PENGENDALIAN FREKUENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO MENGGUNAKAN FUZZY PID
BERBASIS FLOWER POLLINATION ALGORITHM SKRIPSI
Sebagai Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun oleh:
NORAZIZAH NIM. 201710130311101
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2022
ii
iii
iv
v
ABSTRAK
Salahsatu permasalahan yang kerap ditemukan pada sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) adalah tidak stabilnya putaran generator, sedangkan frekuensi yang diproduksi oleh generator ini sangat dipengaruhi oleh kecepatan putar generator itu sendiri. Hal ini muncul akibat adanya perubahan beban yang datang secara tiba-tiba yang akhirnya akan menimbulkan fluktuasi frekuensi. Penelitian ini dibuat agar dapat mengurangi kemungkinan buruk itu sehingga probabilitas kerusakan pada peralatan-peralatan kontrol pembangkit dan juga peralatan listrik para konsumen dapat dikurangi. Salahsatu metode yang kerap dipilih oleh para peneliti ialah PID Controller, metode ini dipilih karena strukturnya yang mudah dipahami, serta keandalannya dalam sebuah sistem. Permasalahan muncul ketika PID berhadapan model sistem daya nonlinier yang mengakibatkan efisiensi dari PID akan berkurang. Fuzzy Logic Controller (FLC) yang dapat menangani sistem daya nonlinier. Sedangkan Flower Pollination Algorithm (FPA) merupakan algoritma yang sangat cepat dalam melakukan komputasi dan memecahkan masalah desain sistem nonlinier. Oleh sebab itu, penelitian ini menggunakan Fuzzy yang disandingkan dengan PID tertala FPA untuk mengendalikan frekuensi daya beban. Pengujian ini terdari dari 4 tahapan. Pertama, pengujian sistem tanpa pengendali. Kedua, pengujian sistem menggunakan PID.
Ketiga, pengujian sistem PLTMH dengan pengendali PID tertala FPA. Keempat, pengujian sistem menggunakan Fuzzy PID tertala FPA. Berdasarkan pengujian tersebut didapatkan respon sistem PLTMH menggunakan pengendali Fuzzy PID tertala FPA mempunyai performa terbaik khususnya dalam mempercepat waktu menuju steady state, overshoot dan undershoot yang berkurang, serta memiliki rise time tercepat.
Kata kunci: PLTMH, Pengendalian Frekuensi, Governor, Fuzzy, PID, Flower Pollination Algorithm (FPA)
vi
ABSTRACT
One of the problems that are often found in the Micro Hydro Power Plant (PLTMH) system is the unstable rotation of the generator, while the frequency produced by this generator is strongly influenced by the rotational speed of the generator itself. This arises due to sudden changes in load which will eventually cause frequency fluctuations. This research was made in order to reduce the bad possibility so that the probability of damage to generator control equipment and also consumer electrical equipment can be reduced. One method that is often chosen by researchers is the PID Controller, this method was chosen because of its easy-to-understand structure, as well as its reliability in a system. Problems arise when the PID Controller faces a nonlinear power system model which results in the efficiency of the PID being reduced. Fuzzy Logic Controller (FLC) which can handle nonlinear power systems. Meanwhile, Flower Pollination Algorithm (FPA) is an algorithm that is very fast in computing and solving nonlinear system design problems. Therefore, this study uses a Fuzzy coupled with a FPA-tuned PID to control the power frequency of the load. This test consists of 4 stages. First, testing the system without a controller. Second, testing the system using PID. Third, testing the MHP system with a PID controller tuned to the FPA. Fourth, testing the system using a Fuzzy PID tuned by the FPA. Based on these tests, the PLTMH system response using a Fuzzy PID tuned FPA controller has the best performance, especially in accelerating the time to steady state, reducing overshoot and undershoot, and having the fastest rise time.
Keywords: Micro Hydro Power Plant, Frequency Control, Governor, Fuzzy, PID, Flower Pollination Algorithm (FPA)
vii
LEMBAR PERSEMBAHAN
Puji syukur kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas rahmat dan hidayah- Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Allah SWT yang sudah memrikan kemudahan, kelancaran, serta petunjuk dalam pengerjaan tugas akhir ini.
2. Ibunda saya (Alm) Salehah Binti Syamsuri Bin Matnuh, yang sudah menyayangi, menjaga, dan membina saya sejak dari buaian sampai bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini. Ucapan maaf tidak terhingga, untuk Ibunda karena saya pribadi belum bisa memberikan ijazah saya secara langsung, mohon maaf karena keterlambatan saya dalam menyelesaikan Pendidikan.
