengan menggunakan average model mampu menunjukkan dinamika sinyal sistem sehingga cocok digunakan untuk simulasi sistem yang menggunakan komponen dengan kelembaman tinggi. Sinyal- sinyal yang diukur pada average
1
model adalah berupa nilai rata-rata dari sinyal keluaran dengan pemodelan switching sehingga tidak ada ripple. Kelebihan average model adalah dapat memprediksi sifat sinyal besar pada sebuah inverter Penelitian ini mengusulkan pemodelan simulasi average model untuk konverter pada sistem turbin angin dan PMSG secara sederhana namun mendekati kondisi sebenarnya. Untuk mendapatkan energi maksimum dari turbin angin, digunakan algoritma maximum power point tracking (MPPT). Secara umum, MPPT pada sistem turbin angin harus mampu mengatasi fluktuasi kecepatan kecepatan angin yang menyebabkan perubahan kecepatan putaran rotor generator. Dalam penelitian ini, metode MPPT yang digunakan adalah adaptive network based fuzzy inference system (ANFIS). Dengan metode ini, diharapkan algoritma MPPT yang dihasilkan mampu menghasilkan daya optimum. ANFIS juga digunakan untuk mengatur tegangan keluaran inverter di sisi grid. 1.2. Rumusan Masalah Permasalahan yang dibahas pada penelitian ini adalah: 1. Pemodelan konverter dengan average model pada sistem PMSG. 2. Pengaturan kecepatan rotor PMSG agar tetap berfungsi sebagai generator. 3. Pengaturan tegangan dan arus yang mengalir ke grid. 1.3. Tujuan Tujuan penelitian ini antara lain adalah: 1. Penggunaan average model pada konverter dalam sistem turbin angin dengan PMSG. 2. Perancangan kontrol untuk mengatur daya keluaran PMSG agar menghasilkan daya maksimum. 3. Perancangan kontrol untuk mengatur tegangan DC link agar selalu konstan.
2
1.4. Batasan Masalah Dalam penelitian ini penyelesaian masalah menggunakan beberapa batasan dan asumsi, yaitu: 1. Generator yang digunakan dalam sistem adalah jenis PMSG. 2. Average model hanya diaplikasikan pada back-to-back converter system. 3. Metode MPPT yang digunakan adalah metode ANFIS.
1.5. Kontribusi Penelitian Penelitian ini diharapkan mampu memberikan kontribusi terhadap perkembangan sistem pembangkit listrik tenaga angin yang terhubung ke grid dengan menghasilkan simulasi yang sederhana dan mendekati kenyataan. Melalui penerapan metode yang diusulkan, diharapkan metode ini dapat digunakan sebagai acuan pembangunan sistem pembangkit listrik yang sebenarnya. Penelitian ini juga diharapakan menjadi referensi untuk pengembangan sistem pembangkit listrik tenaga angin terhubung ke grid. 1.6. Metodologi Penelitian Penelitian akan lebih mudah jika prosesnya dibuat dalam rincian kegiatan berupa tahap-tahap penelitian (pemahaman, perancangan, dan simulasi) sampai pada penulisan laporan penelitian. Metode penelitian terdiri dari Studi Literatur, Pengumpulan Data, Pemodelan Sistem, Pemodelan Turbin Angin, Pemodelan PSMG, Desain Average Model pada Back-to-Back Converter Berbasis ANFIS. Untuk penelitian telah dilakukan studi literatur dengan cara mencari bahan bacaan yang diperoleh dari jurnal-jurnal ilmiah internasional, laporan-laporan teknik, dan buku-buku teks yang berhubungan dengan permasalahan yang akan diteliti. Dalam pencarian pustaka dilakukan pengumpulan data dan pemodelan sistem. Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data kecepatan angin sebagai masukan untuk turbin. Data data yang diperoleh, dihitung daya maksimum trubin angin sehingga diperoleh kurva karakteristik turbin. Selanjutnya dilakukan pengujian untuk mengetahui daya yang dihasilkan generator. Hasil pengujian
3
tersebut dibandingkan dengan data daya maksimum turbin sehingga diperoleh efisiensi sistem pembangkit. Sistem konversi tenaga angin mengubah energi kinetik angin menjadi energi menkanik melalui turbin angin, kemudian generator mengubah energi mekanik tersebut menjadi energi listrik yang selanjutnya dialirkan ke grid. Pada penelitian ini, konfigurasi umum sistem turbing angin degan PMSG serta desain konverter yang digunakan dapat dilihat pada BAB III.
4
BAB 2 KAJIAN PUSTAKA
2.1.
Kajian Penelitian Terkait Turbin angin adalah alat yang mengubah energi kinetik angin menjadi
energi putar yang selanjutnya digunakan untuk memutar generator sehingga generator dapat mengasilkan energi listrik. Generator terdiri dari rotor yang berputar di dalam stationary housing yang disebut stator. Pada pembangkitan listrik terhubung ke grid, mesin yang digunakan sebagai generator adalah mesin AC [1]. Generator sinkron merupakan mesin yang paling banyak dipakai pada sistem pembangkitan tenaga listrik skala kecil, terutama pada sistem pembangkit listrik tenaga angin. Generator sinkron berputar pada kecepatan rotasi yang ditentukan oleh jumlah kutub dan frekuensi tegangan yang dibangkitkan. Permanent magnet synchronous generator (PMSG) adalah generator yang banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga angin skala kecil karena generator ini mempunyai efisiensi dan power faktor tinggi serta resistansi yang kecil [2-4]. PMSG adalah pengembangan dari generator sinkron konvensional [3]. Generator sinkron konvensional mempunyai belitan multi fasa pada stator dan belitan eksitasi pada rotor, namun belitan eksitasi pada PMSG dihilangkan dan diganti dengan magnet permanen. PMSG tidak memerlukan penguatan terpisah dan sistem pendinginan sehingga memerlukan perawatan yang lebih sedikit dibanding dengan generator induksi. Rugi-rugi besi PMSG juga kecil karena inti stator terlaminasi. Adanya airgap pada belitan menyebabkan munculnya eddy current, namun dengan perancangan belitan yang tepat dapat mengurangi eddy current sampai level yang diizinkan. Referensi [2] menjelaskan berbagai jenis PMSG yang dapat digunakan pada sistem pembangkit listrik tenaga angin. Berdasarkan arah flux pada air gap, PMSG yang sering digunakan untuk pembangkit listrik tenaga angin ada dua jenis, yaitu radial flux dan axial flux. Sudah banyak penelitian yang dilakukan terkait dengan pengaturan PMSG pada system turbin angin. Pada referensi [5] diusulkan penggunaan voltage source inverter (VSI) untuk mengatur putaran turbin dan mengatur tegangan keluaran 5
sistem agar sesuai dengan grid.
