DESAIN FILTER AKTIF DENGAN SKEMA FUZZY LOGIC
CONTROLLER UNTUK MEREDUKSI HARMONISA
OLEH
IRFANDI NU’MAN DANI
127034014
FAKULTAS TEKNIK
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
Irfandi Nu’man Dani
127034014/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Tanggal : 09 Juni 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si
Judul Tesis : DESAIN FILTER AKTIF DENGAN SKEMA FUZZY LOGIC CONTROLLER UNTUK MEREDUKSI HARMONISA
Nama Mahasiswa : Irfandi Nu’man Dani Nomor Induk : 127034014
Program Studi : Magister (S2) Teknik Elektro
Bidang Keahlian : Teknik Energi Listrik / Kualitas Daya
Menyetujui,
Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai) Ketua
(Dr. Marwan Ramli,M,Si) Anggota
Sekretaris Program Studi,
(Drs. Hasdari Helmi, MT)
Dekan Fakultas Teknik,
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Nomor Induk : 127034014
Program Studi : Magister (S2) Tenik Elektro
Desain filter aktif paralel menggunakan inverter tiga tingkat dengan skema fuzzy logic controller (FLC) untuk meredam harmonisa. Penggunaan Multilevel Inverter (MLI) tiga tingkat pada filter aktif shunt mempunyai keuntungan pada distorsi harmonisa yang rendah dan mengurangi stress switching. Dari hasil simulasi diperoleh filter aktif shunt tiga tingkat mampu mereduksi harmonisa arus dan tegangan di sisi sumber, THDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar 26,16% dan
dapat diturunkan menjadi 2,42%. Sedangkan THDv berhasil di reduksi dari 0,45%
menjadi 0,17%. Harmonisa orde ke lima merupakan komponen harmonisa yang paling mengganggu, dimana nilai IHDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar
21,44% menjadi 1,2% setelah pemasangan filter aktif.
active filter has its own advantage in the distortion of low harmonics and reduces the current and voltage of harmonics in the side of the source. THDi in the prior of filter
installment is 26,16% and can be reduced to 2,42%. Meanwhile, THDv can be
reduced from 0,45% to 0,17%. The fifth order harmonics is the most disturbing harmonics component in which the value of IHDi prior to filter installment, is 21,44%
and becomes 1,2% after the installment of active filter.
Puji syukur penulis panjatkan kepada kehadirat Allah SWT, atas rahmat dan
karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis ini. Penulisan tesis
ini dilakukan untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister
Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan. Tesis ini
berjudul ”Desain Filter Aktif dengan Skema Fuzzy Logic Controller Untuk Mereduksi Harmonisa”.
Penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga dan perhargaan
setinggi-tingginya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr. Marwan
Ramli, M.Si sebagai Pembimbing atas segala bimbingan, saran dan nasehatnya
selama penelitian dan selama penulisan tesis ini. Penulis juga mengucapkan terima
kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara yang memberi kesempatan menjadi mahasiswa
Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
Sekretaris dan Sekretariat serta seluruh Staf Pengajar Program Studi Magister
Teknik Elektro atas bantuan dan kontribusinya dalam peneyelesaian tesis ini. Semua
teman kuliah Teknik Elektro bidang Kualitas Daya Program Pascasarjana terutama
angkatan 2012, yang memberi masukan kepada peneliti sejak awal kuliah sampai
Harapan penulis kiranya tesis dapat bermanfaat bagi banyak pihak. Dengan
menyadari bahwa penulisan tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat kontsruktif dalam rangka
penyempurnaan tesis ini
Pematang Siantar, Juni 2014
Penulis,
ABSTRAK...
1.6 Sistematika penulisan... 8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 10
2.1 Harmonisa... 10
2.2 Total Harmonic Distortion... 13
2.3 Filter pasif... 14
2.6.2 Implementasi transformasi Park... 28
2.7 Fuzzy Logic Control... 30
2.7.1 Proses fuzzifikasi ... 32
2.9.3 Pemodelan beban tidak linear... 45
2.9.4 Blok FLC Controller... 45
2.9.5 Transformasi pq... 51
2.9.6 Hysteresis Controller... 53
2.9.7 Multilevel Inverter... 54
BAB III METODE PENELITIAN... 55
3.1 Parameter simulasi... 56
3.2 Hasil simulasi sebelum dipasang filter... 59
3.3 Hasil simulasi setelah dipasang filter... 63
3.3.1 Skenario FLC 5 fungsi keanggotaan... 64
3.3.2 Skenario FLC 7 fungsi keanggotaan... 70
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 75
4.1 Sebelum dipasang filter... 75
4.2 Setelah dipasang filter... 78
4.2.1 Skenario FLC 5 Fungsi Keanggotaan... 78
4.2.2 Skenario FLC 7 Fungsi Keanggotaan... 83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 89
5.1 Kesimpulan... 89
5.2 Saran... 90
Nomor Penjelasan Halaman
2.1 Distorsi gelombang harmonisa ... 8
2.2 Konfigurasi inverter VSI... 17
2.3 Konfigurasi inverter CSI... 18
2.4 Inverter dua level satu fasa (kiri) dan gelombang keluaran (kanan)... 19
2.5 Tegangan keluaran PWM (hijau), gelombang referensi (berwarna biru) ... 19
2.6 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 3 tingkat ... 20
2.7 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 5 tingkat ... 20
2.8 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 7 tingkat ... 21
2.9 Klasifikasi topologi Cascade Multilevel Inverter ... 22
2.10 Topologi Multilevel Inverter Diode-Clamped... 23
2.11 Topologi Multilevel Inverter Flying-Capacitor……... 25
2.12 Respon magnitude LPF... 27
2.13 Proses transformasi pq... 29
2.14 Diagram Fuzzy untuk pemodelan controller pada filter ... 31
2.15 Representasi linier naik... 33
2.16 Representasi linier turun... 34
2.17 Kurva segitiga... 35
2.21 Pemodelan sumber 3 fasa... 44
2.22 Pemodelan impedansi saluran... 44
2.23 Pemodelan beban... 45
2.24 Feature Fuzzy Inference System pada Matlab... 46
2.25 Matlab FIS Editor... 48
2.26 Lima membership function FIS Editor... 49
2.27 Tujuh membership function FIS Editor... 51
2.28 Diagram blok untuk transformasi pq ... 52
2.29 Diagram blok untuk histeresis controll ... 53
2.30 Implementasi Multilevel Inverter tiga tingkat topologi Dioda-Clamp... 54
3.1 Diagram garis sistem dengan filter aktif paralel ... 55
3.2 Arus sebelum pemasangan filter aktif (a) fasa R (b) fasa S dan (c) fasa T... 60
3.3 THDi sebelum pemasangan filter aktif... 60
3.4 Tegangan sebelum pemasangan filter (a) Fasa R (b) Fasa S (c) Fasa T... 61
3.5 THDv sebelum pemasangan filter aktif... 62
3.6 (a) Tegangan di sisi beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi sumber... 63
3.9 Gelombang tegangan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan
(a)Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T... 66
3.10 THDv dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 67
3.11 (a) Tegangan beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi
3.15 Gelombang tegangan filter aktif FLC 7 fungsi keanggotaan (a)
Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T... 72
filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 80
4.2 Perbandingan nilai IHDI sebelum dan sesudah pemasangan
filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 82
4.3 Perbandingan nilai IHDv sebelum dan sesudah pemasangan
filter aktif... 84
4.4 Perbandingan nilai IHDI sebelum dan sesudah pemasangan
1.1 Data penelitian pendukung... 4
2.1 Batas harmonisa tegangan sesuai standar IEEE 519-1992... 13
2.2 Batas harmonisa arus sesuai standar IEEE519-1992... 14
2.3 Aplikasi filter aktif tergantung pada permasalahan kualitas daya... 16
2.4 Kombinasi switch untuk menghasilkan variasi tegangan keluaran 24 2.5 Aturan set fuzzy untuk 5 fungsi keanggotaan... 47
2.6 Aturan set fuzzy untuk 7 fungsi keanggotaan... 50
3.1 Parameter simulasi dengan Matlab... 56
4.1 IHDV sebelum pemasangan filter aktif`... 76
4.2 IHDI sebelum pemasangan filter aktif... 77
4.3 Hasil simulasi beban sebelum pemasangan filter... 78
4.4 IHDV setelah pemasangan filter aktif FLC 5 Level... 79
4.5 IHDI setelah pemasangan filter aktif FLC 5 Level... 81
4.6 Hasil simulasi filter FLC 5 dengan Multilevel Inverter... 82
4.7 IHDV setelah pemasangan filter aktif FLC 7 Level... 83
4.8 IHDI setelah pemasangan filter aktif FLC 7 Level... 85
4.9 Hasil simulasi filter FLC 7 dengan Multilevel Inverter... 87
CSI : Current Source Inverter FIS : Fuzzy Inference System FFT : Fast Fourier Transform FLC : Fuzzy Logic Controller
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor
IHD : Individual Harmonic Distortion PI : Proportional Integral
PCC : Point Common Coupling
PID : Proportional Integral Derivative
PWM : Pulse Width Modulation
THDv : Total Harmonic Distortion Voltage
THDi : Total Harmonic Distortion Current
Inverter (MLI) tiga tingkat pada filter aktif shunt mempunyai keuntungan pada distorsi harmonisa yang rendah dan mengurangi stress switching. Dari hasil simulasi diperoleh filter aktif shunt tiga tingkat mampu mereduksi harmonisa arus dan tegangan di sisi sumber, THDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar 26,16% dan
dapat diturunkan menjadi 2,42%. Sedangkan THDv berhasil di reduksi dari 0,45%
menjadi 0,17%. Harmonisa orde ke lima merupakan komponen harmonisa yang paling mengganggu, dimana nilai IHDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar
21,44% menjadi 1,2% setelah pemasangan filter aktif.
