TURBIN ANGIN
Gambar 3.1 Flowchart metodologi penelitian
6. Time Delay ( )
4.3 Penerapan Sistem Kontrol pada Plant Turbin Angin
Selanjutnya dilakukan uji sistem kontrol PI dan sistem kontrol PI yang menggunakan tuning fuzzy pada real plant. Pada uji nilai PI dilakukan dengan memberi input parameter nilai Kp dan Ki yang sesuai dengan yang dihasilkan menggunakan metode trial
and error yaitu Kp sebesar 0.013991 dan Ki sebesar 0.00011348.
Parameter nilai Kp dan Ki diatur pada sebuah kontrol PI sudut pitch pada arduino dan selanjutnya diberikan nilai setpoint pada program
sehingga kontrol PI pada Arduino mengatur sudut pitch untuk mencapai nilai setpoint (rpm) dan diberi sumber angin konstan 2.6 m/s. Pada penggujian sistem kontrol PI diberikan nilai setpoint 80 rpm dengan respon sinyal seperti gambar 4.1.
Gambar 4.1 Pengujian sistem kontrol PI pada plant turbin angin
Pada pengujian plant turbin angin menggunakan kontrol PI konvensional dimana nilai parameter Kp dan Ki telah diatur diawal dan bersifat konstan. Respon turbin angin menggunakan kontrol PI konvensional memerlukan waktu mencapai nilai setpoint (rise
time) selama 393.5 detik, rata-rata error (error steady state) 35%
sehingga mempunyai nilai IAE (Integral Absolute Error) 21493.
Standart error steady state seharusnya 2-5%, sehingga kontrol PI
konvensional kurang tepat bila diterapkan pada plant turbin angin dan jika dibandingkan dengan respon turbin angin tanpa kontrol sekalipun masih lebih baik respon turbin angin tanpa kontrol. Hal itu akibatkan dari output kontrol PI untuk driver servo hanya berubah linear dengan step yang kecil sehingga mengakibatkan respon putaran turbin semakin lama baik saat naik menuju nilai
setpoint dan memerlukan waktu yang sangat lama untuk
menurunkan putaran turbin menuju setpoint. Sedangkan pengujian sistem kontrol PI-logika Fuzzy dimana diberikan sumber angin 2.6 m/s dan diberi input setpoint yang sama yaitu 80 rpm menghasilkan respon output plant turbin angin dapat dilihat pada gambar 4.2.
Gambar 4.2 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant
turbin angin setpoint 80 rpm
Pengujian turbin angin yang menggunakan kontrol PI dengan fuzzy logic sebagai tunner yang mengatur nilai parameter Kp dan Ki untuk kontrol PI agar dapat menghasilkan output yang sesuai dengan setpoint. Dengan menggunakan kontrol PI-Fuzzy pada setpoint yang sama pada pengujian sebelumnya dimana pengujian sebelumnya menggunakan kontrol PI konvensional, pengujian ini menghasilkan respon plant yang lebih baik mempunyai waktu menuju setpoint (rise time) 107.5 detik demikian juga untuk waktu settling putaran turbin angin tetap konstan pada waktu 323 detik, error rata-rata (error steady state) 6.25%, dan nilai IAE (Integral Absolute Error) 8104 namun memiliki overshoot sebesar 42%. Dari sisi waktu rise time maupun
settling time kontrol PI-Fuzzy logic memerlukan jauh lebih singkat
dari pada tanpa kontrol dan kontrol PI konvensional, sisi error
steady state dan IAE (Integral Absolte Error) menghasilkan jauh
lebih kecil dari pada error steady state dengan saat menggunakan kontrol PI konvensional, namun sisi overshoot yang tinggi hingga lebih dari 40% menjadi kekurangan dari penggunaan kontrol PI-logika fuzzy.
Pengujian kontrol PI-Fuzzy pada turbin angin perlu dilakukan lebih dari satu pengujian selain dengan setpoint 80 rpm. Selanjutnya sistem kontrol diuji dengan parameter setpoint 90 rpm pada gambar 4.3, 70 rpm pada gambar 4.4, 60 rpm pada gambar 4.5, 50 rpm pada gambar 4.6, dan 40 rpm pada gambar 4.7.
