SIMULASI PEMULIHAN KEDIP TEGANGAN AKIBAT GANGGUAN HUBUNG SINGKAT SATU FASA KE TANAH PADA SISTEM
DISTRIBUSI TIGA FASA MENGGUNAKAN DVR BERBASIS PENGENDALI LOGIKA FUZZY
TESIS
OLEH :
FRANS JOYOKO SIANTURI 087034008 / MTE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Simulasi Pemulihan Kedip Tegangan Akibat Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa Ke Tanah Pada Sistem Distribusi Tiga Fasa Menggunakan DVR Berbasis
Pengendali Logika Fuzzy TESIS
Untuk memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh :
FRANS JOYOKO SIANTURI 087034008/MTE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Judul Tesis : SIMULASI PEMULIHAN KEDIP TEGANGAN AKIBAT GANGGUAN HUBUNG SINGKAT SATU FASA KE TANAH PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA MENGGUNAKAN DVR BERBASIS PENGENDALI LOGIKA FUZZY
Nama Mahasiswa : Frans Joyoko Sianturi Nomor Induk : 087034008
Program Studi : Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing:
Ketua
Prof. Dr. Ir. Usman Baafai
Anggota
Ir. Sinar Terang Sembiring, MT
A.n. Ketua Program Studi Sekretaris,
Drs. Hasdari Helmi, MT
Dekan,
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Telah diuji pada
Tanggal : 19 Januari 2012
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : Ir. Sinar Terang Sembiring, MT
Ir. Soeprapto, MT Ir. Ashuri, MT
ABSTRAK
Kedip tegangan pada saluran distribusi tenaga umumnya diakibatkan oleh gangguan hubung singkat pada saluran tenaga listrik yang dapat menurunkan kualitas daya. Permasalahan kualitas daya listrik adalah masalah yang sangat penting yang dihadapi oleh pengguna maupun penyedia tenaga listrik. Konsumen industri maupun komersil menginginkan kualitas daya yang diterimanya berada pada tingkat yang baik, untuk menghindari kerugian yang ditimbulkannya. Dynamic Voltage Restorer (DVR) adalah merupakan solusi yang fleksibel, efisien, dan cepat untuk mengatasi masalah kedip tegangan. DVR adalah perangkat daya berbasis elektronik yang terhubung seri pada saluran tenaga. Kedip tegangan pada saluran yang akan dideteksi oleh DVR menggunakan metode transformasi Park, dan besar tegangan yang disuntikkan oleh DVR ke saluran tenaga dikendalikan dengan pengendali logika fuzzy. Pada tesis ini akan disajikan dan disimulasikan pemulihan kedip tegangan yang terjadi akibat gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah pada saluran distribusi tiga fasa, dengan menggunakan DVR berbasis pengendali logika fuzzy. Besar tegangan yang disuntikkan oleh DVR akan sesuai dengan kebutuhan beban sensitif yang dilindungi. Nilai THDv
Kata kunci : Kualitas Daya, Kedip Tegangan, Dynamic Voltage Restorer, logika fuzzy, Matlab/Simulink.
dengan menggunakan DVR berbasis logika fuzzy akan diperbaiki dari 2,32% menjadi 1,06% dan waktu pemulihan relatif singkat yaitu 0,0167-0,0168 detik, sehingga mutu listrik menjadi lebih baik.
ABSTRACT
Voltage sag on distribution lines is generally caused by the interruption of short circuit on the power lines that can degrade the quality of power system. Electrical power quality issues is a very important problem faced by users and providers of electric power. Industrial and commercial consumers want to receive the power of good quality, to avoid the losses caused. Dynamic Voltage Restorer (DVR) is a flexible and efficient solution, and quick to fix the problem of flashing voltage. DVR is an electronic based power devices, connected in series to the power lines. DVR designed to protect sensitive loads from the effect of sagging on the line voltage feeders of a distribution systems. Voltage sags detection is using Park Transformation method and the amount of voltage injected by the DVR to the power lines is controlled by using fuzzy logic controllers. This thesis will present and simulate the recovery of voltage sag disturbances caused by single phase to ground short circuit on the three phase distribution line using fuzzy logic controllers-based DVR. The amount of power injected by the DVR will meet the protected sensitive load needed. The value of network THD by using fuzzy logical-based DVR will be improved from 2.32% to 1.06% and the recovery time is relatively short 0.0167 – 0.0168 second, that the power quality becomes better. The simulations employed the software of Matlab-Simulink program.
