TUGAS

KUALITAS DAYA LISTRIK

OLEH:

DEDE HENDRY BHUWANA

0804405075

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS UDAYANA

2011

DESAIN FILTER AKTIF SHUNT TIGA TINGKAT BERBASIS FUZZY LOGIC

CONTROLLER (FLC) UNTUK MEREDAM HARMONISA

Beban nonlinier dewasa ini banyak digunakan pada sistem tenaga listrik.

Penggunaan beban-beban dengan komponen elektronika yang merupakan beban

nonlinier seperti komputer, televisi, lampu dengan ballast elektronik, dan

Uninterruptible Power Supply (UPS) kini semakin luas. Di samping itu, banyak

industri-industri yang memanfaatkan konverter dengan thyristor dan rectifier. Beban-

beban ini semua dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang arus maupun tegangan.

Distorsi gelombang ini biasa disebut harmonisa. Adanya harmonisa dapat menimbulkan

permasalahan antara lain adalah faktor daya rendah, overheating, dan dapat

meningkatkan rugi-rugi energi. Harmonisa juga dapat menurunkan kualitas sistem

tenaga listrik yang dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan

lain pada instalasi.

Banyak usaha yang telah dilakukan untuk menyelesaikan masalah peredaman

harmonisa. Cara yang paling biasa dilakukan adalah dengan menggunakan filter pasif.

Filter pasif tersebut paling sering digunakan karena biaya pembuatan yang rendah dan

strukturnya yang sederhana. Namun, filter ini tidak dapat menyelesaikan masalah yang

ditimbulkan oleh variasi acak dari bentuk gelombang pada beban karena filter ini

biasanya ditala pada frekuensi tertentu. Filter ini juga dapat menghasilkan resonansi seri

dan paralel dengan impedansi sumber [1].

Dalam upaya untuk memecahkan masalah ini, dikembangkan penggunaan

filter aktif. Pada tugas akhir ini digunakan filter aktif shunt tiga tingkat dengan

menggunakan FLC. Filter aktif shunt tiga tingkat ini menggunakan inverter tiga tingkat

dengan algoritma FLC.

1. Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat

1.1 Konsep Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat

Konsep filter aktif shunt atau filter aktif paralel adalah bekerja dengan

menyuntikan arus harmonisa yang berlawanan fasanya dengan arus harmonisa pada

sistem sehingga dapat mengurangi distorsi harmonisa pada sistem tenaga listrik.

Filter aktif shunt tiga tingkat merupakan suatu filter aktif shunt yang

menggunakan inverter tiga tingkat dalam pembentukan arus kompensasi untuk

meredam harmonisa. Filter aktif yang digunakan untuk mereduksi komponen harmonisa

telah banyak berkembang dan telah menggunakan berbagai metode kontrol. Dalam

tugas akhir ini, elemen kontrol yang digunakan untuk mengatur arus injeksi pada

inverter tiga tingkat adalah dengan kontrol cerdas Fuzzy Logic Controller (FLC).

Kontrol FLC ini telah banyak digunakan dalam operasi sistem tenaga terutama untuk

mengontrol suatu sistem yang memiliki kompleksitas tinggi. Fuzzy Logic Controller

(FLC) yang digunakan sebagai elemen kontrol memiliki beberapa keuntungan antara

lain : tidak memerlukan pemodelan matematik yang rumit sehingga memudahkan

proses perancangan sistem kontrol, aturan fuzzy bersifat sederhana sehingga mudah

dimengerti,, memiliki fleksibilitas yang tinggi karena mudah untuk mengubah aturan

atau rule yang sesuai kebutuhan, dan merupakan model yang independen, memiliki

kekokohan tinggi dan mampu beradaptasi.

Gambar 1. Diagram Blok Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat

Rangkaian pada Gambar 1 menunjukkan skema prinsip kerja dari filter aktif

shunt tiga tingkat dengan fuzzy logic controller yang digunakan pada tugas akhir ini.