Gambar 4.3 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant
turbin angin setpoint 90 rpm
Pada hasil uji sistem kontrol dengan menggunakan
setpoint 90 rpm menghasilkan data seperti pada gambar 4.3
menjelaskan bahwa waktu rise time yang singkat hanya memerlukan 120 detik untuk mencapai putaran setpoint namun memerlukan waktu yang lama untuk mencapai keadaan steady hingga 695 detik sehingga mempunyai nilai IAE (integral Absolut
Error) yang besar yaitu 13047. Sisi overshoot dan error steady state juga kurang baik, masing-masing mempunyai prosentase
24.4% dan 9.06% dari nilai setpoint. Nilai overshoot dan error
steady state yang tinggi menjadi kekurangan sistem kontrol
PI-Fuzzy pada pengujian setpoint ini namun pada pengujian setpoint ini dapat mempersingkat waktu atau rise time meskipun untuk waktu settling time kedua pengujian terdapat perbedaaan.
Gambar 4.4 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant
turbin angin setpoint 70 rpm
Hasil pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant turbin angin menggunakan setpoint 70 rpm seperti pada gambar 4.4 menjelasan bahwa memiliki waktu time rise 226.5 detik untuk mencapai putaran setpoint dan memerlukan waktu singkat karena pada pengujian pada setpoint 70 rpm sehingga tidak memiliki
overshoot dan prosentase error steady state menghasilkan nilai
IAE (Integral Absolut Error) 3679. Pada pengujian sistem kontrol menggunakan setpoint 70 rpm menghasilkan respon cukup baik karena mempunyai nila overshooot yang sangat kecil dan putaran turbin angin berputar dalam keadaan sesuai setpoint yang diberikan tanpa osilasi terlebih dahulu. Hal ini terjadi karena sistem kontrol dalam saat error yang besar maka sistem akan menambah kecepatan, saat error kecil dan deltaerror yang besar sistem kontrol merespon agar pengurangan dalam kondisi penambahan kecepatan hal tersebut terlihat saat putaran turbin atau output sistem mendekati nilai setpoint terlihat pada gambar 4.4 pada detik ke-180 penambahan kecepatan tidak seperti sebelumnya cenderung horizontal naik sedikit demi sedikit untuk mencapai nilai setpoint. Pengujian selanjutnya pada setpoint 60 rpm pada gambar 4.5.
Gambar 4.5 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant
turbin angin setpoint 60 rpm
Hasil pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant turbin angin menggunakan setpoint 60 rpm memiliki time rise 149 detik,
overshoot yang cukup tinggi hingga 30% dari setpoint atau
mencapai putaran maksimum hingga 78 rpm pada detik 250 detik hingga 300 detik, time settling memerlukan waktu yang cukup lama hingga 549 detik, karena pada pengujian menggunakan
setpoint 60 rpm memiliki overshoot yang tinggi sehingga
membutuhkan waktu untuk mencapai kondisi steady state sehingga memiliki nilai IAE (Integral Absolut Error) 5631. Namun plant turbin angin merupakan plant yang memiliki nilai toleransi output yang tinggi karena plant turbin angin tidak memiliki dampak besar bila terjadi overshoot tinggi. Hal demikian terjadi pada karena saat nilai error besar maka sistem kontrol melakukan respon penambahan kecepatan putar turbin angin. Namun saat nilai error kecil dan deltaerror besar sistem kontrol terlambat dalam melakukan pengurangan dalam hal penambahan kecepatan demikian pula saat kecepatan turbin angin melebihi nilai setpoint sistem kontrol telambat dalam penngereman yang menyebabkan terjadi overshoot hingga 30%. Saat kondisi pengereman juga terjadi pengeman yang berlebih atau menjadikan respon output kurang dari setpoint.