Keywords : Power quality, voltage sag, Dynamic Voltage Restorer, Fuzzy Logic Controller, Matlab/Simulink
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa, atas berkat dan karuniaNya sehingga penulisan tesis ini dapat diselesaikan. Penulisan tesis ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan. Tesis ini berjudul “Simulasi Pemulihan Kedip Tegangan Akibat Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa Ke Tanah Pada Sistem Distribusi Tiga Fasa Menggunakan DVR Berbasis Pengendali Logika Fuzzy”, dimana penulis merasa tertarik dengan masalah peningkatan kualitas daya listrik dengan menjaga tidak terjadinya kedip tegangan pada sisi beban yang akan dilindungi.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Ir. Sinar Terang Sembiring, MT, sebagai pembimbing atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis
ini juga kepada Bapak Ir. Ashuri, MT, Bapak Ir, Soeprapto, MT dan Bapak Ir. Refdinal Nazir, MS, Ph.D sebagai penguji atas segala saran dan arahannya
penulisan tesis ini dapat diselesaikan.
Terima kasih juga disampaikan kepada Bapak Rektor Universitas Sumatera Utara dan Bapak Prof. Dr.Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro, Bapak Drs. Hasdari Helmi, MT selaku
Sekretaris Program Studi Magister Teknik Elektro dan seluruf staff pada Program Studi Magister Teknik Elektro.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya atas dukungan istri tercinta, anakku tersayang beserta seluruh keluarga yang telah banyak memberikan dorongan semangat dan telah sudi mengorbankan waktunya.
Harapan penulis kiranya tesis ini dapat menghasilkan tesis yang akan memberikan kontribusi pada dunia pendidikan secara umum dan disiplin ilmu Teknik Elektro secara khusus.
Medan, Januari 2012 Penulis,
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT... ii
KATA PENGANTAR... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ...vii
DAFTAR GAMBAR ...viii
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 8 1.3 Pembatasan Masalah ... 8 1.4 Tujuan Penelitian ... 9 1.5 Metode Penelitian ... 9 1.6 Manfaat Penelitian ... 10 1.7 Sistematika Penulisan ... 10
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 12
2.1 Sistem Distribusi... 12
2.2 Kualitas Daya ... 13
2.3 Kedip Tegangan ... 16
2.3.1 Standar kedip tegangan ... 16
2.3.2 Penyebab kedip tegangan ... 18
2.3.3 Pengaruh kedip tegangan terhadap beban sensitif ... 19
2.3.4 Menentukan besar kedip tegangan ... 21
2.4 Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah ... 22
2.5 Dynamic Voltage Restorer (DVR) ... 24
2.5.1 Struktur dasar DVR ... 26
2.5.2 Metode kompensasi kedip tegangan pada DVR ... 35
2.6 Teknik Deteksi Kedip Tegangan pada DVR ... 41
2.7.2 Model sistem pengendalian ... 49
2.7.3 Skema kendali fuzzy ... 51
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN... 53
3.1 Bahan-Bahan Penelitian ... 53
3.2 Langkah-Langkah Pelaksanaan Penelitian ... 53
3.2.1 Perancangan model penelitian ... 55
3.2.2 Teknik analisa data ... 60
3.2.3 Pengujian kualitas hasil penelitian ... 60
3.3. Alat Penelitian ... 61
3.4. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian ... 62
BAB 4. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN ... 63
4.1. Paramater Model Pengujian ... 64
4.2. Perancangan Model Simulasi ... 64
4.3. Hasil Simulasi Sebelum Terjadi Gangguan Satu Fasa ke Tanah ... 66
4.4. Hasil Simulasi Setelah Gangguan Satu Fasa ke Tanah Tanpa DVR 68 4.4.1. Beban 2.5 kW ... 70
4.4.2. Beban 5 kW ... 71
4.4.3. Beban 7.5 kW ... 71
4.4.4. Beban 10 kW ... 72
4.5. Hasil Simulasi Setelah Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah Menggunakan DVR Tanpa Pengendali Logika Fuzzy ... 72
4.5.1. Dengan beban 2.5 kW ... 75
4.5.2. Dengan beban 5 kW ... 77
4.5.3. Dengan beban 7.5 kW ... 79
4.5.4. Dengan beban 10 kW ... 81
4.6. Hasil Simulasi Setelah Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah Menggunakan DVR Dengan Pengendali Logika Fuzzy ... 85
4.6.1. Dengan beban 2.5 kW ... 91 4.6.2. Dengan beban 5 kW ... 95 4.6.3. Dengan beban 7.5 kW ... 97 4.6.4. Dengan beban 10 kW ... 99 BAB 5. KESIMPULAN...104 DAFTAR PUSTAKA...106
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Hal
1.1.