IsA, IsB, dan IsC merupakan arus sensor atau arus yang mengalir pada sistem

(fundamental dan harmonisa) yang akan masuk ke rangkaian filtering pada filter aktif

shunt. Arus sensor ini kemudian difilter dengan menggunakan rangkaian filtering

sehingga diperoleh arus harmonisa.

Arus harmonisa merupakan arus yang mengandung harmonisa saja, yaitu IhA,

IhB, dan IhC. Selanjutnya eIA, eIB, dan eIC adalah sinyal error arus fasa yang

digunakan sebagai masukan menuju kontrol Fuzzy Logic Controller (FLC) untuk

memproses sinyal error arus ini dan menghasilkan sinyal arus referensi yang dipakai

sebagai masukan elemen switching PWM untuk mengontrol inverter tiga tingkat.

Inverter tiga tingkat ini akan menghasilkan arus kompensasi IcA, IcB, dan IcC. Arus

kompensasi ini digunakan untuk mengkompensasi arus harmonisa yang terdapat pada

sistem. Arus kompensasi tersebut, kemudian juga diumpanbalikkan dan dibandingkan

dengan arus harmonisa IhA, IhB, dan IhC untuk menghasilkan sinyal error arus fasa

sebagai masukan kontrol FLC. Sehingga didapat sistem kontrol filter aktif shunt dengan

closed loop FLC control.

1.2 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.

Peralatan inverter dikategorikan sebagai peralatan multilevel inverter jika peralatan

inverter tersebut minimum memiliki tiga level gelombang tegangan keluaran pada

peralatan tersebut. Pada tugas akhir ini digunakan inverter tiga tingkat dengan kontroler

FLC sebagai filter aktif shunt.

Inverter seperti pada gambar 2 didasarkan pada Voltage Source Inverter (VSI)

tiga fasa dengan tiga tingkat. Penggunaan dioda untuk menghubungkan dengan titik

referensi O yaitu titik di antara dua kapasitor untuk memperoleh titik tengah tegangan.

Supaya menghasilkan sebuah inverter dengan N tingkat, maka diperlukan N-1 kapasitor.

Tegangan di masing-masing kapasitor adalah sama dengan VDC/(N-1), VDC adalah

tegangan total dari sumber DC. Semakin banyak tingkat pada suatu inverter maka

tegangan output yang dihasilkan juga akan semakin halus. Tetapi hal ini memiliki

kekurangan jika jumlah tingkat pada inverter semakin tinggi, yaitu jumlah kapasitor,

dioda, serta saklar (switch) akan semakin banyak diperlukan.

Gambar 2. Inverter Tiga Tingkat

2. Desain dan Pemodelan Inverter Tiga Tingkat Berbasis Fuzzy Logic Controller

(FLC) Sebagai Filter Aktif

2.1 Konfigurasi Sistem

Sistem yang digunakan pada tugas akhir ini adalah sistem kelistrikan

sederhana yang digunakan untuk studi kasus ini.

Gambar 3. Diagram Blok Sistem dengan Inverter Tiga Tingkat Berbasis FLC sebagai Filter Aktif Shunt

Pada tugas akhir ini, simulasi dilakukan dengan menggunakan MATLAB

Simulink R2008a yang pemodelannya secara umum bisa dilihat pada gambar 3,.

tentang diagram blok dari sistem beserta filter aktif shunt tiga tingkat berbasis FLC.

2.2 Komponen Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis FLC

2.2.1 Filtering

Filtering merupakan suatu proses untuk mendapatkan sinyal arus harmonisa

dengan cara memfilter sinyal arus dan tegangan pada sistem. Dimana sinyal arus dan

tegangan pada sistem memiliki dua komponen yaitu sinyal fundamental yaitu dengan

frekuensi 50 Hz dan sinyal harmonisa dengan frekuensi kelipatan bilangan bulat dari

frekuensi fundamental sistem.

