DESAIN DAN IMPLEMENTASI SELF TUNING LQR ADAPTIF
UNTUK PENGATURAN GENERATOR
SINKRON 3 FASA
Arif Hermawan
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya – 60111
e-mail : [email protected]
Abstark - Generator sinkron secara umum berfungsi sebagai power supply atau power supply cadangan (emergency
power supply). Output tegangan yang dihasilkan harus selalu
konstan agar peralatan listrik yang disuplai oleh generator tidak cepat rusak. Oleh karena itu diperlukan suatu alat untuk mengatur tegangan pada nilai yang diinginkan. Pengaturan tegangan dilakukan dengan cara mengatur besar kecilnya arus eksitasi yang diberikan pada kumparan medan baik dengan cara manual atau otomatis. Pengaturan tegangan otomatis yaitu dengan cara mendesain suatu kontroler yang akan memberikan aksi kontrol untuk menambah atau mengurangi besarnya arus eksitasi tanpa campur tangan operator. Untuk mendesain kontroler banyak metode yang dapat digunakan. Kontrol optimal merupakan salah satu metode kontrol yang memberikan energi minimum dari state dan sinyal kontrol berdasarkan indeks performansi yang diberikan. Kontroler adaptif adalah kontroler pintar dengan adjustable parameter dan mekanisme untuk mengatur parameter sehingga jika terjadi perubahan, kontroler mampu menyesuaikan diri terhadap keadaan yang baru atau tidak diketahui. Dalam tugas akhir ini didesain suatu pengatur tegangan generator sinkron dengan metode kontrol optimal LQR yang penentuan parameter gain feedback K dengan metode kontrol adaptif self tuning.
Kata Kunci :
Generator sinkron, arus eksitasi, kontrol
optimal, self tuning
1. PENDAHULUAN
Sistem tenaga listrik secara umum terbagi menjadi tiga bagian yaitu sistem pembangkitan, jaringan transmisi dan beban. jika terjadi perubahan permintaan disisi beban maka akan terjadi perubahan pada tegangan. Tegangan yang konstan pada terminal generator merupakan suatu besaran penting yang harus dipertahankan untuk menghasilkan
supply daya yang diharapkan. Untuk itu diperlukan peralatan
kontrol yang digunakan untuk mengatur besaran input guna mencapai titik keseimbangan. Automated Voltage regulator (AVR) merupakan peralatan kontrol otomatis yang digunakan untuk menjaga agar tegangan terminal generator selalu konstan.
Dalam tugas akhir ini akan dirancang rangkaian AVR dengan kontroler optimal LQR dengan penentuan parameter kontroler gain feedback K menggunakan metode self tuning
adaptif. Rancangan yang dibuat akan diimplementasikan
sebagai rangkaian pengatur tegangan otomatis pada generator sinkron 3 fasa agar tegangan yang dikeluarkan oleh generator
sinkron tersebut selalu konstan meskipun beban berubah setiap saat.
Perubahan beban yang kecil pada sistem tenaga listrik adalah suatu hal yang tidak dapat dihindari dan selalu terjadi. Oleh karena itu perlu didesain suatu kontroler yang dapat menjaga sistem tenaga listrik selalu stabil. Kontroler yang didesain berfungsi untuk mengatur besarnya penalaan pada pada rangkaian driver sistem eksitasi [1]. Beberapa metode desain kontroler sudah dikembangkan, salah satunya adalah kontrol optimal.
Kontroler optimal digunakan untuk memperbaiki kinerja sistem tenaga listrik dalam hal ini performansi kestabilan tegangan. Sistem tenaga listrik yang meliputi generator dan sistem eksitasi, dinyatakan dalam model matematika. Model keseluruhan dibuat dalam diagram blok fungsi alih untuk disusun dalam bentuk persamaan keadaan
(state space)[2]. Tujuan utama kontroler adalah untuk
menambah kestabilan dinamis atau dengan kata lain untuk menambah peredaman osilasi daya pada sistem tenaga listrik. Kontroler adaptif adalah kontroler pintar dengan
adjustable parameter dan mekanisme untuk mengatur
parameter atau dalam pengertian umum berarti mengubah tingkah laku atau karakteristik untuk menyesuaikan diri terhadap keadaan yang baru atau tak diketahui. Sistem kontrol adaptif terdiri atas 2 loop tertutup, loop pertama adalah normal feedback control terhadap plant dan kontroler dan loop yang kedua adalah loop dengan parameter
adjustment loop[3].