2.1. 2.2. 4.1. 4.2.
Perbandingan penelitian yang telah dilakukan dan yang akan •
dilakukan tentang Dynamic Voltage Restorer Karakteristik gangguan tegangan
Himpunan aturan logika fuzzy
Data hasil simulasi DVR tanpa pengendali logika fuzzy Data hasil simulasi DVR berbasis pengendali logika fuzzy
7
15 47 84 102
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Hal
1.1. Model pengendali DVR yang digunakan oleh F Jurado 3
1.2. Model sistem pengendali oleh P, Ajay et al 4
1.3. Model sistem pengujian P. Ajay et at 4
1.4. Skema diagram pengendali PI Adaptif FL 6
1.5. Model sistem simulasi pemgemdali PI Adaptif FL 6
2.1. Tipikal jaringan distribusi 12
2.2. Kurva CBEMA dan 1TIC 15
2.3. Bentuk gelombang kedip tegangan 17
2.4. Tipikal hubungan beban satu fasa dan beban tiga fasa 19
2.5. Kurva tingkat kepekaan peralatan terhadap kedip tegangan 21
2.6. Model pembagi tegangan 21
2.7. Diagram rangkaian gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah 22
2.8. Jaringan yang mengalami gangguan hubung singkat satu fasa ke
tanah
24
2.9. Struk-tur dasar sistem DVR 27
2.10. Rangkaian ekivalen inverter satu fasa 27
fasa
2.12. Bentuk tegangan keluaran inverter SPWM satu fasa 30
2.13. Rangkaian inverter tiga fasa 31
2.14. Metode konduksi inverter 180° 31
2.15. Bentuk gelombang keluaran inverter pada konduksi 180o 32
2.16. Switch by pass pada DVR 33
2.17. Sistem daya dengan DVR 34
2.18. Teknik kompensasi Pre-Sag 36
2.19. 2.20.
Teknik kompensasi In-Phase Teknik kompensasi optimasi energi
37 39
2.21. Aliran daya aktif dan reaktif pada sistem dengan DVR 40
2.22. Blok diagram sederhana PLL 41
2.23. teknik pengendalian DV-R herdasarkan transformasi Park 42
2.24. Blok diagram sistem pengendali logika fuzzy 44
2.25. Fungsi keanggotaan untuk masukan dan keluaran 46
2.26. Teknik defuzzification memakai metode centroid 48
2.27. Rangkaian ekivalen sistem daya satu fasa 49
3.1. Blok diagram skema kendali DVR 55
3.3. Blok regulator tegangan DVR berbasis pengendali logika fuzzy 57
3.4. Voltage loop control pada DVR 57
3.5. Rancangan rangkaian filter LC tiga fasa pada Simulasi penelitian 58
3.6. Skema hubungan inverter dengan transformator penyuntik 59
4.1. Simulasi sebelum gangguan satu fasa ke tanah 67
4.2. Hasil simulasi tegangan beban atau sumber tegangan sebelum
terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah
67
4.3. Simulasi setelah terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke
tanah tanpa menggunakan DVR
69
4.4. Hasil simulasi tegangan sumber dan beban sensitif setelah terjadi
gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah tanpa menggunakan DVR pada beban 2,5 kW
69
4.5. Hasil simulasi tegangan sumber pada saat terjadi gangguan hubung
singkat satu fasa ke tanah tanpa menggunakan DVR pada beban 5 kW
70
4.6. Hasil simulasi tegangan sumber pada saat terjadi gangguan
hubung singkat satu tasa ke tanah tanpa menggunakan DVR pada beban 7,5 kW
70
4.7. Hasil simulasi tegangan sumber pada saat terjadi gangguan
hubung singkat satu fasa ke tanah tanpa menggunakan DVR pada beban 10 kW
4.8. Simlasi DVR setelah terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah menggunakan DVR tanpa pengendali logika fuzzy
72
4.9. Blok DVR tanpa pengendali logika fuzzy 73
4.10. Tegangan sumber dan tegangan beban sensitif DVR tanpa
pengendali logika fuzzy pada beban 2,5 kW
74
4.11. Tegangan keluaran inverter menggunakan DVR tanpa
pengendali logika fuzzy pada beban 2,5 kW
74
4.12. Hasil simulasi tegangan suntik dengan DVR tanpa pengendali
logika fuzzy pada beban 2,5 kW
75
4.13. Analisa FFT gelombang keluaran transformator penyuntik 75
4.14. Hasil simulasi tegangan sumber, tegangan beban sensitif dan setelah
terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah menggunakan DVR tanpa pengendali logika fuzzy pada beban 5 kW
76
4.15. Tegangan suntik menggunakan DVR tanpa pengendali logika
fuzzy pada beban 5 kW
76
4.16. Tegangan keluaran inverter menggunakan DVR tanpa
pengendali logika fuzzy pada beban 5 kW