Untuk mengidentifikasi harmonisa arus digunakan p-q theory [11]. Arus

referensi atau harmonisa arus diidentifikasi dengan transformasi α-β untuk

mendapatkan daya real dan imajiner [11]. Tegangan sumber (VS1, VS2, VS3) dan arus

sumber (IS1, IS2, IS3) ditransformasikan menjadi sistem bi-phase menurut persamaan

(1) berikut [11] :

Daya aktif dan daya reaktif sesaat pada sistem dihitung berdasarkan persamaan (2) di

bawah ini [11] :

Daya sesaat ini terdiri dari bagian konstan dan bagian variabel yang berhubungan

dengan sinyal fundamental dan sinyal harmonisa. Daya sesaat p dan q terdiri dari

komponen DC dan AC yang dapat dituliskan dalam persamaan (3) dan (4) berikut [12] :

dimana,

Untuk mendapatkan arus sinyal harmonisa saja, maka sinyal daya sesaat

tersebut perlu difilter menggunakan High Pass Fillter (HPF) pada sinyal frekuensi

fundamental yaitu 50 Hz, sehingga akan menahan frekuensi fundamental 50 Hz dan

melewatkan sinyal harmonisanya saja.

Setelah itu, untuk mendapatkan arus referensi harmonisa dilakukan

transformasi sesuai dengan persamaan (5) berikut [11] :

Dari persamaan (5) diperoleh arus harmonisa dalam sistem bi-phase. Untuk

mendapatkan arus referensi harmonisa yang sesungguhnya, maka arus harmonisa dalam

sistem bi-phase harus ditransformasikan dengan invers dari transformasi α-β, dimana

ditunjukkan pada persamaan (6) berikut [12] :

Dari transformasi pada persamaan (6), diperoleh arus referensi harmonisa yang dapat

digunakan untuk proses selanjutnya yaitu sebagai arus referensi kontrol FLC.

2.2.2 Aplikasi Fuzzy Logic Controller Fuzzy

Logic Controller (FLC) merupakan alternatif sistem kendali modern yang

mudah karena tidak perlu dicari model matematis dari suatu sistem, tetapi tetap efektif

karena memiliki respon sistem yang stabil [11]. Logika fuzzy berfungsi untuk mewakili

sesuatu yang tidak pasti dan tidak tepat dari sistem, sedangkan kontrol fuzzy

memungkinkan untuk mengambil keputusan walaupun input atau output dari sistem

tidak pasti dan tidak dapat diperkirakan. Pada gambar 4 [11], menunjukkan FLC yang

memiliki dua input dan satu output. Input yaitu error (e), yang merupakan perbedaan

antara arus referensi (harmonisa saat ini) dengan filter aktif saat ini (disuntikkan saat

ini) yaitu (e = iref – if) dan turunan dari error (delta error), dimana delta error

merupakan error sekarang dikurangi dengan error sebelumnya, error [n-1]. Sedangkan

outputnya adalah perintah (cde).

Gambar 4. Diagram Fuzzy Logic Controller

Untuk mengontrol inverter tiga tingkat pada filter aktif shunt dalam tugas akhir

ini digunakan implementasi dari FLC. Dimana FLC mengolah perbedaan antara

injected current (arus filter aktif atau arus yang dikompensasi ke suatu sistem tenaga

listrik) dan reference current (arus yang diidentifikasi dari suatu sistem tenaga listrik)

untuk menentukan arus referensi pada inverter. Hasil dari arus referensi dibandingkan

dengan dua gelombang pembawa (signal carrier) segitiga yang sama yang digeser satu

dari yang lain dengan memotong setengah periode, seperti ditunjukkan pada Gambar 5

dimana sistem kendali arus mempunyai 2 buah sinyal pembawa yaitu Vcar1 dan Vcar2

dengan fase yang berbeda. Secara umum, diagram balok dari pengontrol arus

ditunjukkan pada Gambar 5 berikut ini [11].