The design for shunt active filter with Multi Level Inverter (MLI) using Fuzzy Logic Controller (FLC) to reduce harmonics. The use of three level inverter shunt active filter has its own advantage in the distortion of low harmonics and reduces the current and voltage of harmonics in the side of the source. THDi in the prior of filter
installment is 26,16% and can be reduced to 2,42%. Meanwhile, THDv can be
reduced from 0,45% to 0,17%. The fifth order harmonics is the most disturbing harmonics component in which the value of IHDi prior to filter installment, is 21,44%
and becomes 1,2% after the installment of active filter.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Meningkatnya penggunaan power electronic pada sitem tenaga listrik telah menimbulkan permasalahan kualitas daya. Komponen power electronic tersebut seperti dioda, thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Mosfet sebagai perangkat switching yang banyak digunakan aplikasinya pada beban elektronik seperti: mesin cuci, personal komputer dan laptop, handphone, pengatur kecepatan motor listrik pada sistem saluran tegangan rendah.
Beban yang bersifat tidak linier dapat menimbulkan distorsi bentuk
gelombang, baik arus maupun tegangan. Distorsi gelombang ini biasa disebut
harmonisa, yang merupakan salah satu parameter dalam menentukan kualitas dari
sistem tenaga. Adanya harmonisa dapat menimbulkan permasalahan antara lain
adalah faktor daya rendah, overheating, dan dapat meningkatkan rugi-rugi energi [1]. 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 yang
diakibatkan adanya harmonisa. Cara yang paling sederhana dan sering dilakukan
adalah dengan menggunakan filter pasif. Filter pasif tersebut paling sering digunakan
karena biaya pembuatan yang rendah dan strukturnya yang sederhana. Namun, filter
gelombang pada beban karena filter ini biasanya ditala pada frekuensi tertentu. Selain
itu ada permasalahan yang sangat mendasar dalam filter pasif karena filter ini dapat
menghasilkan resonansi seri dan paralel dengan impedansi sumber [2].
Penggunaan filter pasif tidak memandang kondisi beban, artinya dalam
kondisi apapun, rangkaian filter pasif menjadi bagian dari sistem itu sendiri. Untuk
memecahkan masalah ini, maka telah dikembangkan penggunaan filter aktif. Filter
akan bekerja ketika kondisi beban dirasakan sudah mulai mengganggu. Ketika beban
tidak cukup mengganggu maka filter tidak bekerja atau bernilai nol. Peralatan
penalaan yang berasal dari filter aktif ini pada dasarnya haruslah memiliki dua jenis karakteristik, yaitu mampu ditala dengan frekuensi tinggi dan kemampuan untuk
bekerja pada rating daya tinggi.
Parameter penting yang memerlukan perhatian yaitu proses kontrol, karena di
sinilah yang akan menentukan filter aktif tersebut bisa berjalan dengan efektif atau
tidak. Sistem kontrol merupakan sebuah sistem yang terdiri atas satu atau beberapa
peralatan yang berfungsi untuk mengendalikan sistem lain yang berhubungan dengan
sebuah proses. Dalam sistem kontrol, semua variabel, baik masukan maupun keluaran
dari suatu proses harus dapat dimonitor dan diolah setiap saat. Semua variabel
tersebut dikontrol sesuai dengan tujuan yang diharapkan.
Dalam perkembangannya, filter aktif dengan metode kontrol yang
bermacam-macam masih terus dikembangkan, akan tetapi masih terdapat banyak kerumitan pada
populer, dikenal sistem kontrol yaitu kontroller PI (Proportional Integral), fungsi
kontrol yang melakukan penalaan penguatannya secara manual. Untuk mengatasi
kelemahan tersebut dikenal kontroller seperti logika fuzzy, robust, adaptif, Neural
network, algoritma genetika, optimal dan controller lain yang bisa berupa gabungan
[3].
Banyak penelitian sebelumnya seperti Tabel 1.1 yang telah dilakukan
berkaitan dengan filter aktif dengan menggunakan fuzzy logic [4-11]. Tetapi
mengingat konsep dari logika fuzzy sendiri yang tidak memerlukan perhitungan matematis yang rumit, sehingga masing-masing peneliti bebas membentuk fungsi
keanggotaan dari sistem fuzzy. Hal ini mengakibatkan penelitian tentang logika fuzzy masih cukup relevan untuk dilakukan sebagai alternatif dari sistem PI (Proportional
Integral) ataupun PID (Proportional Integral Derivative).
Perbedaan dengan penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya adalah
implementasi inverter filter aktif. Kalau sebelumnya yang digunakan adalah inverter
konvensional (dua tingkat) dengan metode PWM (Pulse Width Modulation), pada tesis ini implementasi filter aktif menggunakan multilevel inverter. Metode filter aktif dengan PWM memang cukup diketahui kehandalannya, tetapi untuk daya yang
cukup besar dan frekuensi yang tinggi mengakibatkan potensi loss dari peralatan elektronik juga cukup besar. Untuk mengatasi hal tersebut dikembangkan metode
Tabel 1.1 Data penelitian pendukung
Tabel 1.1 Data penelitian pendukung (lanjutan)
Peneliti Judul Penelitian Metode Hasil Yang dicapai
Tabel 1.1 Data penelitian pendukung (lanjutan)
Peneliti Judul Penelitian Metode Hasil Yang dicapai Bangia,
A Fuzzy Logic Control For Three Level Shunt Active
Salah satu bidang dalam tenaga listrik yang mengalami perkembangan sangat
pesat adalah bidang elektronika. Di satu sisi hal ini telah memberikan peluang
lahirnya banyak sekali aplikasi teknologi, tetapi di sisi yang lain komponen
elektronika tersebut yang sebagian besar bersifat tidak linier juga memunculkan
permasalahan harmonisa. Permasalahan dalam tesis ini terkait dengan:
a. Harmonisa yang ada di dalam suatu sistem tenaga listrik dan
b. Efektifitas pemasangan filter aktif shunt yang dipasang mampu mereduksi level THD (Total Harmonic Distortion) sesuai standar IEEE 519 - 1992
c. Perbandingan sistem tanpa filter dan filter dengan menggunakan
algoritma fuzzy logic dengan beberapa macam fungsi keanggotaan
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan penelitian ini untuk melihat performansi sistem filter aktif dengan
menggunakan FLC (fuzzy logic controller) untuk mereduksi harmonisa yang disebabkan oleh adanya beban yang tidak linier.