Kelebihan VSI antara lain adalah mempunyai
kualitas daya elektris yang tinggi, fleksibel, dan cocok diaplikasikan pada sistem pembangkitan energi. Kontrol langsung untuk PMSG yang paling tepat adalah dengan menggunakan back-to-back converter. Konverter ini terdiri dari dua bagian, yaitu: 1. Sisi input (rotor-side control): berfungsi mengatur kecepatan putar rotor generator. 2. Sisi output (supply-side control): berfungsi mengatur tegangan keluaran dari sistem turbin angin agar sesuai dengan grid. Metode yang umum digunakan untuk memodelkan back-to-back converter adalah metode hard switching, namun metode ini tidak memperhitungkan ketidaklinearan sistem. Kelemahan tersebut dapat diatasi dengan metode average model. Konsep average model tiga fasa telah dibahas pada literature [6-9]. Referensi [6] menyajikan average model yang lebih mudah digunakan untuk simulasi komputer. Arus induktor dapat langsung diukur sebagai sebuah variable. Tidak ada asumsi yang perlu ditambahkan kecuali Krichhoff’s current law (KCL) dan Krichhoff’s voltage law (KVL). Average model untuk voltage source inverter (VSI) tiga fasa sangatlah penting baik untuk teori maupun praktik. Berdasarkan teori, average model menyediakan pengukuran untuk menganalisa dan memprediksi sifat large-signal pada inverter. Pada simulasi komputer, average model digunakan untuk mengganti rangkaian switching sehingga didapatkan proses simulasi yang lebih cepat, khususnya untuk rangkaian skala besar. Referensi [11] membandingkan hasil simulasi antara metode average model dan hard switiching pada inverter. Hasil penelitian menujukkan bahwa simulasi dengan menggunakan average model menuunukkan akurasi yang tinggi dan membutuhkan waktu yang lebih cepat dibandingkan metode switching.
Untuk mendapatkan energi maksimum dari turbin angin, digunakan algoritma MPPT. Beberapa metode kontrol MPPT telah diteliti, secara umum kontrol ini dibedakan menjadi dua, yaitu control yang digunakan ketika karakteristik turbin diketahui dan control yang digunakan saat karakteristik turbin tidak diketahui [16]. Karakteristik turbin angin adalah tidak linear. Kontrol 6
kecepatan, control torsi, dan diode bridge-boost chopper adalah strategi kontrol yang digunakan jika karakteristik turbin diketahui [17]. Jika karakteristik turbin tidak diketahui, maka kontrol yang digunakan adalah perturb and observe (P&O) yang kemudian dikembangkan menjadi fuzzy logic controller berbasis P&O [18]. P&O memiliki logika yang sederhana, namun respon terhadap perubahan kecepatan angin lamban. Pada literature [16] diteliti metode kontrol MPPT dengan fuzzy logic controller berdasarkan daya keluaran PMSG dan duty cycle boost chopper. Namun, fuzzy sendiri memiliki kelemahan yaitu data karakteristik mengenai sistem yang digunakan agar dapat menghasilkan fungsi keanggotaan dan aturan yang tepat. Pada penelitian ini diusulkan metode kontrol MPPT dengan menggunakan ANFIS untuk mendapatkan hasil yang lebih baik dari metode yang telah disebutkan di atas. 2.2.
Topologi Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan PMSG Topologi sistem pembangkit listrik tenaga angin dengan PMSG terdiri dari
turbin angin yang berfungsi mengubah energi gerak angin menjadi energi mekanik penggerak generator, sebuah gear box yang dapat mengubah kecepatan putar turbin menjadi kecepatan putar rotor dan sebuah generator sinkron dengan magnet permanen yang terhubung ke grid melalui back to back converter. Topologi sistem pembangkit listrik tenaga angin dengan PMSG dapat dilihat pada gambar 2.1. Grid V dc
ωr Vw
Gear box
PMSG Iact Vdc
Vw
MPPT dengan ANFIS
I*
Kontrol sisi generator
Kontrol sisi grid Vdc*
Gambar 2.1. Topologi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan PMSG
7
2.3.
Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)
PMSG merupakan sebuah generator sinkron yang memiliki magnet permanent yang terpasang di antara belitan stator dan rotor. Magnet permanen ini berfungsi untuk menghasilkan medan magnet pada rotor sehingga PMSG tidak membutuhkan eksitasi dari luar. Rangkaian pengganti PMSG ditunjukkan pada gambar 2.2 yang menujukkan rangkaian pengganti PMSG pada d-axis dan q-axis. Ls
Rs
Isd +
DC
Ls ωe Isq
Vsd -
(a) Ls
Rs
Isd +
ωeø-LsωeIsd
DC
Vsq -
(b) Gambar 2.2 Rangkaian Pengganti PMSG: (a) d-axis (b) q-axis
Dari rangkaian pengganti pada Gambar 2.2 persamaan tegangan pada PMSG adalah: 𝑉
=−
𝑉 =−
𝐼
−𝐿
𝐼 −𝐿
𝐼
+𝐿 𝜔 𝐼
𝐼 +𝐿 𝜔 𝐼
(2.1) +𝜔 ∅
8
(2.2)
di mana Ls adalah nilai induktansi dan Rs adalah nilai resistansi belitan stator PMSG, ∅ adalah flux magnet, 𝜔 adalah kecepatan putar generator, 𝐼 arus pada komponen d-axis dan 𝐼 Torsi elektromagnetik (
= 𝑝𝐼
(𝐿 − 𝐿 )𝐼
adalah
adalah arus di komponen q-axis.
dapat dihitung dengan rumus:
+∅
(2.3)
𝐿 dan 𝐿 adalah induktasi generator di masing-masing axis, sedangkan p
adalah jumlah kutub. Pada PMSG kutub menonjol, nilai 𝐿 = 𝐿 = 𝐿 , sehingga persamaan =
dapat ditulis dengan persamaan (2.4):
𝑝. 𝐼 . ∅
(2.4)
Hubungan antara kecepatan stator (𝜔 ) dan kecepatan rotor (𝜔
generator ditunjukkan pada persamaan (2.5): 𝜔 = 𝜔 .𝑝 2.4.