Gambar 5. Diagram Blok Kendali Arus

Prosedur dalam menentukan penyalaan pada inverter tiga tingkat diperlukan

suatu kondisi tertentu yang harus terpenuhi, sehingga kombinasi penyalaan masing-

masing ideal switch pada inverter tiga tingkat dapat dilakukan. Pada inverter tiga

tingkat, jumlah seluruh ideal switch yang digunakan terdapat 12 buah ideal switch. Dari

seluruh ideal switch ini dibagi menjadi tiga bagian yaitu untuk ideal switch T11-T14, T21-

T24, dan T31-T34.

Hasil perbandingan antara sinyal keluaran FLC dan sinyal pembawa (Vcar1

dan Vcar2) akan menghasilkan sinyal vi1 dan vi2. Dimana untuk menentukan nilai dari

sinyal vi1 dan vi2, ditunjukkan sebagai berikut :

Jika sinyal keluaran FLC ≥ Vcar1, maka vi1 = 1.

Jika sinyal keluaran FLC < Vcar1, maka vi1 = 0.

Jika sinyal keluaran FLC ≥ Vcar2, maka vi2 = 0.

Jika sinyal keluaran FLC < Vcar1, maka vi2 = -1.

Dari nilai sinyal vi1 dan vi2 yang telah diperoleh, maka hasilnya akan

dijumlahkan untuk mendapatkan sinyal kontrol penyalaan ideal switch (Tij), untuk i =

1,2,3 dan j = 1,2,3,4. Prosedur untuk mendapatkan sinyal kontrol penyalaan ideal switch

ditunjukkan sebagai berikut :

Jika (vi1 + vi2) = 1, maka Ti1 = 1, T i2 = 1, T i3 = 0, T i4 = 0.

Jika (vi1 + vi2) = 0, maka Ti1 = 0, T i2 = 1, T i3 = 1, T i4 = 0.

Jika (vi1 + vi2) = -1, maka Ti1 = 0, T i2 = 0, T i3 = 1, T i4 = 1.

Secara umum, kontrol sinyal ideal switch ditunjukkan pada tabel 1.

Tabel 1. Sinyal Kontrol Ideal Switch pada Inverter Tiga Tingkat

Keterangan tabel 1 :

Ki = Hasil penjumlahan sinyal vi1 dan vi2

Ti1 – Ti4 = Ideal switch pada inverter tiga tingkat

i = 1,2,3

Vi0 = Tegangan keluaran inverter tiga tingkat

Vdc = Tegangan sumber arus searah (DC)

2.3 Prosedur Pengontrolan Menggunakan FLC

Prosedur pengaturan dengan menggunakan Fuzzy Logic Controller (FLC)

merupakan kumpulan aturan-aturan kontrol sebagai acuan untuk menyatakan aksi

kontroler. Aturan tersebut disusun berdasarkan pengamatan atau perkiraan terhadap

respon dinamik dari suatu sistem. Untuk menetukan rule base digunakan metode

pendekatan secara linguistik, yaitu dengan melakukan pengamatan respon terhadap

masukan maka selanjutnya ditentukan rule base kontrol logika fuzzy yang sesuai

dengan kondisi yang terjadi.

2.3.1 Menentukan Rule Base FLC

Rule base merupakan sekelompok aturan dalam fuzzy yang mengolah sinyal

data masukan dan sinyal data keluaran. Pada penyusunan rule base fuzzy akan dibuat

aturan-aturan dasar untuk pengambilan keputusan pada keluaran FLC.

Tabel 2 menunjukkan rule base yang digunakan untuk mengolah sinyal

masukan dan sinyal keluaran FLC pada tugas akhir ini. Rule base ini terdiri dari 2

variabel masukan yaitu error dan delta error. Secara langsung pembagian ruang

masukan mempengaruhi jumlah aturan kontrol yang dihasilkan. Pada sistem Multi Input

Single Output (MISO), jumlah aturan kontrol yang dihasilkan adalah 5 x 5 = 25 aturan

kontrol.