1.4 BATASAN MASALAH
Dalam tesis ini, ada beberapa batasan masalah yang digunakan antara lain:
a. Inverter yang digunakan adalah Multilevel Inverter Tiga Tingkat dengan topologi Diode Clamp Inverter
b. Fungsi keanggotaan pada FLC terdiri dari lima fungsi keanggotaan dan
tujuh fungsi keanggotaan
c. Beban untuk ketiga fasa seimbang
1.5 MANFAAT PENELITIAN
Ada beberapa manfaat yang bisa didapatkan dari penelitian ini, antara lain:
a. Hasil penelitian ini dapat memberikan alternatif solusi yang dapat
digunakan untuk mengatasi masalah harmonisa
b. Menjadi pemodelan sistem filter aktif yang dapat diimplementasikan
c. Sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya
1.6 SISTEMATIKA PENULISAN
Sistematika penulisan tesis adalah sebagai berikut:
BAB I Pendahuluan
Pada bab ini akan dibahas mengenai Latar Belakang Masalah,
Perumusan Masalah, Tujuan Penelitian, Batasan Masalah, Manfaat Penelitan
dan Sistematika Penulisan.
BAB II Tinjauan Pustaka
Bab ini akan membahas tinjauan pustaka sebagai landasan teori dari
beberapa hal yang mendukung, antara lain: Harmonisa, Total Harmonic
BAB III Metode Penelitian
Bab III akan membahas metodologi penelitian dan pemodelan dari
sistem, secara garis besar akan dibahas Pemodelan Sistem tanpa Filter beserta
komponen yang menyusun, serta pemodelan sistem dengan menggunakan
filter aktif paralel beserta komponen penyusunnya.
BAB IV Hasil dan Pembahasan
Bab ini akan membahas dari hasil simulasi, untuk sistem tanpa filter
serta filter dengan menggunakan filter aktif paralel. Hasilnya akan dianalisa
apakah sesuai dengan standar yang diijinkan.
BAB V Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan
beban tidak linier. Bentuk gelombang keluaran beban linier memiliki arus yang
mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Pada beban tidak
linier, bentuk gelombang keluaran tidak sebanding dengan tegangan masuk sehingga
bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang
masukannya.
2.1 Harmonisa
Beban tidak linier sekarang ini sudah tidak bisa dihindari lagi pemakaiannya
dalam sistem tenaga listrik. Banyak industri yang memanfaatkan konverter dengan
thyristor dan rectifier, ataupun peralatan rumah tangga yang memanfaatkan komponen seperti dioda, thyristor dan sebagainya. Beban-beban tersebut dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang arus maupun tegangan. Distorsi gelombang
ini biasa disebut dengan harmonisa yang dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Adanya harmonisa dapat menimbulkan permasalahan antara lain faktor daya
rendah, overheating, dan dapat meningkatkan rugi-rugi energi [1,2]. Harmonisa juga dapat menurunkan kualitas sistem tenaga listrik yang dapat menyebabkan dampak
negatif terhadap peralatan-peralatan lain pada instalasi. Oleh karena itu, pemakaian
Gambar 2.1 Distorsi gelombang harmonisa
Banyak usaha telah dilakukan untuk menyelesaikan masalah peredaman
harmonisa, antara lain menggunakan filter pasif dan filter aktif. Filter pasif sering
digunakan karena biaya pembuatan yang rendah dan strukturnya yang sederhana.
Kelemahan 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 menghasilkan resonansi seri dan paralel dengan
impedansi sumber [1].
Parameter untuk mengukur harmonisa ada dua yaitu, THDv (dalam persen)
menunjukkan persentase jumlah total tegangan yang terdistrosi oleh harmonisa, dan
THDi (dalam persen) menunjukkan prosentase jumlah total arus yang terdistrosi oleh
harmonisa. Untuk menghitung kedua hal tersebut dapat menggunakan Persamaan
... (2.1)
...(2.2)
Dengan:
Vh : Tegangan harmonisa. Vs : Tegangan sistem Ih : Arus harmonisa Isc : Arus hubung singkat h : Harmonisa ke-n Ii : Arus beban tidak linier
Total Harmonic Distortion (THDi) untuk arus didefinisikan dengan Persamaan (2.3):
√∑ ...,... (2.3)
Dengan:
THDv untuk tegangan didefinisikan dengan Persamaan (2.4):
√∑
... (2.4)
Dengan:
Vh = Komponen harmonisa tegangan ke-h V1 = Tegangan frekuensi fundamental (rms)
Standar THD Arus dan THD Tegangan yang digunakan dalam penelitian ini
menggunakan standar IEEE 519 - 1992.
2.2 Total Harmonic Distortion
Menurut Standar IEEE 519 – 1992, untuk total harmonic distortion tegangan diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Batas harmonisa tegangan sesuai standar IEEE 519-1992
Bus Voltage at PCC Individual Voltage Distortion (%) THD (%)
Kurang dari 69 kV 3,0 5,0
69,001 kV s/d 161 kV 1,5 2,5
Lebih dari 161,001 kV 1,0 1,5
Sementara itu, untuk harmonisa arus dapat dilihat pada Tabel 2.2. Semua
adalah arus maksimum hubung singkat PCC (Point Common Coupling) dan IL adalah arus maksimum permintaan beban (komponen frekuensi fundamental) di PCC.
Tabel 2.2 Batas harmonisa arus sesuai standar IEEE519-1992
Maximun Harmonic Current Distortion in Percent of IL
ISC/IL
Individual Harmonic Order (Odd Harmonic)
< 11 11 ≤ h ≤ 17 17 ≤ h ≤ 23 23 ≤ h ≤ 35 35 ≤ h THD (%)
< 20 4 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0
20 – 50 7 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0
50 – 100 10 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0
100 –
1000 12 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0
>1000 15 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0
2.3 Filter Pasif
Efek distorsi gelombang sinusoidal pada sistem menyebabkan terjadinya resonansi. Adanya kapasitor pada jaringan sistem tegangan rendah yang biasanya
dipakai untuk memperbaiki faktor daya, dapat menimbulkan resonansi pada sistem
lokal yang diikuti dengan naiknya arus yang sangat besar yang merugikan kapasitor
a. Resonansi Seri
Impedansi total pada frekuensi resonansi sangat kecil sehingga
komponen sirkuit hanya mengandung resistansi dan harga arus akan
sangat besar pada frekuensi tersebut. Pada kondisi resonansi seri, arus
kapasitor yang tinggi dapat mengalir untuk tegangan harmonisa yang
relatif kecil.
b. Resonansi Paralel
Impedansi total pada frekuensi resonansi sangat besar (secara
teoritis cenderung tidak terhingga). Kondisi ini dapat menghasilkan
tegangan lebih yang besar di antara elemen hubungan paralel walaupun
pada arus harmonisa kecil. Resonansi paralel dapat terjadi pada beberapa
kondisi seperti ketika sebuah kapasitor dihubungkan pada busbar yang sama dengan sumber harmonisa. Dengan asumsi bahwa sumber
harmonisa bersifat induktif.
Untuk menentukan keluaran filter pasif, inverter terlebih dahulu ditala pada
salah satu frekuensi biasanya pada frekuensi harmonisa ketiga atau harmonisa kelima
(tergantung orde mana yang dominan) untuk menentukan kualitas dari filter (Q).
2.4 Filter Aktif
Filter aktif adalah perangkat elektronik yang bisa memperbaiki kualitas daya
dengan menyuntikan arus yang berlawanan fasanya dengan arus harmonisa pada
sistem sehingga mengurangi distorsi harmonisa pada sistem tenaga listrik. Tabel 2.3
menunjukkan beberapa aplikasi filter aktif sesuai dengan permasalahan kualitas daya.