(2.5)
Turbin Angin
Salah satu energi terbarukan dan dapat membangkitkan energi listrik adalah angin. Walaupun tingkat energi yang dihasilkan tergantung pada kecepatan angin, namun energi angin selalu tersedia. Turbin angin diperlukan untuk mengubah energi gerak yang dihasilkan oleh angin menjadi energi kinetik yang selanjutnya menggerakkan generator dan diubah menjadi energi listrik. Total daya yang ditangkap oleh turbin angin merupakan fungsi dari kecepatan angin dan luas dari baling-baling turbin. Persamaan daya input turbin angin dapat dituliskan sebagai berikut:
𝑃 =
𝑉𝑤
(2.6)
Parameter yang diperlukan untuk menentukan efisiensi turbin angin antara lain adalah koefisien daya (Cp) yang merupakan perbandingan antara daya output turbin (Pm) dengan daya input turbin (Pwt). Secara matematis Cp dapat dituliskan dalam persamaan (2.7):
9
𝐶 𝜆, 𝛽 =
2
𝜆𝑖
−
𝛽−
− 5 𝜆𝑖
+
6𝜆
Dengan 𝛽 adalah sudut baling-baling dan
(2.7) −
6 adalah
koefisien turbin angin.
Selain koefisien daya, parameter lain yang diperlukan untuk menghitung efisiensi turbin angin adalah tip speed ratio (λ) yang merupakan perbandingan antara kecepatan poros turbin dengan kecepatan angin. Secara matematis λ ditunjukkan oleh persamaan (2.8): 𝜆=
𝜔𝑤𝑡
(2.8)
𝑉𝑤
Dengan mengetahui nilai Cp dan λ, daya output mekanik yang dihasilkan oleh turbin angin dapat dihitung menggunakan persamaan (2.9). 𝐶 𝜆, 𝛽
𝑃 =
𝑉𝑤
(2.9)
Torsi mekanik turbin dapat dihitung dengan persamaan (2.10). 𝜔
𝑃
=𝜔
2.5.
(2.10)
𝑤𝑡
Average Model Back-to-Back Converter
Dalam sistem Turbin Angin menggunakan PMSG ini, digunakan back-toback converter sebagai penghubung sistem turbin angina ke grid. Pada sistem ini, back-to-back converter yang digunakan terdiri dari dua Voltage Source Inverter (VSI) tiga fasa. Metode yang umum digunakan untuk memodelkan back-to-back converter adalah pemodelan hard switching. Pemodelan ini mempunyai kelemahan waktu yang dibutuhkan untuk simulasi sangat lama. Oleh karena itu, average model VSI digunakan untuk mempersingkat waktu simulasi yang digunakan bila VSI tersebut dihubungkan dengan rangkaian yang memiliki kompleksitas yang tinggi khususnya rangkaian dengan frekuensi switching yang tinggi.Teknologi average model berperan penting dalam menganalisa sifat dan memperkirakan kelakuan dari Voltage Source Inverter (VSI) tiga fasa. Prosedur pemodelan ini berdasarkan pada metode pemisahan skala waktu, yang telah diaplikasikan pada quasi-resonant dan soft-transition PWM converter.
10
Tujuan utama pemodelan umum average model pada sistem time varying dengan contoh konverter PWM, adalah menghasilkan model yang mendekati pergerakan rata-rata dari variabel pada sistem sebenarnya. Metode average model adalah model yang lebih sederhana tetapi mempertahankan karakteristik utama dari sistem sebenarnya. Metode ini sangat sistematik dan dapat menyertakan segala macam feedback namun menghasilkan pengetahuan fisik yang sangat kecil dan hampir tidak dapat dilacak pada sistem orde tinggi. Walaupun ripple pada variabel state dapat bernilai acak, diperlukan pencarian hubungan antara sinyal modulasi PWM, gangguan pada kontrol dan sinyal input. Kelebihan metode ini adalah proses pemodelan yang lebih detail dan model yang lebih kompleks. Metode ini difokuskan pada sifat model serta aplikasinya pada simulasi modular dan beban tidak linier. Model yang digunakan memenuhi persyaratan sebagai berikut: 1. Menjaga semua peralatan non-switcing dan hubungan dengan model. 2. Membuat arus induktor, tegangan kapasitor dan variabel lainnya dapat diukur secara langsung pada model. 3. Tidak menambah batasan lain kecuali Kirchhoff’s Current Law (KCL) dan Kirchhoff’s Voltage Law (KVL). 4. Tidak hanya sesuai untuk jenis beban atau hubungan beban tertentu. Setelah modifikasi beban sesuai dengan kenyataan, model ini dapat sesuai dengan semua jenis beban dan semua hubungan beban yang meliputi beban non-linier. Average model dibentuk dengan memisahkan VSI tiga fasa dengan pensaklaran SPWM berdasarkan fungsi dari masing-masing rangkaian seperti pada gambar 2.3. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam menyusun sebuah average model adalah sebagai berikut: a. Average operator pada model pensaklaran 𝑥
=
∫− 𝑥 𝜏
𝜏
(2.11)
Dimana T adalah periode Switching
b. Duty cycle dari masing masing kaki fasa =
=
−
(2.12)
11
c. Duty cycle untuk line to line ̅
=
=
𝜏
∫−
d. KVL dan KCL ∑ 𝑣̅ =
𝑉̅ 𝐿 = 𝐿
−
(2.13)
∑ 𝑖̅ =
e. Komponen Linear 𝑉̅ = 𝑖̅
𝜏=
(2.14)
(2.15) 𝑖̅𝐿
(2.16)
̅̅̅ 𝑉
𝑖̅𝐶 = 𝐶
Sedangkan untuk persamaan kuadrat, average model-nya adalah sebagai
berikut
:
𝑉
𝑉
=
=
(2.17)
.𝑉
∫−
(2.19) 𝜏 .𝑉
𝜏
𝜏 ≈
̅ . 𝑉̅
≈
. 𝑉̅
(2.20)
Jika frekuensi maksimum dari komponen tersebut Vdc(t) << ½ T maka :
⃗− .𝑉
≈ ⃗̅ − . 𝑉
= ⃗ − .𝑉
⃗ − . 𝑖⃗ − ≈ ⃗̅ − . 𝑉
= ⃗ − .𝑉
(2.21)
Dari rangkaian VSI dengan pensaklaran PWM, didapatkan persamaan permodelan sebagai berikut : ⃗⃗⃗⃗⃗𝑖 −
=
⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑉𝐿−𝐿
𝑖
=
⃗ − .𝑉 −
⃗ − .𝑉 −
⃗⃗
𝑉 𝐿 𝐿−𝐿
= ⃗ − . 𝑖⃗ −
𝐶
⃗⃗ − 𝑉
(2.22)
Persamaan permodelan yang telah didapatkan diubah menjadi persaman average model dengan menerapkan persamaan (2.21) sehingga didapatkan persamaan (2.23) dan persamaan (2.24).