77
4.17. Analisa FFT gelombang keluaran transfprmator penyuntik pada
beban 5 kW
77
4.18. Hasil simulasi tegangan sumber, tegangan beban sensitif dan setelah
terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah menggunakan D V R tanpa pengendali logika fuzzy pada beban 7,5 kW
4.19. Tegangan keluaran inverter menggunakan DVR tanpa pengendali logika fuzzy pada beban 7,5 kW dan Vdc = 160 Volt
78
4.20. Hasil Simulasi tegangan suntik menggunakan DVR tanpa
pengendali logika fuzzy pada beban 7,5 kW dan Vdc = 48 volt
79
4.21. FFT Analisis gelombang keluaran transformator penyuntik 79
4.22. Tegangan sumber dan tegangan beban sensitif menggunakan
DVR tanpa pengendali logika fuzzy pada beban 10 kW dan Vdc = 160 volt
80
4.23. Tegangan keluaran inverter menggunakan DVR tanpa
pengendali logika fuzzy pada beban 10 kW dan Vdc = 160 Volt
80
4.24. Tegangan suntik menggunakan DVR tanpa pengendali logika fuzzy
pada beban 10 kW
81
4.25. Analisa FFT gelombang keluaran transfprmator penyuntik pada
beban 10 kW
81
4.26. Grafik hubungan tegangan keluaran inverter terhadap perubahan
besar (daya) beban menggunakan DVR tanpa pengendali logika fuzzy
83
4.27. Grafik hubungan tegangan suntik output filter terhadap perubahan besar (daya) beban menggunakan DVR tanpa pengendali logika fuzzy
83
4.28. Blok regulator tegangan DVR berbasis pengendali logika fuzzy 84
4.29. Simulasi DVR berbasis pengendali logika fuzzy 85
4.31. Analisa FFT tegangan keluaran inverter setelah filter pasif 88
4.32. Hasil simulasi tegangan sumber dan tegangan beban sensitif setelah
gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah menggunakan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 2,5 kW
89
4.33. Tegangan keluaran inverter setelah gangguan hubung singkat satu
fasa ke tanah menggunakan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 2,5 kW
90
4.34. tegangan suntik setelah gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah
menggunakan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 2,5
kW
90
4.35. Analisa FFT gelombang keluaran transformator penyuntik 91
4.36. Hasil simulasi tegangan sumber dan tegangan beban sensitif setelah
gangguan dgn DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 5 kW
92
4.37. Hasil simulasi tegangan keluaran inverter setelah gangguan dengan
DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 5 kW
93
4.38. Hasil simulasi tegangan suntik setelah gangguan dengan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 5 kW
93
4.39. Analisa FFT gelombang keluaran transformator penyuntik
setelah gangguan dengan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 5 kW
94
4.40. Hasil simulasi tegangan sumber dan tegangan beban sensitif
setelah gangguan dgn DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada 95
beban 7,5 kW
4.41. Hasil simulasi tegangan keluaran inverter setelah gangguan
dengan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 7,5 kW
95
4.42. Hasil simulasi tegangan suntik setelah gangguan dengan DVR
berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 7,5 kW
96
4.43. Analisa FFT gelombang keluaran transformator penyuntik
setelah gangguan dengan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 7,5 kW
96
4.44. Hasil simulasi tegangan sumber dan tegangan beban sensitif
setelah gangguan dgn DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 10 kW
97
4.45. Hasil simulasi tegangan keluaran inverter setelah gangguan
dengan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 10 kW
97
4.46. Hasil simulasi tegangan suntik setelah gangguan dengan DVR
berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 10 kW
98
4.47. Analisa FFT gelombang keluaran transformator penyuntik
setelah gangguan dengan DVR berbasis pengendali logika fuzzy pada beban 10 kW
98
4.48. Grafik hubungan daya beban dan Vout inverter 99
4.49. Waktu pemulihan terhadap terjadinya kedip tegangan 100
4.50. Grafik hubungan daya beban dan tegangan suntik keluaran
inverter