Tabel 2.3 Aplikasi filter aktif tergantung pada permasalahan kualitas daya
Konfigurasi
Sekurang-kurangnya komponen utama yang terdapat pada filter aktif adalah
2.4.1 Inverter
Definisi secara umum dari inverter adalah peralatan elektronika daya yang berfungsi mengubah tegangan searah (DC) menjadi tegangan
bolak-balik (AC). Tipe inverter ada dua jenis yaitu inverter sumber tegangan (VSI) dan inverter sumber arus (CSI). Pada konfigurasi inverter VSI terdapat tegangan sumber Vs dan kapasitor Cd yang digunakan sebagai sumber dari thyristor seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2.
a
n
Vs
Cd
1
3
4
2
+
-Gambar 2.2 Konfigurasi inverter VSI
Tipe VSI ini sering digunakan karena implementasinya yang mudah
dan murah serta memiliki performansi yang cukup baik. Sementara itu, untuk
a
n
Vs
1
3
4
2
+
-Gambar 2.3 Konfigurasi inverter CSI
2.4.1 Controller
Controller digunakan dalam rangkaian filter aktif sebagai pembangkit sinyal yang dipakai untuk menyalakan atau mematikan inverter. Komponen
ini memegang peranan sangat penting di dalam implementasi filter aktif,
karena ketika fungsi controll ini tidak bekerja dengan baik maka otomatis performansi filter aktif menjadi tidak maksimal. Kemungkinan terburuk
adalah filter justru menambah masalah.
2.5 Multilevel Inverter
Pada awalnya inverter konvensional memiliki konfigurasi dua tingkat untuk
menghasilkan tegangan AC dari tegangan DC seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4.
Dua tingkat inverter hanya bisa membangkitkan dua level tegangan output untuk
Gambar 2.4 Inverter dua level satu fasa (kiri) dan gelombang keluaran (kanan)
Untuk membangkitkan keluaran tegangan AC dua tingkat seperti pada
Gambar 2.5, biasanya dilakukan dengan memodulasi lebar pulsa atau lebih dikenal
dengan PWM (Pulse Width Modulation). Metode ini efektif dalam menghasilkan
gelombang keluaran tetapi terdapat distorsi harmonik pada tegangan keuarannya. Hal
ini mungkin tidak selalu menjadi masalah, tetapi untuk beberapa aplikasi tertentu
dibutuhkan distorsi rendah dalam output tegangan [12].
Konsep Multilevel Inverter (MLI) untuk menghasilkan sinyal AC tidak hanya bergantung pada dua tingkat tegangan. Beberapa tingkat tegangan dapat ditambahkan
untuk menciptakan gelombang yang semakin halus, dengan menghasilkan distorsi
harmonisa yang rendah. Gambar 2.6 menunjukkan tegangan keluaran untuk tiga
tingkat, dan Gambar 2.7 untuk lima tingkat.
Gambar 2.6 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 3 tingkat
Pada Gambar 2.8 yang merupakan tegangan untuk level tujuh tingkat, terlihat
semakin banyak level tegangan yang dihasilkan maka gelombang akan semakin
mendekati sinusoidal. Akan tetapi dengan berbagai tingkatan tersebut desain akan
menjadi lebih rumit, lebih banyak komponen dan metode kontrol lebih sulit.
Gambar 2.8 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 7 tingkat
Ada beberapa fitur menarik dalam multilevel inverter yaitu dengan tingkat
frekuensi yang lebih rendah maka tingkat stress komponen juga bisa dihindari..
Berikut keuntungan menggunakan multilevel inverter [12,13]:
1. Multilevel Inverter dapat menghasilkan tegangan keluaran dengan distorsi yang sangat rendah
2. Multilevel Inverter dapat menghasilkan arus masukan dengan distorsi yang sangat rendah.
4. Multilevel Inverter dapat beroperasi dengan frekuensi switching yang lebih rendah
Ada berbagai topologi multilevel inverter yang telah diusulkan beberapa tahun
terakhir seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9 [13]. Berikutnya akan lebih difokuskan
pembahasan untuk Multilevel Inverter dengan sumber DC yang simetris, sesuai
dengan yang digunakan pada tesis ini.
A. Diode Clamped Connected
Topologi multilevel inverter yang paling umum digunakan adalah
“diode clamped connected”, yaitu dioda digunakan sebagai perangkat untuk
menjepit tegangan bus DC sehingga mencapai level output voltage.
Beberapa kebutuhan komponen inverter tingkat n adalah:
a. Sumber tegangan (bisa berupa kapasitor) = (n - 1)
b. Perangkat switching (berupa relay) = 2 (n - 1)
c. Dioda = (n - 1) (n - 2)
Dengan meningkatnya jumlah level tegangan, kualitas tegangan keluaran
menjadi lebih dekat dengan gelombang sinusoidal. Gambar 2.10 menunjukkan
topologi diode-clamped tiga tingkat (a) dimana bus DC terdiri dari dua kapasitor,
yaitu C1 dan C2. Tegangan di setiap kapasitor terpasang sebesar VDC / 2.
Gambar 2.10 Topologi Multilevel InverterDiode-Clamped
Untuk menjelaskan bagaimana level tegangan dibangkitkan, titik
netral n dianggap sebagai keluaran fasa titik referensi tegangan. Kombinasi
Tabel 2.4 Kombinasi switch untuk menghasilkan variasi tegangan keluaran
Level Voutput S1 S2 S1’ S2’
1 Vdc/2 1 1 0 1
0 0 0 1 1 0
-1 -Vdc/2 0 0 1 1
Untuk menentukan nilai dari VD bisa digunakan Persamaan 2.5 [14].
...(2.5)
Dengan:
m = nilai tingkat inverter
k = konstanta dari 1 sampai (m-1)
Vdc = Tegangan DC link
B. H-Bridge Cascaded Multilevel Inverter
Konsep inverter ini adalah menghubungkan inverter H-bridge secara
seri untuk mendapatkan tegangan keluaran. Tegangan keluaran adalah jumlah
dari tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing tingkat. Jumlah tersebut
merupakan tegangan output tingkat 2n +1, dengan n adalah jumlah tingkat.
Salah satu keuntungan dari jenis inverter multilevel ini adalah
mengurangi jumlah komponen dibandingkan dengan diode-clamp maupun
C. Multilevel InverterFlying Capacitor
Struktur inverter ini mirip dengan diode-clamped, bedanya adalah
komponen dioda digantikan oleh kapasitor seperti pada Gambar 2.11. Inverter
n-level akan membutuhkan:
a. Kapasitor untuk masing-masing fasa = (n - 1) × (n - 2) / 2
b. Kapasitor utama = (n - 1)
Jika dibandingkan dengan metode diode clamp, jumlah kapasitor pada
type ini jauh lebih banyak karena komponen untuk dioda digantikan oleh
kapasitor. Lain halnya untuk sumber tegangan membutuhkan jumlah
komponen yang sama yaitu sebesar n-1.
2.6 Transformasi p-q
Filtering merupakan suatu proses untuk mendapatkan sinyal arus harmonisa dengan cara memfilter sinyal arus dan tegangan pada sistem. Sinyal arus dan
tegangan pada sistem memiliki dua komponen yaitu sinyal fundamental pada
frekuensi 50 Hz dan sinyal harmonisa dengan frekuensi kelipatan bilangan bulat dari
frekuensi fundamental sistem. Untuk mengidentifikasi harmonisa arus digunakan p-q theory [8,9,15].
2.6.1 Low Pass Filter
Filter adalah adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar
melewatkan suatu pita frekuensi tertentu dan pada saat yang bersamaan
melemahkan sinyal yang diluar frekuensi tersebut. Pengertian lain dari filter
adalah rangkaian pemilih frekuensi agar dapat melewatkan frekuensi yang
diinginkan dan menahan atau membuang (by pass) frekuensi lainnya. Adapun jenis filter antara lain adalah Low Pass Filter (LPF), jenis filter yang melewatkan frekuensi rendah serta meredam/menahan frekuensi tinggi.
Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan Gambar 2.12.
Selain LPF masih ada beberapa tipe dari filter tergantung dari
Gambar 2.12 Respon magnitudo LPF
LPF digunakan untuk membatasi frekuensi paling tinggi dari suatu
sinyal. LPF akan melewatkan frekuensi rendah atau dengan kata lain LPF
akan memberikan tegangan keluaran yang konstan dari DC hingga frekuensi
cutoff (frekuensi 0,707 atau frekuensi -3dB). Area frekuensi LPF dapat dibagi menjadi tiga. Pertama, area perpanjangan passband dari 0 sampai frekuensi
tepi passband nya (fpass). Kedua, area perpanjangan stopband dari frekuensi tepi stopband (fstop) sampai tak terbatas. Kemudian yang ketiga adalah daerah transisi antara keduanya, antara fpass dan fstop.
Pada tesis ini digunakan LPF dengan frekuensi yang dilewatkan adalah
sebesar 50Hz, sedangkan frekuensi yang lebih tinggi (harmonisanya) di tahan.
tingkat kecuraman dari filter. Semakin kecil nilainya (misalnya satu) maka
filter akan semakin curam dan semakin besar nilainya akan semakin landai.
2.6.2 Implementasi transformasi Park
Tranformasi Park secara matematik biasanya digunakan pada mesin sinkron 3 fasa yaitu untuk menyerderhanakan transformasi variabel tertentu
dari sistem 3 fasa abc ke sumbu dq0. Variabel tersebut biasanya berupa arus, tegangan atau fluks linkage dalam bentuk variabel aktual kumparan stator. Kuantitas baru didapatkan dari proyeksi variabel aktual pada ketiga sumbu
sepanjang sumbu direct kumparan rotor yang disebut sumbu direct (d), dan sepanjang sumbu netral kumparan medan yang disebut sumbu quadrature atau disebut sumbu stasioner. Untuk memudahkan biasanya sumbu fasa a dianggap
sebagai fasa referensi dan pergeseran sudut fasa referensi disebut θ.
Park transformasi (dq) adalah untuk menyederhanakan transformasi semua kuantitas stator dari sumbu abc yang diubah kedalam referensi
variabel baru yang disebut rotor. Jika kita mempunyai 3 variabel ia, ib dan ic maka kita perlu menggunakan 3 variabel baru sehingga dengan transformasi
Park menjadi 2 variabel baru yaitu variabel komponen id dan iq dan variabel komponen ketiganya atau i0 adalah arus stationer yang sebanding dengan arus urutan nol. Untuk ketiga fasa yang seimbang sumbu nol biasanya dianggap
Perhitungan p dan q Perhitungan Arus
Referensi Low Pass Filter
ic1 ic2 ic3 vs1 vs2 vs3 iref1 iref2 iref3
p q qh ph
Gambar 2.13 Proses transformasi pq
Tegangan sumber (Vs1, Vs2, Vs3) dan arus sumber (ic1, ic2, ic3) ditransformasikan menjadi sistem bi-phase menurut Persamaan (2.6):
[ ] √ [ √ √ ] [ ]
...(2.6)
Daya aktif dan daya reaktif sesaat pada sistem dihitung berdasarkan
Persamaan (2.7):
Setelah itu, untuk mendapatkan arus referensi harmonisa dilakukan
transformasi sesuai dengan Persamaan (2.8):
[ ] [ ] [ ̃ ̃] ... (2.8)
Untuk mendapatkan arus referensi harmonisa yang sesungguhnya,
maka arus harmonisa dalam sistem biphase harus ditransformasikan dengan invers dari transformasi α-β, dimana ditunjukkan pada Persamaan (2.9):
[ ] √
[
√
√ ]
[ ] ...(2.9)
2.7 Fuzzy Logic Control
Gambar 2.14 merupakan Fuzzy Logic Controller (FLC) sebagai alternatif sistem kendali modern yang mudah karena tidak perlu dicari model matematis dari
suatu sistem, tetapi tetap efektif karena memiliki respon sistem yang stabil. Logika
Gambar 2.14 Diagram Fuzzy untuk pemodelan controller pada filter
Beberapa alasan penggunaan logika fuzzy antara lain [16,17] : a. Konsep logika fuzzy mudah dimengerti.
b. Logika fuzzy sangat fleksibel.
c. Logika fuzzy memiliki toleransi terhadap data yang tidak tepat. d. Logika fuzzy mampu memodelkan fungsi tidak linier yang kompleks.
e. Logika fuzzy dapat bekerjasama dengan teknik-teknik kendali secara konvensional.
Fuzzy logic controll adalah evaluasi seperangkat aturan linguistic sederhana untuk menentukan aksi controll. Untuk mengembangkan aturan logika fuzzy, diperlukan pemahaman yang baik pada pengendalian proses dan keluaran. Logika
2.7.1 Proses Fuzzifikasi
Sebelum dilakukan proses fuzzifikasi, perlu diketahui beberapa istilah
untuk mempermudah memahami sistem fuzzy.
a. Fungsi Keanggotaan
Fungsi keanggotaan adalah suatu kurva yang menunjukkan pemetaan
titik-titik input data ke dalam nilai keanggotaannya (sering juga disebut
derajat keanggotaan) yang memiliki interval antara 0 sampai 1.
b. Tinggi Himpunan Fuzzy dan Normalisasi
Tinggi himpunan fuzzy adalah derajat keanggotaan maksimumnya dan terikat pada konsep normalisasi. Dengan adanya konsep normalisasi ini
didapatkan nilai maksimal untuk derajat keanggotaannya bernilai satu, dan
derajat paling kecil bernilai nol.
c. Domain Himpunan Fuzzy
Merupakan keseluruhan nilai yang diijinkan dalam semesta
pembicaraan. Domain merupakan himpunan bilangan real yang senantiasa
naik (bertambah) secara monoton dari kiri ke kenan. Nilai domain dapat
berupa bilangan positif maupun negatif.
d. Himpunan Penyokong
Setelah kita mengetahui himpunan fuzzy, maka kita juga harus tahu bagaimana himpunan fuzzy tersebut merepresentasikan pengetahuan. Ada beberapa model yang bisa digunakan dalam pembentukan proses fuzzifikasi
1. Representasi Linier
Pada representasi linier seperti pada Gambar 2.15, pemetaan input ke
derajat keanggotaannya digambarkan sebagai suatu garis lurus. Bentuk ini
paling sederhana dan menjadi pilihan yang baik untuk mendekati suatu
konsep yang kurang jelas.
Ada 2 keadaan himpunan fuzzy yang linier. Pertama, kenaikan himpunan dimulai pada nilai domain yang memiliki derajat keanggotaan nol
(0) bergerak ke kanan menuju ke nilai domain yang memiliki derajat
keanggotaan lebih tinggi.
Fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Persamaan (2.10):
... (2.10)
Himpunan fuzzy yang linier kedua merupakan kebalikan dari yang pertama seperti terlihat pada Gambar 2.16. Garis lurus dimulai dari nilai
domain dengan derajat keanggotaan tertinggi pada sisi kiri, kemudian
bergerak menurun ke nilai domain yang memiliki derajat keanggotaan lebih
rendah.
.
Gambar 2.16 Representasi linier turun
Fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Persamaan (2.11):
2. Representasi Kurva Segitiga
Kurva segitiga pada dasarnya adalah gabungan antara 2 garis (linier) seperti terlihat pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Kurva segitiga
Fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Persamaan (2.12):
... (2.12)
3. Representasi Kurva Trapesium
Gambar 2.18 adalah kurva trapesium, yang pada dasarnya seperti
bentuk segitiga, hanya saja ada titik yang memiliki nilai keanggotaan satu.
seperti pada kurva segitiga yang hanya mempunyai satu titik yang bernilai
satu.