⃗⃗⃗⃗⃗𝑖 −
⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑉−
𝑖
=
=
⃗ − .𝑉 − 𝑖⃗ − −
= ⃗ − . 𝑖⃗ −
⃗⃗
⃗⃗
𝑉 𝐿 𝐿−𝐿
(2.23)
𝑉 𝐶 𝐿−𝐿
(2.24) (2.25)
12
Dengan catatan bahwa : 𝑉
𝑖
⃗⃗𝐿−𝐿 = [ 𝑉 ] 𝑖⃗ − = [ 𝑖 ] 𝑉 𝑉𝐶𝐴 𝑖 ⃗− = [
] ⃗− = [
(2.26)
]
(2.27)
Gambar rangkaian VSI tiga fasa dengan model switching ditunjukkan oleh gambar 2.3. Rangkaian VSI tiga fasa terdiri atas sebuah sumber DC, enam buah saklar yang terdiri atas dua buah saklar pada tiap fasa, induktor cut set dan beban.
Induktor Cut Set
Pensaklaran
Sumber DC
Beban iA iB
iA
LA
RA
LB
RB
LC
RC
Y Connected
iC
a
Vdc
iB
b
iC
c
iA iB
∆ Connected
iC
Gambar 2.3 VSI Tiga Fasa dengan SPWM Sebagai Pensaklaran
VBC VAC
B
A dXVdc
dYVdc
iA L
RL
VX
L
RL
VY
Y Connected
A daciA dbciB
dZVdc
L
RL
C iC
iB
iX
VZ
C
B iY
VBC
iZ
VAC
∆ Connected
Gambar 2.4 Rangkaian Ekivalen Average Model VSI
Rangakain VSI tiga fasa tersebut dapat dimodelkan dengan metode average model yang ditunjukkan oleh gambar 2.4. pada bagian sumber dimodelkan dengan sebuah sumber tegangan DC dan dua buah sumber arus variabel. Bagian induktor 13
cut set yang pada model switching hanya terdiri atas induktor dan kapasitor, pada average model ditambah dengan sumber arus variabel. Sumber arus ini mewakili arus yang dihasilkan oleh bagian pensaklaran. Bagian beban juga ditambah dengan sumber arus variabel.
14
BAB 3 PEMODELAN SISTEM TURBIN ANGIN
3. 1.
Model Sistem Keseluruhan Pada penelitian ini dirancang sebuah sistem Pembangkit Listrik Tenaga
Angin dengan menggunakan Permanent Magnet Synchronous Generator PMSG). Pada sistem ini back-to-back converter yang digunakan dimodelkan dalam simulasi menggunakan average model. Pemodelan seluruh sistem ditunjukkan pada Gambar 3.1. Grid V dc
ωr Vw
Gear box
PMSG Iact Vact
Vw
MPPT dengan ANFIS
I*
Vdc Kontrol sisi generator
Kontrol sisi grid Vdc*
Gambar 3.1 Model Sistem Keseluruhan
Gambar 3.1 menunjukkan keseluruhan sistem yang dirancang pada penelitian ini. Sistem terdiri dari turbin angin untuk mengkonversi energi gerak angin menjadi energi mekanik yang akan memutar generator, generator untuk mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik, back-to-back converter dan kontrolernya untuk mengatur daya keluaran turbin angin agar selalu pada nilai maksimum pada tiap kecepatan angin.
3. 2.
Pemodelan Turbin Angin Pada sistem yang dirancang pada penelitian ini, digunakan sebuah turbin
angin dengan daya rating sebesar 5 kW. Daya rating tersebut dapat dihasilkan pada kecepatan angin rating sebesar 12 m/s. Parameter-parameter turbin angin tersebut dituliskan pada Tabel 3.1.
15
Tabel 3.1 Parameter-Parameter Turbin Angin
Parameter
Nilai
Rated Power (Pm)
5 kW
Wind Speed Rating
12 m/s
Cut in wind speed
2.5 m/s
Cut-out wind speed
32 m/s
Moment Inertia
320
Swept Area
39.6 m2
Kurva karakteristik antara kecepatan turbin dengan daya yang dihasilkan oleh turbin untuk setiap kecepatan angin ditunjukkan pada Gambar 3.2. 5000 4500 4000
Pm (Watt)
3500 3000
12 m/s
2500
10 m/s
2000
8 m/s
1500
6 m/s
1000
4 m/s
500 0 -25
25
75
125
175
225
Kecepatan rotor turbin (rpm) Gambar 3.2 Kurva Karakteristik Kecepatan Turbin Angin dengan Daya yang Dihasilkan Turbin Angin untuk Setiap Kecepatan Angin
Dari kurva karakteristik tersebut dapat diperoleh daya maksimum pada tiap kecepatan angin serta kecepatan optimum turbin untuk mendapatkan daya maksimum turbin tersebut. Kecepatan optimum dan daya maksimum turbin untuk setiap kecepatan angin dituliskan pada Tabel 3.2.
16
Tabel 3.2 Kecepatan Optimum dan Daya Maksimum Turbin untuk Setiap Kecepatan Angin
3. 3.
Kec. Angin (Vw)
Kec. Optimum (𝜔𝑟 )
4 m/s
39 rpm
Daya Maksimum (Pmaks) 186 Watt
5 m/s
56 rpm
335 Watt
6 m/s
65 rpm
550 Watt
7 m/s
73 rpm
962 Watt
8 m/s
82 rpm
1437 Watt
9 m/s
94 rpm
2100 Watt
10 m/s
113 rpm
2825 Watt
11 m/s
125 rpm
3740 Watt
12 m/s
147 rpm
4840 Watt
Parameter Generator Generator yang digunakan pada sistem ini adalah generator sinkron jenis
PMSG. Belitan belitan rotor generator ini terhubung pada back-to-back converter yang kemudian terhubung pada grid. Parameter dari generator sinkron yang digunakan pada sistem ini dapat dilihat pada tabel 3.3
Tabel 3.3 Parameter-Parameter Generator
Parameter
Nilai
Nominal Power (Pm)
5 kW
Stator resistance (Rs)
2.4 Ohm
d-axis inductance (Ld)
51 mH
q-axis inductance (Lq)
51 mH
Vpk/krpm
5000
Moment Inertia (J)
0.01 kg.m2
pole
16
17
3. 4.