Ada banyak metode yang dapat dipakai untuk menentukan penalaan (tuning) parameter kontroler, salah satunya adalah dengan self tuning. Dalam self tuning terdapat blok identifikasi sistem yaitu suatu blok yang merepresentasikan proses estimasi parameter secara langsung. Disamping itu juga terdapat blok mekanisme adaptasi yang merepresentasikan penyelesaian langsung untuk desain problem dari parameter yang telah diidentifikasi sebelumnya untuk menghasilkan parameter kontroler terbaru sesuai kondisi objek saat itu. Selain itu juga terdapat blok kontroler yang berfungsi untuk menghitung aksi kontrol yang akan diberikan kepada objek dengan parameter kontroler yang telah dihitung pada blok sebelumnya. Sehingga sistem dapat dikatakan sebagai otomatisasi proses.
2. Mesin sinkron
Sebagian besar energi listrik yang dipergunakan oleh konsumen untuk kebutuhan sehari-hari dihasilkan oleh
generator sinkron phasa banyak (polyphase) yang ada di pusat pembangkit tenaga listrik. Generator sinkron yang dipergunakan ini mempunyai rating daya dari ratusan sampai ribuan mega Volt Ampere (MVA).
Disebut mesin sinkron, karena bekerja pada kecepatan dan frekuensi konstan di bawah kondisi ”Steady state”. Mesin sinkron bisa dioperasikan baik sebagai generator maupun motor. Mesin sinkron bila difungsikan sebagai motor berputar dalam kecepatan konstan. Apabila dikehendaki kecepatan yang bersifat variabel, maka motor sinkron dilengkapi dengan pengubah frekuensi seperti
Inverter atau Cyclo-converter.
Sebagai generator, beberapa mesin sinkron sering dioperasikan secara paralel, seperti dipusat-pusat pembangkit. Adapun tujuan dari paralel generator adalah menambah daya pasokan dari pembangkit yang dibebankan ke masing-masing generator yang dikirimkan ke beban.
2.1 Konstruksi Mesin Sinkron
Ada dua struktur medan magnet pada mesin sinkron yang merupakan dasar keja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC dan sebuah jangkar tempat dibangkitkannya ggl arus bolak-balik. Hampir semua Mesin Sinkron mempunyai jangkar
diam sebagai stator dan medan magnet berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada medan magnet yang berputar dihubungkan pada sumber listrik DC luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yang biasa disebut brushless excitation.
2.1.1 Bentuk Penguatan
Seperti telah diuraikan di atas, bahwa untuk membangkitkan flux magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator hydroelectric, maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri, tetapi dengan pilot exciter sebagai penguatan atau menggunakan magnet permanen.
Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan dioda silikon dan thyristor. Ada dua tipe sistem penguatan ”Solid state” sebagai berikut:
• Sistem statis yang menggunakan dioda atau thyristor statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui slipring.
• Brushless system, pada sistem ini penyearah dipasangkan di
poros yang berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slipring.
2.1.2 Bentuk Rotor
Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder Gambar 2.3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti
hydroelectric atau generator listrik diesel mempunyai rotor
kutub menonjol Gambar 2.3b.
2.1.3 Bentuk Stator
Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi.
Gambar 2.4 memperlihatkan alur stator tempat
kumparan jangkar. Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga phasa, ada dua tipe yaitu: a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Gambar 1. Generator sinkron tiga phasa dengan
penguatan generator DC Pilot Exciter.
Gambar 2. Generator sinkron tiga phasa dengan
sistem penguatan brushless exciter
system brushless exciter system.