Gambar 2.18 Kurva trapesium
2.7.2 Pembentukan aturan
Setiap aturan (proposisi) pada basis pengetahuan fuzzy akan berhubungan dengan suatu relasi fuzzy. Ada 2 jenis proposisi fuzzy, yaitu:
a. Conditional Fuzzy Proposition
Jenis ini ditandai dengan penggunaan pernyataan IF. Secara umum
dapat diekspresikan
IF x is A THEN y is B
Proposisi ini dapat diperluas dengan menggunakan penghubung
fuzzy, seperti:
IF (x1 is A1) • (x2 is A2) • …… • (xN is AN) THEN y is B
Dengan (•) adalah operator (misal: OR atau AND)
Apabila suatu proposisi menggunakan bentuk terkondisi, maka
ada 2 fungsi implikasi yang dapat digunakan, yaitu:
1. Min (minimum). Fungsi ini akan memotong keluaran himpunan fuzzy.
2. Dot (product). Fungsi ini akan menskala keluaran himpunan fuzzy.
b. Unconditional Fuzzy Proposition
Jenis ini ditandai dengan tidak digunakannya pernyataan IF. Secara
umum dapat diekspresikan:
x is A
Dengan x adalah skalar, dan A adalah variable linguistic.
Proposisi yang tidak terkondisi selalu diaplikasikan dengan model
AND, tergantung pada bagaimana proposisi tersebut diaplikasikan, bisa
membatasi daerah output, bisa juga mendefinisikan default daerah solusi
Apabila sistem terdiri dari beberapa aturan, maka inferensi diperoleh dari
kumpulan dan korelasi antar aturan. Ada 3 metode yang digunakan dalam melakukan
inferensi sistem fuzzy, yaitu: max (maximum), additive dan probabilistic-OR (probor).
1. Metode Max (maximum)
Pada metode ini, solusi himpunan fuzzy diperoleh dengan cara mengambil nilai maksimum aturan, kemudian menggunakannya untuk
memodifikasi daerah fuzzy, dan mengaplikasikannya ke keluaran dengan menggunakan operator OR (union). Jika semua proposisi telah dievaluasi, maka keluaran akan berisi suatu himpunan fuzzy yang merefleksikan kontribusi dari tiap-tiap proposisi. Secara umum dapat dituliskan:
[ ] [ ] [ ]
Dengan:
[ ] nilai keanggotaan solusi fuzzy sampai aturan ke –i; [ ] nilai keanggotaan konsekuen fuzzy aturan ke –i ;
2. Metode Additive (sum)
[ ] [ ] [ ]
Dengan:
[ ] nilai keanggotaan solusi fuzzy sampai aturan ke – i; [ ] nilai keanggotan konsekuen fuzzy aturan ke – i ;
3. Metode Probabilistik-OR
Pada metode ini, solusi himpunan fuzzy diperoleh dengan cara melakukan product terhadap semua output daerah fuzzy. Secara umum dituliskan sebagai berikut:
[ ] ( [ ] [ ]) [ ] [ ]
Dengan:
[ ] nilai keanggotaan solusi fuzzy sampai aturan ke –i; [ ] nilai keanggotan konsekuen fuzzy aturan ke –i ;
2.7.3 Proses Defuzzifikasi
diberikan suatu himpunan fuzzy dalam range tertentu, maka harus dapat diambil suatu nilai crisp tertentu sebagai keluaran.
Ada beberapa metode defuzzifikasi pada komposisi aturan
MAMDANI, antara lain:
a. Metode Centroid (Composite Moment)
Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil titik pusat daerah fuzzy. Secara umum dirumuskan pada Persamaan (2.13) dan (2.14):
∫
∫ ... (2.13)
Atau:
∑
∑ ... (2.14)
Ada 2 keuntungan menggunakan metode centroid, yaitu:
1. Nilai defuzzy akan bergerak secara halus sehingga perubahan dari suatu topologi himpunan fuzzy juga akan berjalan dengan halus
2. Perhitungan yang sederhana dan mudah
b. Metode Bisektor
jumlah total nilai keanggotaan pada daerah fuzzy. Secara umum dapat dituliskan seperti pada Persamaan (2.15):
∫ ∫ ...(2.15)
c. Metode Mean of Maximum
Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai rata-rata domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal.
d. Metode Largest of Maximum
Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai terbesar dari domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal.
e. Metode Smallest of Maximum
Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai terkecil dari domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal.
2.8 Desain Sistem
Pada Gambar 2.19, sumber yang dibebani oleh sistem baik yang linier
maupun tidak linier terdiri dari arus fundamental dan harmonisa, yaitu IS_A, IS_B, IS_C.
Gelombang tersebut akan diproses dengan menggunakan transformasi pq, sehingga akan didapatkan komponen fundamental dan juga komponen harmonisanya. Setelah
didapatkan komponen harmonisanya, kemudian diproses dengan menjumlahkan arus
akan diolah oleh blok hysteresis controll untuk menghasilkan pulsa. Pulsa ini yang berfungsi untuk menyalakan atau mematikan switch dari inverter 3 tingkat.
TRANSFORMASI pq
Gambar 2.19 Prinsip algoritma filter aktif
Arus yang dihasilkan dari inverter tiga tingkat besarnya sama dengan arus
harmonisa tetapi berlawanan fasa, sehingga nantinya bisa saling menghilangkan.
Kalau tidak ada arus harmonisa yang timbul, error yang dihasilkan juga akan bernilai nol. Sehingga arus yang di injeksikan juga akan bernilai nol.
a. Pemodelan Sistem Menggunakan Matlab
Gambar 2.20 Pemodelan simulasi tanpa filter
2.9.1 Sumber
Gambar 2.21 merupakan model dari sumber 3 fasa yang merupakan
sumber dari beban yang akan di supply. Frekuensi 50 Hz dengan nilai RMS (root mean square) tegangan sebesar 400 Volt. Dimana kondisi dianggap setimbang untuk masing-masing fasa dengan beban dalam kondisi steady state. Untuk beban nya sendiri diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu beban yang sifatnya linier dan beban yang tidak linier. Pemodelan dari
masing-masing beban tersebut diambil dari data-data yang ada di jurnal
Gambar 2.21 Pemodelan sumber 3 fasa
2.9.2 Impedansi saluran
Gambar 2.22 merupakan pemodelan impedansi saluran, dimana
parameter yang harus diisikan adalah resistansi (Ohm) dan induktansi (H).
2.9.3 Pemodelan Beban Tidak Linier
Gambar 2.23 adalah pemodelan beban tidak linier yang diwakili
dengan komponen dioda. Parameter beban tidak linear diambil dari referensi
[18].
Gambar 2.23 Pemodelan beban
2.9.4 Blok FLC Controller
Matlab sendiri menyediakan block untuk membuat sistem inferensi
fuzzy (FIS) bernama Fuzzy Logic Toolbox (FLT) seperti pada Gambar 2.24. FLT memiliki 5 jenis GUI (Graphic User Interface) untuk merancang FIS:
1. FIS Editor merupakan jendela bagi sistem fuzzy yang akan dibuat. 2. Membership Function Editor berfungsi untuk membentuk variabel
Gambar 2.24 FeatureFuzzy Inference System pada Matlab
3. Rule Editor digunakan untuk membentuk aturan dari masukan dan keluaran yang diinginkan.
4. Rule Viewer berguna untuk membentuk visualisasi dari aturan yang sudah kita buat pada rule editor.
5. Surface Viewer adalah gambaran berbentuk 3 dimensi yang bisa menunjukkan aturan dan fungsi keanggotaan yang sudah dibuat.
Fuzzy logic controller yang digunakan menggunakan beberapa mekanisme sebagi berikut:
b. Fungsi keanggotaan menggunakan metode segitiga dan trapesium
sebagai himpunan penyokong
c. Inferensi fuzzy menggunakan mekanisme Mamdani d. Proses defuzifikasi menggunakan metode centroid
Tabel 2.5 menunjukkan aturan yang digunakan untuk mengolah sinyal
masukan dan sinyal keluaran FLC pada tesis ini. Pada sistem MISO (Multi Input Single Output) jumlah aturan yang dihasilkan adalah 5x5 = 25 untuk 5 set fuzzy dan 7x7 =49 untuk 7 set fuzzy.