Pemodelan Back-to-Back Converter Back-to-back
converter
pada
sistem
pembangkit
tenaga
listrik
menggunakan PMSG ini dibagi menjadi dua bagian yaitu konverter sisi grid dan konverter sisi generator. Kedua konverter tersebut dipisahkan oleh sebuah kapasitor DC yang berfungsi sebagai media penyimpan energi sekaligus sebagai sumber tegangan. Fungsi dari konverter pada sisi grid adalah untuk menjaga nilai tegangan DC agar konstan dan dapat menyuplai daya ke grid. Konverter sisi generator adalah konverter yang tersambung pada kumparan rotor generator sinkron. Fungsi konverter ini adalah mengatur putaran rotor agar turbin angin dapat menghasilkan daya maksimum. Pada penelitian ini back-to-back converter dimodelkan dengan metode average model. Back-to-back converter yang terdiri dari dua VSI ini dipisah menjadi beberapa bagian. Pembagian pada VSI ini dapat dilihat pada gambar 3.3 di mana VSI dibagi menjadi bagian sumber DC, pensaklaran, induktor dan beban. Induktor Cut Set
Pensaklaran
Sumber DC
Beban iA iB
iA
LA
RA
Y Connected
iC
a Vdc
LB
RB
LC
RC
iB
b c
iC
iA iB
∆ Connected
iC
Gambar 3.3. Pembagian VSI Tiga Fasa dengan Penyulutan
Masing-masing bagian dari VSI dengan pensaklaran pada Gambar 3.3 selanjutnya dimodelkan dengan menggunakan average model.
18
3.4.1. Pemodelan Sumber DC
Sumbe DC memberikan daya yang mengalir menuju pensaklaran. Arus DC yang mengalir tersebut didefinisikan menjadi persamaan 3.1. dari persamaan tersebut didapatkan : 𝑖 (3.1) 𝑆 ] [𝑖𝑖 ] 𝑖 = [𝑆 𝑆 𝑆 ] [𝑖 ] = [𝑆 − 𝑆 − ] [𝑖𝑖 ] = [𝑆 𝑖 Dimana Sa, Sb,dan Sc adalah fungsi pensaklaran dari fasa a, fasa b, dan fasa
c. Pensaklaran tiap fasa ini kemudian diubah menjadi saklar fasa-fasa yaitu Sab dan Sbc. Dengan mengacu pada persamaan KCL yaitu penjumlahan i A , iB dan iC selalu nol. Dengan kata lain iA dan iB dikatakan dapat memenuhi informasi yang dibutuhkan oleh tiga variable.
3.4.2. Desain Pensaklaran Persamaan model pensaklaran tiga fasa dapat didefinisikan sebagai persamaan sumber tegangan. Sumber tegangan pada pemodelan ini dihubungan secara delta (Δ), sehinggan secara matematis dapat ditulis dengan persamaan (3.2). 𝑉 [𝑉 ] = [ 𝑉
𝑆 − ] = [𝑆 ] 𝑉 𝑆 −
−
𝑆 = [𝑆 ] 𝑉 𝑆
(3.2)
Persamaan (3.3) menjelaskan persamaan pensaklaran berdasarkan hukum KCl dan KVL, yaitu penjumlahan tegangan adalah sama dengan nol. Pada bagian pensaklaran di gambar 3.1 terdapat tiga terminal, yaitu terminla a, b, dan c. Jika titik c dijadikan sebagai titik referensi, persamaan pensaklaran dapat ditulis dengan Sac.Vdc, sehingga persamaan pensaklaran dapat diubah menjadi persamaan (3.3) sebagai berikut: 𝑆 𝑉
+𝑆 +𝑆 ≡ +𝑉 +𝑉 ≡
(3.3)
Jika yang digunakan hanyalah pensaklaran line-to-line, maka bentuk matematis persamaan pensaklaran adalah: [
𝑆 𝑉 ] = [ ]𝑉 𝑉 𝑆 19
(3.4)
3. 5.
Pemodelan Rangkaian Kontrol Back-to-Back Converter Rangkaian kontrol back-to-back converter terbagi menjadi dua bagian yaitu
rangkaian kontrol konverter sisi grid dan rangkaian kontrol konverter sisi rotor. Rangkaian kontrol konverter sisi grid berfungsi untuk mengontrol kerja dari konverter sisi grid agar dapat menjaga tegangan pada kapasitor DC. Pemodelan rangkaian kontrol konverter sisi jaringan ditunjukkan pada Vdc
+
PI
Gambar 3.4.
Vd control PLL grid
-
Vdc* Gambar 3.4 Pemodelan Rangkaian Kontrol Konverter Sisi Grid
Pada gambar 3.4 Vdc menujukkan tegangan yang terbaca pada kapasitor DC pada saat ini, sedangkan Vdc* adalah nilai tegangan pada kapasitor DC pada waktu sebelumnya. Kedua besaran itu dijumlahkan untuk mencari selisih perbedaan nilai tegangan kapasitor DC pada dua waktu yang berbeda. Selanjutnya, hasil penjumlahan tersebut akan diolah oleh blok kontrol PID untuk mendapatkan variabel kontrol untuk mendapatkan daya maksimum. Blok PLL grid berfungsi untuk menjaga fasa keluaran dari kontrol sisi grid selalu sama dengan fasa grid.
Rangakaian kontrol konverter sisi rotor berfungsi untuk mengontrol kerja dari konverter sisi rotor agar dapat menghasilkan daya maksimum. Pemodelan rangkaian kontrol konverter sisi rotor ditunjukkan pada gambar 3.5.
Vw ANFIS Igen_ref
dq to abc
theta
+
PI -
Igen_act
Gambar 3.5 Pemodelan rangkaian kontrol konverter sisi rotor
20
dx
3. 6.
