Sistem Kendali Daya Aktif Untuk Inverter Satu Fase

Yang Terintegrasi Dengan Jaringan Distribusi 220 Vrms

F. Danang Wijaya1,

Yohan Fajar Sidik2, Eka Firmansyah

3

1 Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

2 Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

3Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada

Jl. Grafika 2 Yogyakarta 55281

Email :

danang@te.ugm.id;

yohanfajarsidik@live.com;

eka.firmansyah@gmail.com;

Abstract, Distributed generation (DG) are under increasing

concern for fulfill future electricity needs. One type of DG is

solar power plants (PLTS). The problems that arise in trying

to integrate PLTS into the power grid is how to control the

power flow to the grid. This research aims to simulate the

active power control system for single-phase inverter. This

control system can adjust the power generated by the inverter

to be given to the local load. If there is excess of power supply,

the power is supplied to the grid. The proposed control system

is based on dq transformation. Angular frequency as a

reference for dq transformation algorithm derived from

phase locked loop (PLL)-based transport delay T / 4. Control

actions carried out by the current control proportional

integrator (PI). Control system is assessed through the ability

to send the parameters of active power and total harmonic

distortion index (THD) inverter current is low. The

simulation results show that the inverter can be controlled to

provide active power to the local load. However, it was found

that the non-linear conditions on the grid can reduce the

quality of the inverter currents.

Keywords: distributed generation, singlephase inverter,

power flow, current control, proportional integrator

(PI), phase locked loop (PLL)

I. PENDAHULUAN

Sebagian besar energi listrik diperoleh melalui

konversi bahan fosil sebagai sumber energi primernya.

Kebutuhan energi listrik tersebut semakin meningkat

dengan bertambahnya waktu dan jumlah penduduk.

Sementara itu, bahan fosil semakin menipis karena

merupakan energi yang tidak dapat diperbaharui. Hal ini

dapat mengakibatkan krisis energi di masa mendatang.

Salah satu solusi untuk mengatasi ini adalah dengan

penerapan distributed generation (DG) [1]. DG ini

memanfaatkan energi terbarukan yang ramah lingkungan

seperti sel surya (PLT Surya) dan angin (PLT Bayu).

Pada umumnya DG mengkonversi energi primer

dalam menjadi listrik dalam bentuk sumber dc, sehingga

perlu dikonversi menjadi tegangan ac agar dapat

dipergunakan untuk menyuplai beban ac lokal. Konversi

dari dc ke ac ini memanfaatkan inverter.

DG dapat diintegrasikan dengan grid. Integrasi ini

bertujuan agar kelebihan daya DG dapat dikirimkan ke

grid [2]. Mekanisme ini dapat terjadi dengan

menerapkan sistem kendali daya aktif pada inverter.

Sistem kendali ini dapat berupa sistem kendali daya

aktif berbasis transformasi dq. Frekuensi sudut sebagai

referensi untuk transformasi-dq diperoleh dari algoritma

phase locked loop (PLL) berbasis transport delay T/4 [3].

Aksi kendali dilakukan dengan kendali arus proportional

integrator (PI).

Dalam Penelitian ini, kinerja sistem kendali untuk

inverter satu fase yang terintegrasi dengan grid akan

dinilai dengan bantuan model matematika. Parameter

yang diamati adalah kemampuan inverter menyuplai

daya aktif, operasi dalam kondisi tunak dan dinamik

untuk mengevaluasi besar rise time dan steady state

error, dan kualitas arus inverter yang dinyatakan dengan

indeks total harmonic distortion (THD).

II. INVERTER TERHUBUNG KE GRID

Gbr. 1 menunjukkan aliran daya pada sistem inverter

yang terintegrasi dengan grid. Inverter ini berfungsi

untuk menyuplai beban lokal. Bila terjadi kelebihan atau

kekurangan suplai, daya diambil atau dikirim dari dan ke

grid. Ekuivalen dengan hukum kirchoff arus, persamaan

daya yang mengalir pada titik point of common coupling

(PCC) ditunjukkan pada persamaan (1) dan (2) [4].

(1)

(2)

Persamaan (2) menunjukkan bahwa daya reaktif

beban seluruhnya disuplai oleh grid. Hal ini karena

inverter bekerja pada unity power factor.

ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 12 Juli 2012 CITEE 2012

96 JTETI, UGM - IEEE Comp. Soc. Ind. Chapter

Gbr. 1 Aliran daya dari inverter dan grid ke beban lokal

[4]

Gbr. 2 Blok diagram sistem kendali daya aktif

III. TRANFORMASI dq

Besaran arus dan tegangan yang digunakan dalam

pengendalian pada Gbr. 2 adalah dalam kerangka dq.

Besaran tersebut ditransformasi menggunakan

persamaan (3) [5]. Transformasi dq memerlukan dua

buah masukan dalam bentuk . Besaran merupakan

besaran aktual dari sinyal masukan, sedangkan besaran

merupakan besaran aktual yang fasenya digeser

sebesar . Besaran arus dalam kerangka

ditunjukkan pada persamaan (5).

(3)

(4)

Gbr. 3 Blok diagram algoritma PLL berbasis transport

delay T/4

(5)

Hasil perkalian matriks persamaan (3) dan (5) akan

diperoleh persamaan (6).

(6

)

Persamaan (4) digunakan ntuk mengembalikan

besaran dq ke kerangka .

Transformasi dq dilakukan juga pada besaran

tegangan. Hasil transformasi ditunjukkan pada

persamaan (7).

(7)

merupakan sudut fase sinyal masukan, sedangkan

adalah referensi sudut fase yang dihasilkan dari

algoritma PLL.

IV. SISTEM KENDALI DAYA AKTIF

BERBASIS TRANSFORMASI dq

Gbr. 2 menunjukkan blok diagram sistem kendali

daya aktif dan reaktif untuk inverter satu fase yang

terintegrasi dengan grid. Aksi kendali dilakukan oleh

kendali arus PI berbasis transformasi dq. Transformasi

dq ini menghasilkan besaran dalam kuantitas dc [6].

Perhitungan daya dalam kerangka dq dapat dihitung

menggunakan persamaan (8) dan (9) [3].

(8)

(9)

Set point untuk kendali PI ini adalah dalam bentuk

arus. Referensi arus ditunjukkan oleh persamaan (10)

dan (11). Persamaan tersebut diperoleh dari penurunan

persamaan (8) dan (9).

(10)

(11)

Referensi arus ini adalah set point untuk kendali PI.

Sedangkan umpan baliknya adalah arus keluaran inverter

yang ditransformasi ke dalam kerangka dq. Galat yang

terjadi antara arus keluaran inverter dengan referensi

arus akan dikompensasi oleh kendali PI.

Referensi sudut untuk transformasi dq diperoleh

melalui algoritma PLL. PLL yang digunakan adalah

berbasis transport delay T/4. PLL ini digunakan untuk

memberikan referensi sudut agar frekuensi inverter sama

dengan frekuensi grid. Blok diagram PLL dapat dilihat

pada Gbr. 3 [3].

CITEE 2012 Yogyakarta, 12 Juli 2012 ISSN: 2085-6350

JTETI, UGM - IEEE Comp. Soc. Ind. Chapter 97

Prinsip kerja PLL pada Gbr. 3 adalah dengan

membentuk dua besaran dan . Besar sama

dengan , sedangkan merupakan pergesaran

sebesar . Besaran dan ditunjukkan pada

persamaan (12).

(12)

Besaran dalam bentuk dan selanjutnya

ditransformasi ke dalam kerangka dq. Penyederhaan

dengan fungsi trigonometri diperoleh besaran yang

ditunjukkan pada persamaan (13).

(13)

Pada persamaan (13) terdapat selisih sinus dan

kosinus. Jika sudut masukan dan keluarannya sama,

maka salah satu nilai transformasi akan bernilai nol.

V. METODOLOGI PENELITIAN

Penelitian ini bertujuan untuk menyimulasikan sistem

kendali daya aktif untuk inverter satu fase yang

terintegrasi dengan grid.

Penelitian ini dilakukan dengan merancang alat

simulasi menggunakan program komputer. Blok diagram

simulasi ini ditunjukkan pada Gbr. 2. Parameter simulasi

diperoleh melalui perhitungan. Hasil rancangan

kemudian diteliti dengan cara sebagai berikut:

A. Penelitian PLL

Penelitian ini bertujuan memperoleh parameter PLL

yang mempunyai lock time yang singkat dan steady state

error yang kecil saat terjadi distorsi pada grid.