Tabel 2.5 Aturan set fuzzy untuk 5 fungsi keanggotaan
d_error Error
NL NS ZE PL PS
NL BN N P P BP
NS BN N P P BP
ZE BN N ZE P BP
PL BN N N P BP
PS BN N N P BP
Keteranga:
NL : Negative Large NS : Negative Small
ZE : Zero PS : Positif Small
PL : Positif Large BN : Big Negative
N : Negative ZE : Zero
Tabel 2.5 adalah variabel linguistic yang dibentuk dalam lima fungsi keanggotaan. Dimana masing-masing himpunan pada error dan delta error dibagi menjadi lima fungsi keanggotaan. Fungsi keanggotaan yang digunakan
menggunakan metode segitiga, dengan bagian ujung merupakan himpunan
penyokong menggunakan metode trapesium.
Gambar 2.25 merupakan jendela pada matlab yang muncul ketika kita
menuliskan command “fuzzy” pada command window. Berikutnya dibuat
masukan berupa himpunan dan aturan yang sesuai dengan desain.
Pada Gambar 2.26 di bawah ini terlihat fungsi keanggotaannya
berbentuk kurva segitiga dan himpunan porosnya berbentuk kurva trapesium.
Mengingat dalam algoritma fuzzy ini kita melakukan normalisasi terhadap nilai bilangan sehingga didapatkan nila amplitudo maksimal bernilai 1.
Dimana nilai tersebut adalah nilai yang tertinggi, atau bisa juga disebut fungsi
keanggotaan yang bersifat mutlak.
Selain menggunakan 5 fungsi keanggotaan, dibuat juga 7 fungsi
keanggotaan seperti Tabel 2.6. Tujuannya untuk melihat pengaruh perubahan
fungsi keanggotaan terhadap performansi filter aktif. Dengan menggunakan
cara yang sama, tetapi dengan jumlah anggota himpunan yang lebih banyak,
yang ditambahkan adalah “negatif medium” dan “positif medium”. Secara teoritis semakin banyak jumlah fungsi keanggotaan maka output yang akan
dihasilkan juga lebih baik, karena dengan banyaknya fungsi berarti himpunan
masukan dan keluaran menjadi lebih presisi.
Tabel 2.6 Aturan set fuzzy untuk 7 fungsi keanggotaan
Gambar 2.27 adalah gambar fungsi keanggotaan yang metodenya
sama dengan yang digunakan pada FLC 5 fungsi keanggotaan. Yaitu dengan
menggunakan metode tringular, dengan kombinasi himpunan penyokong menggunakan metode trapesium.
Gambar 2.27 Tujuh membership function FIS Editor
2.9.5 Transformasi pq
tegangan dan sumber akan diproses di blok “clarke”. Di blok ini akan di
konversi dari 3 fasa menjadi 2 variabel output, baik tegangan maupun arus
dengan menggunakan persamaan [2.6]. Kemudian berikutnya baru akan
digabungkan dan dikonversikan dengan menggunakan persamaan [2.7].
Setelah itu akan dilakukan proses filter dengan LPF untuk mendapatkan
komponen fundamental dan harmonisanya. Setelah itu di bagian akhir
dilakukan konversi lagi dari 2 variabel menjadi 3 variabel.
Gambar 2.28 Diagram blok untuk transformasi pq
2.9.6 Hysteresis Controller
Hysteresis controller seperti Gambar 2.29 ini digunakan untuk membangkitkan pulsa sebagai masukan dari inverter, yaitu dengan cara
membandingkan nilai dari arus referensi dan arus yang terukur.
Gambar 2.29 Diagram blok untuk histeresis controll
Keluaran dari blok ini adalah berupa pulsa yang akan
membangkitkan inverter apakah harus ON atau OFF. Kalau arus yang terukur
lebih besar dari arus referensi, maka switch akan diperintahkan untuk ON, demikian juga sebaliknya. Kalau arus yang terukur lebih kecil dari arus
referensi maka switch akan diperintahkan untuk OFF.
2.9.7 Multilevel Inverter
Penggunaan multilevel inverter yang berkembang sangat pesat, bisa digunakan pada block three-level bridge di Matlab dapat dilihat pada Gambar 2.30.
Gambar 2.30 Implementasi Multilevel Inverter tiga tingkat
Dimana untuk menentukan nilai dari kapasitor dan tegangan Vdc referensi memanfaatkan Persamaan (2.16) [14]
...(2.16)
Dengan:
VD = Sumber tegangan inverter (bisa berupa kapasitor) m = Level tegangan
Metode penelitian dalam merancang model menggunakan Software MATLAB/Simulink. Filter aktif paralel dalam penelitian ini dipasangkan pada tegangan 380V yaitu pada sisi sekunder transformator yang mengandung arus
harmonisa dengan THD arus yang tinggi. Saluran bus tegangan rendah 380 V dapat diwakili dengan rangkaian impedansi saluran R dan L, dengan parameter saluran
tergantung pada panjang dan diameter saluran. Gambar 3.1 menunjukkan diagram
satu baris dari sistem dengan menggunakan filter aktif paralel [19].
3.1 Parameter simulasi
Tabel 3.1 adalah parameter yang digunakan di dalam simulasi menggunakan
Matlab/Simulink.
Tabel 3.1 Parameter yang digunakan dalam simulasi
Parameter Nilai Satuan
a. Data saluran: Panjang impedansi kabel (R dan L)
Pemodelan data saluran menggunakan data sebagai berikut:
Tegangan Sumber (fasa ke fasa) = 380 Volt
Frekuensi Sumber = 50 Hz
Impedansi Saluran:
R = 0,01 Ohm L = 1 x 10-6 H
b. Data beban
Data beban dimodelkan menjadi dua, yaitu beban linier dan
beban tidak linier. Untuk beban linier data input yang digunakan [18]
tegangan fasa ke fasa 380V, dengan frekuensi sebesar 50 Hz. Nilai variabel beban linier adalah sebagai berikut:
R = 10 Ohm L = 80 mH
Parameter beban tidak linier:
1) Resistance Ron = 1e-1 Ohm 2) Forward Voltage = 0,8 V 3) Snubber Resistance = 1000 Ohm 4) Snubber Capacitance = 0,1e-6 F
5) Resistor = 1 Ohm
c. Data untuk filter aktif paralel
Dalam perhitungan desain filter aktif, setidaknya ada dua
komponen utama yang perlu dilakukan perhitungan yaitu kapasitansi
kapasitor dan tegangan VDC. Nilai dari VDC sendiri setidaknya dua kali lebih besar dari nilai VAC, yang dalam hal ini adalah sebesar 380 V, jadi dalam hal ini nilai Vdc_ref > 760 V.
Dalam penentuan nilai kapasitor, ada beberapa hal yang hanya
bisa dilakukan dengan pemodelan, misalnya dari sisi ripple tegangan (biasanya menggunakan nilai antara 1-2%) [20], atau persentase
kenaikan arus beban (fluktuatif) menggunakan nilai antara 5-10% [21].
Desain kapasitor DC Link bisa menggunakan Persamaan (3.1) [20]
...(3.1)
Dengan:
Sn : Power nominal filter Vdc : Tegangan rata-rata DC ΔVdc : Prediksi ripple tegangan ω1 : Frekuensi AC
Selain fluktuasi tegangan, diperlukan prediksi kenaikan arus
beban seperti pada Persamaan (3.2) [21].
Dengan:
Maksimum tegangan sumber
T = Periode sumber tegangan ΔI = Prediksi kenaikan arus beban
Nilai maksimum tegangan sumber dapat dilihat pada Persamaan (3.3)
√ ...(3.3)
Dengan menggunakan Persamaan (3.2) dan (3.3) serta kriteria
yang disebutkan, digunakan nilai sebagai berikut:
Cdc = 40 x 10-6 F Vdc_ref = 2000 Volt
d. Perhitungan Arus Hubung Singkat Sistem Data Transformator:
1. Daya 100 kVA
2. Tegangan primer/sekunder = 20/0,4 kV
3.2 Hasil simulasi sebelum dipasang filter
Hasil simulasi sebelum dipasang filter dapat dilihat pada Gambar 3.2,
gelombang arus 3 fasa tidak berbentuk sinusoidal dikarenakan gelombang
Gambar 3.2 Arus sebelum pemasangan filter aktif (a) fasa R (b) fasa S dan (c) fasa T
Dengan menggunakan analisa FFT (Fast Fourier Transform) untuk
gelombang arus didapatkan nilai THD seperti terlihat pada Gambar 3.3.