Gambar 4.6 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant turbin angin setpoint 50 rpm
Hasil pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant turbin angin dengan setpoint 50 rpm menghasilkan respon yang baik dimana 194.5 detik waktu yang diperlukan turbin angin berputar dari keadaan diam hingga mencapai 50 rpm, namun nilai overshoot cukup tinggi hingga 20% dari setpoint dan prosentase error steady
state juga cukup tinggi hingga 10% dari nilai setpoint 50 rpm
sehingga menghasilkan nilai IAE (Integral Absolut Error) 2892. Hal itu disebabkan pengaruh energi angin yang menyebabkan turbin angin berputar mempunyai respon atau pengaruh untuk memutar turbin yang lama atau tidak langsung pada saat itu juga. Sehingga untuk melakukan pengereman pada saat nilai rpm melebihi setpoint tidak bisa langsung terjadi pengeraman demikian pula saat untuk menaikkan kecepatan putar turbin energi angin perlu waktu untuk membangun torsi untuk memutar turbin angin. Sehingga pada plant turbin angin dalam hal pengereman maupun penambahan kecepatan memerlukan waktu karena saat sistem kontrol sudah merespon untuk melakukan pengereman maupun penambahan kecepatan turbin angin tidak dapat langsung menghasilkan respon yang sesuai dengan respon sistem kontrol terhadap sudut pitch.
Gambar 4.7 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant
turbin angin setpoint 40 rpm
Pengujian pada setpoint 40 rpm memiliki time rise 256 detik, time settling 345 detik, memiliki maksimal overshoot 12.5% atau putaran maksimum 45 rpm dan memiliki nilai IAE (Integral
Absolut Error) 2123. Berdasarkan data hasil beberapa pengujian
sistem kontrol mempunyai rise time rata-rata selama 175 detik,
settling time rata-rata 428 detik, sedangkan nilai maksimal overshoot 42% dari setpoint atau overshoot rata-rata 22.7 %. Overshoot yang tinggi terjadi karena efek energi angin yang tidak
dapat berdampak secara langsung, baik saat kondisi penambahan kecepatan energi angin memerlukan waktu untuk membangun energi putar turbin sedikit demi sedikit atau secara bertahap. Demikian pula saat kondisi penambahan kecepatan yang terlalu besar akan menyebabkan terlambat dalam pengereman yang mengakibatkan akan timbul overshoot. Pada data pengujian tingkat
overshoot cenderung meningkat saat diberi nilai tingkat rpm yang
tinggi atau mendekati nilai maksimal yang dapat dihasilkan turbin angin. Dari beberapa pengujian pada beberapa setpoint, secara garis besar respon turbin angin dengan sistem kontrol PI-Fuzzy mengendalikan sudut pitch turbin angin dapat dilihat pada tabel 4.4.
Tabel 4.4 Respon Turbin Angin Kontrol PI-Fuzzy Setpoint (rpm) Time Rise (s) Time Setling (s) Maksimal Overshoot (%) Error Steady State (%) 40 256 s 345 s 12.5% 6.47% 50 194.5 s 404.5 s 20% 5.39% 60 149 s 549 s 30% 3.89% 70 226.5 s 253 s 7.4% 6.35% 80 107.5 s 323 s 42% 6.52% 90 120 s 695 s 24.4% 9.06%
Penggunaan sistem kontrol PI-Fuzzy dapat mempersingkat waktu menuju setpoint atau rise time namun mempunyai nilai
overshoot ttinggi dan settling time yang cukup lama karena respon
akan cenderung berosilasi disekitar setpoint. karena seperti yang telah dijelaskan sebelumnya proses membangun kecepatan putar turbin angin dari energi angin memerlukan waktu secara bertahap demikian pula ketika proses pengereman saat kecepataan turbin melebihi setpoint. Untuk memperkuat analisa dan mengetahui lebih mengenai performa sistem kontrol, dilakukan pengujian
tracking setpoint dari mulanya setpoint 10 rpm kemudian
dinaikkan menjadi 80 rpm dan diturunkan menjadi 20 rpm pada gambar 4.8.