B. Penelitian Transformasi dq

Penelitian ini ditujukan untuk menguji besaran arus

yang ditransformasi ke dalam besaran dq. Blok

transformasi dq ini memerlukan dua buah besaran

sebagai masukannya. Salah satu besaran tersebut

diperoleh dengan cara memberi delay sebesar 5 ms pada

besaran aktualnya.

C. Penelitian Kendali Arus PI

Penelitian ini untuk memperoleh nilai rise time dan

steady state error yang kecil dibandingkan dengan

sistem tanpa kendali arus PI.

D. Penelitian Kinerja Sistem

Sistem kendali daya aktif dievaluasi kinerjanya

berdasarkan parameter kemampuan menyuplai daya aktif,

rise time dan steady state error yang kecil, dan indeks

THD yang rendah.

Tabel 1 Parameter simulasi

No. Nama Parameter Nilai

1. Tegangan dc ( 500 V

2. Tegangan grid ( 220 Vrms, 50 Hz

3. PI untuk current control

( )

Gain=15 dan

Time constant=0,8

4. PI untuk PLL ( ) Gain=1 dan time

constant=0,3

5. inductor 30 Mh

6. Sinyal Pembawa =2 V; f=5 kHz

7. Time Delay 5 ms

VI. HASIL DAN PEMBAHASAN

Parameter simulasi yang digunakan dapat dilihat

pada Error! Reference source not found.. Tegangan dc

adalah konstan. Inverter satu fase dioperasikan

menggunakan unipolar PWM dengan frekuensi

penyaklaran 5 kHz.

Gbr. 4 Sinyal sinusoidal dari blok PLL dengan nilai Kp =

1 pada grid yang terdistorsi

Gbr. 5 Sinyal sinusoidal dari blok PLL dengan nilai Kp =

10 pada grid yang terdistorsi

ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 12 Juli 2012 CITEE 2012

98 JTETI, UGM - IEEE Comp. Soc. Ind. Chapter

Gbr. 6 Keluaran arus dalam kerangka dq dengan

masukan yang terpisah

Gbr. 7 Keluaran arus dalam kerangka dq dengan

masukan yang diperoleh dari satu fase

A. Respon PLL

Gbr. 4 dan Gbr. 5 adalah sudut referensi yang

dihasilkan oleh blok PLL yang dibangkitkan menjadi

sinyal sinusoidal. Gbr. 5 menunjukkan pemilihan nilai

Kp yang lebih besar dapat mempersingkat lock time,

tetapi menghasilkan galat yang lebih besar.

Kedua parameter diujikan pada grid yang memiliki

indeks THD sebesar 6,6%. Hasil dari penelitian ini

menunjukkan bahwa nilai Kp = 1 menghasilkan

tanggapan yang lebih baik dibandingkan nilai Kp = 10.

B. Respon Arus dalam Kerangka dq

Gbr. 6 menunjukkan keluaran arus dalam kerangka

dq yang masukannya merupakan sinyal yang terpisah.

Terpisah disini diartikan sebagai dua buah sinyal yang

saling terpisah dan berbeda sudut sebesar . Hasil

simulasi menunjukkan keluaran arus dalam kerangka dq

adalah ideal dengan indikator tidak muncul kondisi

peralihan (transient).

Jika arus dalam kerangka diperoleh dari satu

besaran yang kemudian fasenya ditunda sebesar ,

akan timbul kondisi peralihan. Hal ini dapat dilihat pada

Gbr. 7. Lama kondisi peralihan tersebut adalah 5 ms.

C. Respon Kendali Arus PI

Kendali PI dapat mengurangi steady state error

sampai dengan nol [7]. Hasil simulasi pada Gbr. 8

menunjukkan rise time sebesar 2,992 ms dan steady state

error sebesar 0,7%

Gbr. 8 Rise time dan steady state error sistem

Gbr. 9 Respon operasi dinamik pada inverter, grid, dan

beban

Gbr. 10 Arus inverter yang sefase dengan tegangan grid

Gbr. 11 Pembagian beban antara inverter dengan grid

untuk menyuplai beban lokal

CITEE 2012 Yogyakarta, 12 Juli 2012 ISSN: 2085-6350

JTETI, UGM - IEEE Comp. Soc. Ind. Chapter 99

Gbr. 12 Daya reaktif beban yang disuplai oleh grid

Gbr. 13 Indeks THD arus inverter

Gbr. 9 menunjukkan bahwa saat operasi dinamik

berlangsung, besar daya yang dikirim atau diserap oleh

grid akan berubah, perubahan ini menimbulkan kondisi

peralihan. Rise time kondisi peralihan ini adalah sebesar

2,992 ms.