( a ) Rotor kutub ( b ) Rotor kutub
Sinyal Segitiga Referensi (Sinyal kontrol) t V V t PWM t Optoisolator V Power Mosfet t V
3. Perancangan Sistem
3.1 Diagram Blok Perancangan Sistem
Keseluruhan perancangan sistem pengaturan tegangan keluaran generator 3 fasa untuk beban berubah dapat digambarkan dengan diagram blok sebagai berikut :
Gambar 5. Perancangan sistem pengaturan tegangan generator sinkron 3 fasa
Perancangan Sensor
Sensor merupakan suatu piranti yang tidak bisa ditinggalkan dalam perancangan suatu sistem pengaturan. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1 diatas, ada dua buah sensor untuk melakukan pengukuran terhadap variabel yang dibutuhkan. Variabel output generator yang diukur berupa arus, tegangan, serta sudut fasa.
Gambar 6. Blok diagram perancangan sensor
tegangan dan arus Generator
Buck Converter (Konverter Penurun Tegangan )
Buck Converter merupakan rangkaian penurun
tegangan. Pada rangkaian Buck Converter, Mosfet difungsikan sebagai komponen pencacah (saklar). Proses membuka dan menutup saklar berdasarkan atas besar-kecilnya lebar pulsa (duty cycle) sinyal kontrol pulse width
modulation (PWM). Dengan mengatur lama waktu on dan off
maka bisa didapatkan tegangan output V0 sesuai dengan
keinginan.
Gambar 7 Rangkaian Buck Converter Realisasi Rangkaian Driver DC to DC Converter
Gambar 8. Diagram blok realisasi rangkaian driver dc to dc converter
Perancangan Kontroler
Perancangan kontroler sebagai pengatur tegangan sinkron 3 fasa menggunakan metode self tuning LQR adaptif. Dalam perancangan kontroler dengan metode ini tidak dilakukan identifikasi parameter plant ,tetapi melalui pengukuran langsung terhadap beban.
Pemodelan Beban Induktif
Gambar 9. Rangkaian generator dengan beban induktif
Sehingga besarnya dirumuskan :
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 t (s) s ta te s x ( t) x1 x2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 t (s) k o n tr o l in p u t u ( t)
Pemodelan Beban Kapasitif
Gambar 10. Rangkaian generator dengan beban kapasitif
3-20 sehingga :
dan
4. Pengujian Sistem
Pengujian Beban Induktif
Gambar 11. Pengujian beban induktif
Pengujian Beban Kapasitif
Gambar 12. Pengujian beban kapasitif
Simulasi beban Induktif
Gambar 13. Diagram simulink untuk beban induktif
Gambar14. Hasil simulasi state sistem
Gambar 15. Hasil simulasi kontrol optimal 5. Kesimpulan
Setelah dilakukan pengujian beban terlihat bahwa beban induktif cenderung menurunkan tegangan dengan sudut fasa lagging (sinyal tegangan mendahului arus). Sedangkan untuk beban kapasitif, cenderung menaikkan tegangan dengan sudut fasa leading. Yaitu sinyal arus mendahului tegangan. Dalam perancangan ini, kontroler belum bisa bekerja dengan baik, dikarenakan masih ada permasalahan dalam algoritma untuk penghitungan kontroler.
[1] Daniel Lau Lee Kah, Control System for AVR and Governor of Synchronous Machine, The University of Queensland, 2003.
[2] Syahrizal dan Ramon Zamora, Penggunaan Metode Kontrol Umpan Balik Optimal
Untuk Menambah Kestabilan Dinamik Sistem Tenaga Listrik, Jurnal Rekayasa Elektrika, Universitas Syah Kuala Volume 4 no.1,Hal.10-17,2004
[3] Shigeyuki FUNABIKI, Atsumi HITSUMOTO, Yasuji YAMAKAWA and Tadashi ITO, Automatic Voltage Regulation of Synchronous Generator with Pole Assignment Self-Tuning Regulator, IEEE CH2976-9/91/0000-l807 $1.00 0 ,1991
[4] Prabha Kundur, Power System Stability and Control, New York: McGraw-Hill,1994