MPPT Berbasis ANFIS Pada penelitian ini digunakan metode MPPT agar PMSG dapat
menghasilkan daya maksimum pada tiap kondisi kecepatan angin. MPPT yang digunakan pada penelitian ini adalah berbasis pada algoritma Adaptive-NetworkBased Fuzzy Inference System (ANFIS). Pada penelitian ini, karena konverter yang digunakan adalah average model dan generator yang digunakan adalah PMSG yang tidak memerlukan eksitasi, maka prinsip MPPT yang digunakan berfungsi untuk mengatur sisi elektris (konverter). MPPT digunakan untuk menentukan arus generator referensi yang dapat menghasilkan daya optimum pada kecepatan angina tertentu sesuai dengan karakteristik turbin arus generator referensi yang dihasilkan oleh MPPT ini kemudian dibandingkan dengan arus generator yang terukur lalu selisihnya akan dikontrol oleh kontroler Proportional Integral (PI) untuk menghasilkan nilai yang selanjutnya digunakan pada rangkaian kontrol konverter sisi rotor. Konstruksi ANFIS terdiri dari input, input membership function (MF), rule, output MF dan output. Struktur ANFIS yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada gambar 3.6 dengan aturan basis model Sugeno: Jika x1 adalah A1 dan x2 adalah B1, maka y1 = c11x1 + c12x2 + c10 Jika x1 adalah A2 dan x2 adalah B1, maka y1 = c21x1 + c22x2 + c20 Jika a predikat untuk aturankedua adalah w1 dan w2, maka dapat dihitung rata-rata berbobot:
y
w1 y1 w2 y2 w1 y1 w1 y2 w1 w2
(3.5)
21
A1
N
A2
N
x1
B1
N
output
x2
B2
Input MF
N
Rule Lapisan 2
Lapisan1
Output MF
Lapisan 3
Lapisan 4
Lapisan 5
Gambar 3.6 Struktur ANFIS
Lapisan-lapisan struktur ANFIS pada gambar 3.6 adalah sebagai berikut: a. Tiap-tiap neuron I pada lapisan pertama adaptif terhadap parameter suatu fungsi aktivasi. Output dari tiap neuron berupa derajat kenaggotaan yang diberikan oleh suatu fungsi keanggotaan input, yaitu: αA1(x1), αB1(x2), αA2(x1), atau αB2(x2). Sebagai contoh, jika fungsi keanggotaan adalah:
( x)
1 xc 1 a
(3.6)
2b
di mana { , , } adalah parameter, biasanya b=1. Jika nilai parameterparameter ini berubah, maka bentuk kurva yang terjadi juga akan berubah.
Parameter-parameter pada lapisan itu biasanya dikenal dengan nama premise parameters. b. Tiap-tiap neuron pada lapisan kedua berupa neuron tetap yang outputnya adalah hasil dari masukan. Biasanya digunakan operator AND. Tiap-tiap node merepresentasikan α predikat dari aturan ke-i.
22
c. Tiap-tiap neuron
pada lapisan ketiga berupa node tetap yang merupakan
hasil penghitungan rasio dari predikat (w), dari aturan ke-I terhadap jumlah dari keseluruhan a predikat. wi
wi , dengan i=1,2. w1 w2
(3.7)
Hasil ini dikenal dengan nama normalized firing strength. d. Tiap-tiap neuron pada lapisan keempat merupakan node adaptif terhadap suatu output.
wi yi wi (ci1 x1 ci 2 x2 ci 0 ); dengan i=1,2.
(3.8)
Dengan wi adalah normalized firing strength pada lapisan ketiga dan
ci1 , ci 2 , ci 0 adalah parameter pada neuron tersebut. Parameter-parameter ini disebut consequent parameters. e. Tiap-tiap neuron pada lapisan kelima adalah node tetap yang merupakan jumlahan dari semua masukan.
Input yang digunakan untuk ANFIS di penelitian ini ada tiga yaitu kecepatan angin, error, serta dError. Nilai eror dan dError diperoleh dari hasil trial and eror simulasi dengan menggunakan kontrol konvensional. Ketiga input tersebut selanjutnya diolah oleh rule dan membership function yang selanjutnya akan digunakan pada kontrol Fuzzy Logic. Membership function yang dihasilkan oleh ANFIS dapat dilihat pada Gambar 3.8. Input berupa Error (Gambar 3.7 (a)) dan dError (Gambar 3.7 (b)) mempunyai nilai pada kisaran 0 sampai dengan 1, sedangkan input berupa kecepatan angin pada kisaran 10 sampai dengan 12.
23
(a). Membership Function Error
(b). Membership Function dError
(c). Membership Function kecepatan angin Gambar 3.7 Hasil Training ANFIS
24
BAB 4 SIMULASI SISTEM DAN ANALISIS DATA Bab ini membahas keefektifan kinerja sistem melalui simulasi dan melakukan analisis terhadap data-data yang didapatkan dari hasil simulasi. Simulasi yang dilakukan antara lain adalah simulasi parsial yang terdiri dari simulasi sistem sisi grid dan simulasi sistem sisi generator, simulasi sistem setelah diintegrasikan dengan turbin angin, dan perbandingan hasil simulasi antara converter average model dengan converter switching model. 4. 1.
Simulasi Sistem Sisi Grid Pada bagian ini dilakukan simulasi untuk mengetahui apakah kontrol di sisi
grid telah berjalan dengan baik. Sistem sisi grid dan sisi generator dihubungkan oleh sebuah kapasitor DC link dengan tegangan yang telah ditentukan yaitu sebesar 800 V. Kontrol pada sisi grid harus dapat menjaga tegangan DC yang keluar dari konverter mempunyai nilai mendekati tegangan pada DC link. Gambar 4.1 menunjukkan kurva tegangan keluaran konverter adalah 799 Volt atau mempuyai error hanya 0.125% dari nilai yang diharapkan yaitu 800 Volt.
Gambar 4.1. Tegangan Keluaran Konverter Sisi Grid dan Tegangan pada Kapasitor DC-Link
25
Keberhasilan kontrol sisi grid juga ditunjukkan oleh arus pada sisi grid yang nilai dan bentuk gelombangnya mendekati arus referensi. Gambar 4.2 menunjukkan bahwa nilai arus yang mengalir pada grid mempunyai nilai mendekati arus referensi.
Gambar 4.2. Arus yang Mengalir pada Sisi Grid dan Arus Referensi
Nilai arus maksimal referensi sisi grid seperti ditunjukkan pada gambar 4.2 adalah sebesar 9,59 Ampere dan arus yang mengalir pada grid adalah 9,62 Ampere. Dengan kata lain, kedua parameter ini hanya memiliki eror sebesar 0,31%. Dengan eror tegangan dan arus yang sangat kecil ini dapat disimpulkan bahwa konverter sisi grid telah berjalan dengan baik. 4. 2.
Simulasi Sistem Sisi Generator Sama seperti konverter sisi grid, pada konverter sisi generator juga
dilakukan simulasi untuk memastikan bahwa masing-masing konverter berjalan dengan baik sebelum seluruh sistem diintegrasikan. Parameter yang menunjukkan bahwa konverter sisi generator berjalan dengan baik adalah arus dan daya generator. Gambar 4.3 menunjukkan bentuk arus generator dibandingkan terhadap arus referensi generator. Pada gambar tampak bahwa nilai dan bentuk gelombang arus generator mendekati nilai dan bentuk gelombang arus referensi generator dimana nilai arus generator adalah 5,22 Ampere dan nilai arus referensi generator adalah 5,20 Ampere.