Tabel 2. Rule Base Fuzzy Logic Control

Keterangan tabel 2 :

LN = ln = Large Negatif

N = n = Negatif

ZE = ze= Zero

P = p = Positif

LP = lp = Large Positif

2.3.2 Menentukan Membership Function

Fungsi keanggotaan atau Membership Function (MF) menyatakan fungsi

secara keseluruhan yang menyatakan derajat keanggotaan (Membership Function) dari

masing-masing variabel. Sedangkan yang dimaksud variabel disini adalah error, delta

error, dan sinyal kontrol keluaran.

Gambar 6. Membership Function Variabel Masukan Error

2.3.3 Proses Defuzzyfikasi

Proses defuzzyfikasi merupakan proses untuk mengubah data fuzzy menjadi

data numerik sebagai aksi dari sinyal keluaran. Data tersebut merupakan hasil data yang

diperoleh pada proses interference. Dalam sistem ini karena metode untuk membentuk

Membership Function adalah metode triangular (segitiga), maka untuk menentukan

sinyal aktuasi yang lebih cocok adalah menggunakan metode Center of Area (COA)

atau metode titik berat.

Metode center of area disebut juga center of gravity [10]. Metode ini

menghitung nilai crips menggunakan persamaan :

Dimana y* suatu nilai crisp. Fungsi integration dapat diganti dengan fungsi summation

jika y bernilai diskrit, sehingga persamaan (9) menjadi :

3. Simulasi dan Analisis

3.1 Simulasi Awal Sistem Tanpa Menggunakan Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat

Berbasis Fuzzy Logic Cotroller (FLC)

Kondisi awal sistem disimulasikan pada saat sebelum adanya filter aktif shunt

tiga tingkat berbasis FLC dengan beban linier berupa R dan L seri tiga fasa dengan daya

terpasang 13 kVA serta beban non linier yang terdiri dari sebuah penyearah tiga fasa

dengan beban R dan C dengan daya terpasang sebesar 2.8 kVA. Simulasi ini

menggunakan MATLAB Simulink R2008a.

Gambar 7. Gelombang Arus Sumber Sebelum Pemasangan Filter

Gambar 8. Spektrum Arus Sumber Sebelum Pemasangan Filter

Gambar 9. Gelombang Arus Sumber Sebelum Pemasangan Filter

Gambar 10. Gelombang Arus Sumber Sebelum Pemasangan Filter

3.2 Simulasi Sistem Menggunakan Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis Fuzzy

Logic Controller (FLC)

Peredaman harmonisa pada simulasi ini menggunakan filter aktif yang

dipasang secara paralel (shunt) terhadap sistem. Akan dilihat bagaimana pengaruh dari

pemasangan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Fuzzy Logic Controller (FLC) pada

sistem ini.

Gambar 11. Gelombang Arus Sumber Setelah Pemasangan Filter

Gambar 12. Spektrum Arus Sumber Setelah Pemasangan Filter

Gambar 13. Gelombang Tegangan Sumber Setelah Pemasangan Filter

Gambar 14. Spektrum Tegangan Sumber Setelah Pemasangan Filter

3.3 Perbandingan Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis Fuzzy Logic Controller

(FLC) dengan Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis Proportional-Integral

Controller (PI) Controller

Penggunaan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Fuzzy Logic Controller

(FLC) ini bertujuan untuk memperbaiki kualitas dari jaringan suatu sistem tenaga

listrik, baik dari sisi tingkat harmonisa dan juga faktor daya di sisi sumber.

Pada tugas akhir ini juga digunakan suatu controller lain yaitu Proportional-

Integral Controller atau PI Controller sebagai pembanding dengan FLC. Tabel 5 akan

ditunjukkan bagaimana kinerja dari filter aktif shunt tiga tingkat yang dikontrol dengan

FLC dan juga dengan PI Controller.

Tabel 3. Perbandingan Sistem Sebelum dan Sesudah Pemasangan Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat

Berbasis Fuzzy Logic Controller (FLC)

4. Kesimpulan

Dari hasil analisis dan simulasi yang telah dilakukan dalam tugas akhir ini, dapat ditarik

kesimpulan sebagai berikut:

a. 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%.

b. 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%.

c. 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.