Nilai THDi dalam sistem cukup besar untuk semua fasa yaitu sebesar
26,16%, dengan orde ke lima adalah yang paling dominan kemudian diikuti dengan
orde ke tujuh, sebelas dan seterusnya. Karena kondisi beban yang seimbang untuk
ketiga fasa, nilai THD semua fasa juga sama. Dengan menggunakan standar IEEE
519-1992, nilai THDi yang diijinkan adalah dibawah 5%, artinya nilai THDi dari hasil
simulasi sebesar 26,16% perlu dilakukan perbaikan agar bisa sesuai dengan standar
yang telah ditentukan.
Gelombang tegangan seperti pada Gambar 3.4 masih berbentuk sinusoidal untuk ketiga fasa. Hal ini dikarenakan harmonisa yang diakibatkan oleh beban tidak
linier belum cukup mengganggu gelombang tegangan.
Gambar 3.4 Tegangan sebelum pemasangan filter (a) Fasa R (b) Fasa S (c) Fasa T
Berikut adalah hasil dari analisa FFT terhadap gelombang tegangan yang
Gambar 3.5 THDv sebelum pemasangan filter aktif
Terlihat nilai THDv sebesar 0,45% dengan orde harmonisa yang paling
dominan adalah orde ke lima. Nilai tersebut masih berada di bawah nilai standar
IEEE 519-1992 yang sudah ditentukan yaitu sebesar 5%. Gambar bagian atas
menunjukkan sinyal atau gelombang yang akan dilakukan analisa, dalam hal ini
dianalisa sebanyak 10 siklus. Pemilihan sinyal sebanyak 10 siklus ini dirasakan sudah
cukup mengingat kondisi beban dalam keadaan steady state, sehingga beban tidak berubah-rubah lagi seiring dengan perubahan waktu. Pada bagian bawah merupakan
hasil dari analisa FFT dari bentuk gelombang yang sudah ditentukan. Nominal dari
Gambar 3.6 bagian (a) menunjukkan gelombang tegangan untuk tiga fasa
sebelum dipasang filter, sedangkan untuk gelombang arus di sisi beban (b) dan di sisi
sumber (c) terlihat identik bentuk gelombangnya tidak sinusoidal.
Gambar 3.6 (a) Tegangan di sisi beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi sumber
3.3 Hasil simulasi setelah dipasang filter
Berikutnya adalah pembahasan dari hasil simulasi dengan melakukan
pemasangan filter aktif menggunakan skema fuzzy logic controller, dengan menggunakan lima fungsi keanggotaan dan tujuh fungsi keanggotaan. Untuk
himpunan fungsi keanggotaan menggunakan bentuk segitiga dengan trapesium
3.3.1 Skenario FLC 5 fungsi keanggotaan
Berikutnya dilakukan simulasi menggunakan FLC dengan 5 fungsi
keanggotaan pada multilevel inverter 3 tingkat. Hasilnya bisa dilihat pada Gambar 3.7, dimana filter aktif dihubungkan secara paralel dengan beban.
Gambar 3.7 Gelombang arus dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan (a) Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T
Terlihat pada awal periode (sekitar 1 periode atau 0,02 detik)
gelombang arus bentuknya tidak beraturan. Hal ini dikarenakan filter aktif
masih dalam proses inisiasi. Pada awal periode ke dua, setelah filter aktif
mulai menginjeksikan arus ke dalam jaringan terlihat gelombang arus
Dengan cara yang sama seperti sebelumnya, gelombang arus juga
dianalisa dengan menggunakan FFT. Hasilnya juga terlihat cukup baik, karena
ketiga fasa (fasa R, fasa S, dan fasa T) memiliki bentuk gelombang yang
mendekati sinusoidal. Dengan analisa sebanyak 10 siklus gelombang arus menggunakan frekuensi sebesar 50 Hz dan dibatasi sampai orde ke 19, hasilnya dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 THDi dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan
Pada awalnya bentuk gelombang arus masih sama seperti sebelum
pemasangan filter. Hal ini dikarenakan filter memerlukan waktu untuk bisa
periode (0.02 detik), filter mulai bekerja dan terlihat bentuk gelombang
mulai mengalami perbaikan dan menuju sinusoidal. Setelah kurang dari satu periode gelombang sebesar 0,02 detik, filter aktif mulai bekerja dengan cara
menyuntikkan arus dititik PCC, sehingga harmonisa bisa direduksi.
Mulai periode kedua bentuk gelombang terlihat lebih stabil sampai
pada akhir periode simulasi. Total Harmonic Distortion yang ditimbulkan sebesar 2,42% untuk kondisi fasa yang terburuk. Sementara sesuai standar
IEEE 519-1992 nilai THDi yang diijinkan adalah sebesar 5%, dengan
demikian setelah pemasangan filter aktif nilai THDi mampu memenuhi
kriteria standar yang sudah disebutkan.
Gelombang tegangan untuk ketiga fasa (fasa R, fasa S, dan
juga fasa T) seperti terlihat pada Gambar 3.9 berbentuk sinusoidal dari awal periode hingga akhir periode. Hal ini sekaligus menunjukkan harmonisa
tegangan tidak cukup mengganggu kualitas daya baik sebelum pemasangan
filter maupun setelah pemasangan filter karena nilainya masih dapat diterima
dan di bawah nilai standar yang sudah ditentukan oleh IEEE 519-1992.
Dengan kondisi beban seperti ini, yang perlu menjadi perhatian
adalah harmonisa arus di sisi beban. Pemasangan filter aktif mampu menjaga
kualitas sistem tenaga sesuai dengan kriteria yang sudah disebutkan dalam
Gambar 3.9 Gelombang tegangan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan (a)Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T
Dengan menggunakan analisa FFT, gelombang tegangan masih
berbentuk sinusoidal seperti terlihat pada Gambar 3.10.
Gambar 3.11 (a) menunjukkan gelombang tegangan tiga fasa di sisi
beban. Bagian (b) adalah gelombang arus tiga fasa di sisi beban, sedangkan
bagian (c) adalah arus di sisi sumber. Terlihat bentuk arus di sisi sumber,
pada awalnya arus di sisi sumber sama dengan arus di sisi beban (hal ini juga
berlaku ketika sistem tidak menggunakan filter). Akan tetapi setelah
beberapa periode (kurang dari 0,02 detik) arus mulai terlihat lebih stabil. Hal
ini disebabkan filter aktif sudah mulai meng-injeksikan arus ke dalam sistem
yang bertujuan untuk mereduksi harmonisa. Dalam filter aktif, waktu yang
diperlukan untuk inisiasi menjadi salah satu faktor yang perlu
dipertimbangkan dalam desain.
Seperti disebutkan di awal, konsep dari filter aktif sendiri yaitu
meng-injeksikan sumber arus dengan besaran yang sama dengan nilai harmonisa,
sehingga diharapkan akan saling menghilangkan. Artinya semakin cepat dan
sama bentuk dari arus injeksi dengan arus harmonisa, maka filter aktif akan
bekerja semakin baik. Akan tetapi tentu dibutuhkan waktu untuk filter aktif
bisa bekerja, sehingga biasanya di awal arus injeksi belum dibangkitkan
sampai beberapa saat. Gambar 3.12 (a) adalah arus harmonisa yang dihasilkan
oleh beban dan (b) arus harmonisa yang dihasilkan oleh filter aktif untuk
diinjeksikan ke dalam sistem.
Gambar 3.12 (a) Arus harmonisa (b) Arus APF FLC 5 Fungsi Keanggotaan