Gambar 4.8 Uji Tracking turbin angin dengan sistem kontrol
PI-Fuzzy pada plant turbin angin
Penggunaan sistem kontrol PI-Fuzzy pada plant turbin angin dengan setpoint yang dirubah atau tracking menghasilkan data performa seperti pada gambar 4.8. awal pengujian diberikan setpoint 10 rpm dan putaran turbin angin dapat begerak steady diantara 10 rpm selama 30 detik kemudian setpoint dinaikkan menjadi 80 rpm menghasilkan performa sama seperti pada pengujian sebelumnya dengan nilai overshoot dan error steady
state yang tinggi namun waktu rise time dan settling time yang
singkat. Kemudian setpoint diturunkan menjadi 10 rpm, respon putaran turbin angin ikut turun sesuai dengan nilai setpoint yang diberikan dengan waktu down time yang singkat namun memiliki
error steady state yang cukup tinggi karena saat turbin angin
berikan setpoint 20 rpm, putaran turbin angin cenderung bergerak diantara 8- 15 rpm atau error steady state 29.5% dari nilai setpoint. Pada beberapa pengujian yang telah dilakukan dengan beberapa setpoint yang berbeda, terdapat perbedaaan antara hasil simulasi dan hasil dari pengujian. Hal itu dapat terjadi karena pada pengujian secara simulasi dalam keaadaan yang ideal, yang dimaksud tidak ideal dimana pada pengujian secara real plant turbin angin, faktor utama tidak digunakan komponen yang ideal
misalnya berat dan bentuk blade antara ketiga blade tidak sama atau ada perbedaan sekitar 6 gram (pada tabel 3.1) hal yang sama berlaku pada bentuk permukaan blade ada sedikit perbedaan namun masih dapat ditoleransi selain itu karena pada pengujian ada
fluida dari luar ruangan yang dapat mempengaruhi hasil pengujian
baik bisa menambah gaya fluida kerja pada proses pengujian maupun dapat mengurangi gaya fluida kerja dari proses pengujian.
75
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Pada sudut pitch 40-60 dengan kecepatan angin 1.6 m/s hingga 2.6 m/s diperoleh nilai Cp dengan rincian pada kecepatan angin 1.6 m/s menghasilkan Cp 0.56250 dapat memutar turbin hingga 83 rpm, kecepatan angin 1.7 m/s menghasilkan Cp 0.55038 dapat memutar turbin hingga 91 rpm, kecepatan angin 1.8 m/s menghasilkan Cp 0.53772 dapat memutar turbin hingga 88 rpm, saat kecepatan angin 1.9 m/s menghasilkan Cp 0.57151 dapat memutar turbin angin hingga 86 rpm, kecepatan angin 2.3 m/s menghasilkan Cp 0.53259 dapat memutar turbin hingga 92 rpm, dan saat kecepatan angin 2.6 m/s menghasilkan Cp 0.5751 dapat memutar turbin hingga 94 rpm.
2. Pada kecepatan angin 2.6 m/s menghasilkan daya maksimum 25.70 watt, pada kecepatan angin 2.3 m/s menghasilkan daya maksimum 16.48 watt , pada kecepatan angin 1.9 m/s menghasilkan daya maksimum 9.97 watt, pada kecepatan angin 1.8 m/s menghasilkan daya maksimum 7.98 watt, pada kecepatan angin 1.7 m/s menghasilkan daya maksimum 5.86 watt, dan pada kecepatan angin 1.6 m/s menghasilkan daya maksimum 5.86 watt
3. Hasil pengembangan penerapan sistem kontrol PI-logika Fuzzy pada plant turbin angin dari beberapa percobaan setpoint menghasilkan rise time 107,5 detik, settling time 253 detik, maksimal overshoot 7.4%, error steady state 3.89%, dan IAE (Integral Absolute Error) 2123.
5.2. Saran
Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam kelanjutan penelitian ini, antara lain:
1. Membangun bilah airfoil secara detail sesuai dengan standart yang digunakan misalnya NREL, sehingga dapat mendapatkan nilai CP yang lebih maksimal
2. Memperhatikan syarat-syarat pengujian turbin angin tanpa mengabaikan aspek mekanika fluida yang bekerja pada pengujian