Operasi dalam kondisi tunak dapat diamati pada Gbr.

10. Arus keluran inverter tampak sefase dengan

tegangan grid. Daya inverter tersebut adalah 5000 W.

Faktor dayanya adalah 0,9999581. Rerata faktor daya

dengan variasi daya masukan dari 1000 W s.d. 5000 W

adalah 0,9999.

D. Kinerja Sistem Kendali

Pembagian beban antara inverter dengan grid

bergantung pada besar daya yang dihasilkan inverter dan

besar beban yang dipikulnya. Gbr. 11 menunjukkan

beban sebesar 2500 W yang konstan. Beban tersebut

akan dipikul oleh inverter dan grid saat daya yang

dihasilkan inverter kurang dari daya beban. Saat daya

yang dihasilkan inverter berlebih, maka daya tersebut

akan dikirimkan ke grid. Hal ini ditandai dengan daya

negatif pada grid.

Berdasarkan persamaan (2), daya reaktif yang

dibutuhkan oleh beban akan diberikan oleh grid. Inverter

tidak menyuplai daya reaktif karena dirancang pada

unity power factor. Teramati pada Gbr. 12 bahwa

sebagian besar daya reaktif untuk beban 2,7 kVA

dengan faktor daya sebesar 0,9 disuplai oleh grid.

Namun, inverter masih menyumbang daya reaktif

sebesar 2,69 %.

Kualitas arus inverter dinyatakan dalam indeks THD.

Evaluasi dilakukan pada grid yang terdistorsi dan grid

yang normal. Hasil simulasi pada Gbr. 13 menunjukkan

bahwa grid yang mengandung non-linear menyebabkan

kualitas arus inverter menurun. Nilai indeks THD saat

inverter terhubung pada grid yang memiliki indeks THD

sebesar 6,6% adalah 3,5%. Nilai indeks THD sebesar 3,5%

ini masih di bawah batas standar IEEE No. 1159-1995.

VII. KESIMPULAN

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa inverter

mampu memberikan daya aktif ke grid. Dalam hal ini

grid berfungsi menyerap daya dari inverter. Dengan

kendali arus PI pengubahan pasokan daya aktif ke grid

dapat mempersingkat rise time menjadi 2,992 ms dan

steady steate error menjadi sebesar 0,7%. Pada beban

induktif sebagian besar daya disuplai oleh grid, hanya

sebesar 2,69% yang diberikan oleh inverter. Pada

kondisi grid yang memiliki indeks THD sebesar 6,6%

dapat menurunkan kualitas arus inverter.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Tamas Kerekes, "Analysis and Modeling of

Transformerless Photovoltaic Inverter Systems,"

Aalborg University Institute of Energy Technology,

Denmark, PhD Thesis 2009.

[2] Mukund R. Patel, Wind and Solar Power Systems.

United States of America: CRC Press LLC, 1999.

[3] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez,

and Josep Guerrero, "Power Electronics for PV

Energy System Integration," in IEEE PESC 2008 -

Tutorials, Rhodes, Greece, 15 June 2008, pp. 67-174.

[4] A. A. Salam, A. Mohamed, and M.A. Hannan,

"Technical Challenges on Microgrids," ARPN

Journal of Engineering and Applied Sciences, vol.

Vol. 3, No.6, 2008.

[5] Saeed Golestan, Mohammad Monfared, Josep M.

Guerrero, and Mahmood Joorabian, "A D-Q

Synchronous Frame Controller for Single-Phase

Inverters," in Power Electronics, Drive Systems and

Technologies Conference (PEDSTC), 2011 2nd ,

Tehran, 2011, pp. 317-323.

[6] Adrian Timbus, Marco Liserre, Remus Teodorescu,

Pedro Rodriguez, and Frede Blaabjerg, "Evaluation

of Current Controllers for Distributed Power

Generation Systems," IEEE Transactions on Power

Electronics, vol. Vol. 24, no. March 2009 , pp. 654 -

664 , 2009.

[7] Norman S. Nise, Control Systems Engineering.

United States of America: John Wiley & Sons, Inc,

2004.

ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 12 Juli 2012 CITEE 2012

100 JTETI, UGM - IEEE Comp. Soc. Ind. Chapter