26
Gambar 4.3 Bentuk Arus Generator dan Arus Referensi Generator dengan Inverter Average Model
Gambar 4.4 menujukkan tegangan keluaran generator, pada gambar tampak bahwa gelombang tegangan berbentuk sinus murni.
Gambar 4.4. Tegangan keluaran generator
Parameter selanjutnya yang menujukkan bahwa rangkaian kontrol sisi generator berjalan dengan baik yaitu daya keluaran generator harus mendekati nilai daya sesuai dengan spesifikasi generator yaitu 5 kW. Gambar 4.5 menunjukkan bahwa daya keluaran generator adalah 4, 491 kW pada kecepatan angin maksimum turbin yaitu 12 m/s.
27
Gambar 4.5. Daya keluaran generator
4. 3.
Simulasi Sistem Keseluruhan Pada simulasi dilakukan pengukuran daya keluaran generator setelah sisi
generator dihubungkan dengan sisi grid. Kecepatan angin yang masuk ke generator diubah-ubah agar dapat diketahui bahwa daya yang dikeluarkan oleh generator sesuai dengan daya maksimum generator.
Gambar 4.6. Kurva kecepatan angin yang digunakan pada simulasi
28
Gambar 4.7 Kurva gelombang daya keluaran sistem
Gambar 4.7 menunjukkan gelombang keluaran sistem secara keseluruhan dengan kecepatan angin pemutar turbin yang diubah-ubah dari 12 m/s sampai dengan 8 m/s. Selanjutnya, untuk mengetahui bahwa sisi grid dan sisi generator telah terhubung dengan bauk, maka dilakukan pengukuran daya yang di keluaran di sisi generator dan daya yang diterima oleh grid. Gambar 4.8 menunjukkan bahwa daya yang diterima oleh grid sesuai dengan daya keluatan dari generator.
Gambar 4.8 Kurva gelombang daya keluaran generator vs daya yang diterima oleh grid.
29
4. 4.
Perbandingan Simulasi dengan Average Model dan Switching Model Kelabihan simulasi sistem dengan average model dibanding simulasi
menggunakan switching model adalah berupa kecepatan simulasi yang lebih tinggi dan mampu menggambarkan sinyal keluaran secara akurat.
(a)
(b)
Gambar 4.9 Arus generator (a) Switching Model (b) Average Model
Gambar 4.9 menunjukkan sinyal arus generator pada sistem dengan menggunakan switching model dan average model. Pada gambar ditunjukkan bahwa sinyal yang dihasilkan oleh sistem average model dapat mewakili sistem sebenarnya.
30
(a)
(b) Gambar 4.10 Tegangan grid (a) Switching Model (b) Average Model
Gambar 4.10 menunjukkan gelombang tegangan grid pada simulasi dengan switching model dan average model. Gambar tersebut menunjukkan bahwa kedua tegangan memiliki nilai yang hampir sama. Hal ini menunjukkan bahwa sistem dengan average model mampu mewakili sistem sebenarnya.
31
4. 5.
Simulasi Sistem dengan MPPT Simulasi ini dilakukan untuk mengetahui bagaimana kinerja MPPT pada
sistem. Seberapa besar daya yang dapat dikeluarkan oleh PMSG dengan bantuan kontrol MPPT pada konverter sisi generator. Rangkaian yang digunakan terdiri dari turbin angin, PMSG, inverter tiga fasa dengan average model, dan kontrol MPPT. Perubahan kecepatan angin yang digunakan pada simulasi dan kecepatan maksimum turbin ditunjukkan pada Gambar 4.11 dan Gambar 4.12.
Gambar 4.11 Variasi kecepatan angin yang digunakan pada simulasi
Gambar 4.12 Kecepatan maksimum turbin berdasarkan kecepatan angin
32
Gambar 4.13 Bentuk arus dan tegangan generator pada sistem tanpa MPPT
Gambar 4.14 Bentuk arus dan tegangan generator pada sistem dengan MPPT
Gambar 4.13 dan 4.14 menunjukkan bentuk arus dan tegangan generator pada simulasi dengan dan tanpa MPPT. Dari kedua gambar tersebut dapat dilihat
33
bahwa arus dan tegangan generator mempunyai fasa yang sama. Namun pada gambar gelombang arus dapat dilihat bahwa pada sistem tanpa MPPT arus referensi dan arus aktual generator mempunyai perbedaan fasa yang lebih besar daripada sistem dengan MPPT. Akurasi tracking MPPT yang diaplikasikan pada sistem dapat dilihat pada gambar 4.15, yaitu grafik yang menunjukkan perbandingan antara daya keluaran turbin maksimum, daya keluaran turbin tanpa MPPT dan daya keluaran turbin dengan MPPT. Daya turbin maksimum diperoleh dari karakteristik turbin. Daya turbin tanpa MPPT diperoleh dengan mensimulasikan sistem pada kecepatan angin bervariasi, namun arus injeksi yang diberikan adalah arus konstan yang dibutuhkan sistem untuk dapat menghasilkan daya maksimum pada kecepatan angin optimum 12 m/s. Daya turbin dengan MPPT diperoleh dari simulasi sistem pada kecepatan bervariasi dengan arus injeksi yang diperoleh dari hasil training ANFIS. 6000
Daya (Watt)
5000 4000 P Turbin max
3000
P Turbin MPPT 2000
P Turbin tanpa MPPT
1000 0 7
8
9
10
11
12
Kecepatan Angin (m/s) Gambar 4.15. Grafik Daya Keluaran Turbin
Tabel 4.1 menunjukkan nilai akurasi tracking MPPT yang diterapkan pada sistem. Pada tabel dapat dilihat bahwa nilai akurasi tertinggi yang dicapai oleh MPPT mencapai 99.92% dan yang terendah adalah 96.17%
34
Tabel 4.1. Tabel Daya Keluaran Turbin Optimum dengan Hasil MPPT
Kecepatan Angin
Daya Turbin Daya Turbin Daya Turbin Akurasi Max
(m/s)
tanpa
MPPT
MPPT
Akurasi
tanpa
Tracking
MPPT
MPPT
12
4840 Watt
4466 Watt
4655 Watt
92.27%
96.17%
11
3740 Watt
3444 Watt
3682 Watt
92%
99.25%
10
2825 Watt
2475 Watt
2823 Watt
87.61%
99.92%
9
2100 Watt
1759 Watt
2062 Watt
83.76%
98.19%
8
1461 Watt
1080 Watt
1437 Watt
73.90%
98.35%
7
962 Watt
759 Watt
950 Watt
78.89%
98.75%
35
Halaman ini sengaja dikosongkan
36
BAB 5 PENUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa: 1. Metode simulasi back-to-back converter dengan average model pada sistem PMSG dapat merepresentasikan kondisi sistem yang sebenarnya. Nilai tegangan dan arus pada simulasi menggunakan average model mempunyai nilai yang sama dengan simulasi menggunakan switching model. 2. Metode ANFIS pada MPPT yang digunakan mempunyai akurasi yang tinggi. Hal ini dapat dilihat pada akurasi daya pada sistem yang mencapai 99.92% terhadap daya referensi 3. Rangkaian kontrol sisi grid memiliki akurasi yang tinggi. Hal ini dapat dilihat berdasarkan kemampuan kontrol untuk mempertahankan nilai Vdc link yang hanya mempunyai eror sebesar 0.125%. 4. Rangkaian kontrol sisi generator dapat berjalan dengan baik. Hal ini dapat dilihat dari arus keluaran generator yang bernilai sama dengan nilai arus referensi.
5.2 Saran Saran yang dapat diberikan berdasarkan penelitian ini adalah: 1. Untuk menvalidasi MPPT yang digunakan dapat dilakukan perbandingan antara MPPT berbasis ANFIS dengan metode MPPT yang lain. 2. Perlu dilakukan peningkatan performa rangkaian kontrol agar diperoleh respon sistem yang lebih cepat.
37
Halaman ini sengaja dikosongkan
38
DAFTAR PUSTAKA [1]
Gilbert M. Masters, “Renewable and Efficient Electric Power Systems”, John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004.
[2]
Y. Chen, P. Pillay, dan A. Khan, “PM Wind Generator Topologies”, IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 41, No. 6, November/December, 2005.
[3]
Reza Keypour, Reza Ilka, “Permanent Magnet Synchronous Generator Design for Small Wind Turbines” International Journal Of Advanced Renewable Energy Research, Vol. 1, Issue. 11, pp. 635-641, 2012.
[4]
A. H. K. Alaboudy, A. A. Daoud, Sobhy S. Desouky, Ahmed A. Salem, “Converter controls and flicker study of PMSG-basedgrid connected wind turbines”, Ain Shams Engineering Journal, 4, 75–91, 2013.
[5]
G. A. Adamidis, T. G. Nathenas, “Variable Speed Wind Turbine Generator-Three Level VSI Interface”, IEEE Conference Publications, 2184 – 2191, 2004.
[6]
[7]
Runxin Wang, Jinjun Liu , “Redefining a New-Formed Average Model for Three-Phase Boost Rectifiers/Voltage Source Inverters”, IEEE Conference Publications, 1680 – 1686, 2009. Chen Min, Suan Jian, “A General Approach to Averaged Modeling and Analysis of Active-Clamped Converters,” IEEE Conference Publications, Vol. 2, 1359 1365, 2005.
[8]
A. Brown, R. Middlebook, S. Cuk, “A General Unified Approach to Modeling Switching Converters Power Stages,” IEEE PESC, pp.18-34, 1976.
[9]
Boroyevich Dushan, “Modeling and Control of PWM Converters,” Power Electronics Short Course Presented in Xi’an Jiaotong University, 2006.
[10] Runxin Wang, Tianhao Tang, Jinjun Liu, “Development and Validation of a Modularized Average Model for Three-Phase VSIs”, IEEE Conference Publications, 315 – 319, 2012. [11] Xiao Liu, Aaron M. Cramer, Fei Pan, “Generalized Average Method for TimeInvariant Modeling of Inverters”, IEEE Trans. On Circuits And Systems–I: Regular Papers, pp. 1-12. Nov. 2016. 39
[12] Q. Liu, “Modular Approach for Characterizing and Modeling Conducted EMID Emissions in Power Converters,” 2005. [13] J. Sun, H. Grotstollen, “Symbolic Analysis Methods for Averaged Modeling of Switching Power Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 12, pp.537-546,1997. [14] V. Caliskan, G. Verghese, A. Stankovic, “Multifrequency Averaging of DC/DC converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 14, pp. 124133,1999. [15] Boroyevich Dushan, “Modeling and Control of PWM Converters,” Power Electronics Short Course Presented in Xi’an Jiaotong University, 2006. [16] G. Verghese, C. Bruzos, K. Mahabir, “Average and Sampled-Data Models for Current Mode Control,” Proc. IEEE PESC, pp. 262-272, 1990. [17] Adinda Ihsani Putri, Minho Ahn, and Jaeho Choi, “Speed Sensorless Fuzzy MPPT Control of Grid-Connected PMSG for Wind Power Generation”, IEEE Conference. [18] A. Mirecki, X. Roboam, and F. Richardeau, “Comparative Study of Maximum Power Strategy in Wind Turbines,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 2, no. 3, pp. 993-998, May 2004. [19] C. Patsios, A. Chaniotis, M. Rotas, and A.G. Kladas, “A Comparison of Maximum-Power-Point Tracking Control Techniques for Low-Power VariableSpeed
Wind
Generators,”
IEEE
Joint
Symposium
on
Advanced
Electromechanical Motion Systems & Electric Drives, pp. 1-6, Jul. 2009. [20] Mukhtiar Singh, Ambrish Chandra, “Comparative Study of Sliding Mode and ANFIS Based Observers for Speed & Position Sensor-less Control of Variable Speed PMSG”, IEEE Conference.
40
BIOGRAFI PENULIS
Diah Septi Yanaratri dilahirkan di Pacitan, 15 September 1988. Penulis adalah putri pertama dari dua bersaudara. Penulis memulai jenjang pendidikannya di SDN 3 Bangunsari, Ponorogo; SMP Negeri 1 Ponorogo, serta SMA Negeri 1 Ponorogo hingga lulus tahun 2007. Penulis diterima sebagai mahasiswa D4 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Prodi Teknik Elektro Industri dan lulus pada tahun 2011. Penulis memilih bidang studi Teknik Sistem Tenaga dan berkonsentrasi pada bidang
Konversi
Energi.
Penulis
dapat
[email protected].
41
dihubungi
di
alamat
email
Halaman ini sengaja dikosongkan
42