Terima kasih sudah menjadi motivator saya untuk menjadi pribadi yang lebih kuat sehingga saya bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini. Terima kasih karena tidak pernah menuntut sesuatu apapun dari saya.
3. Ayahanda saya Arifin Bin Nawawi Bin Hasan Bin Muhammad Saleh, mohon maaf jika tidak bisa memenuhi ekspektasinya. Terima kasih sudah ada menemani saya sampai detik ini.
4. Kakak-kakak saya, Syarif Rajbie, Tazkiah Ashfia, Amaliah Razibi, dan Abdul Rauf sekeluarga yang telah menguatkan saya sampai saya mampu bertahan sampai detik ini.
5. Dekan Fakultas Teknik Bapak Dr. Ahmad Mubin, M.T. dan keluarga besar Mahasiswa Fakultas Teknik. Serta para Pembantu Dekan Fakultas Teknik dan keluarga besar Universitas Muhammadiyah Malang.
6. Ketua Jurusan Teknik Elektro Bapak Khusnul Hidayat, S.T., M.T. dan Sekretaris Jurusan Teknik Elektro Ibu Merinda Lestandy, S.Kom., M.T.
beserta seluruh jajaran staf di Jurusan Teknik Elektro.
7. Bapak Dr. Ir. Ermanu Azizul Hakim, M.T. dan Bapak Zulfatman, M.Eng., Ph,D. yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
8. Bapak Machmud Effendy, ST, M.Eng. dan Bapak Novendra Setyawan, ST., MT. yang telah menjadi dosen penguji siding skripsi ini. Serta seluruh
viii
Civitas Akademika (dosen, asisten, dan karyawan) Universitas Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu penulis selama masa studi.
9. Sahabat yang merangkap sebagai keluarga saya Mega Indriyani yang selalu menguatkan saya ketika saya ragu, yang menemani saya ketika saya lelah, yang selalu mengapresiasi sekecil apapun progres yang saya lakukan.
10. Tentunya teman-teman sekelas saya, Mega, Rofi, Fara, Ira, Wahyu, Iqbal, Disca, Beirhoff, Dandy, Jannata, Rahayu, Zakaria, Fikih, Yahya serta semua teman-teman di Jurusan Teknik Elektro yang tidak bisa saya sebutkan satu per satu, terima kasih sudah mau berproses Bersama.
11. Terman-teman Keluarga Alumni Pondok Pesantren Rasyidiyah Khalidiyah Amuntai yang selalu memberi motivasi kepada saya untuk terus melanjutkan sampai menyelesaikan skripsi ini.
12. Nuri Arunbiarti, Puspa Indah Ramidawati, Hasyim, Fahmi, Widiya, Ajeng, Marika, Firlyana, Ivanne, Robby, Raditya, Arief, serta Adjie yang senantiasa menghibur dan menemani saya ketika lelah pada masa pengerjaan skripsi.
Semoga Allah Subhanahu Wa Ta’ala memberikan rahmat dan hidayah-Nya atas segala kebaikan dan semoga kita semua selalu dalam lindungan serta tuntunan- Nya.
ix
x
DAFTAR ISI
LEMBAR PERSETUJUAN... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
LEMBAR PERNYATAAN ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
LEMBAR PERSEMBAHAN ... vii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR TABEL ... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) ... 6
2.1.1 Penstock Pipe ... 6
2.1.2 Turbin Air ... 6
2.2 Generator Sinkron ... 8
2.2.1 Rotor ... 9
2.2.2 Stator ... 10
2.3 Sistem Governor ... 10
2.4 Fuzzy PID ... 12
2.5 Konsep Flower Pollination Algorithm ... 15
xi
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 18
3.1 Langkah Pengujian ... 19
3.2 Pemodelan Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) .... 20
3.3 Pemodelan Fuzzy Logic Controller (FLC) ... 23
3.4 Pengoptimalan Parameter Pengendali PID Menggunakan FPA ... 25
3.5 Pemilihan Parameter FPA ... 28
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 30
4.1 Hasil Pengujian Sistem PLTMH ... 30
4.1.1 Hasil Pengujian Sistem PLTMH Tanpa Pengendali ... 30
4.1.2 Hasil Pengujian Sistem PLTMH dengan Pengendali PID ... 31
4.1.3 Pengujian Sistem PLTMH dengan Pengendali PID Tertala Flower Pollinaton Algorithm ... 31
4.1.4 Pengujian Sistem PLTMH dengan Pengendali Fuzzy PID Tertala Flower Pollinaton Algorithm ... 32
4.2 Hasil Perbandingan Sinyal Keluaran Controller pada Sistem PLTMH ... 34
4.2.1 Sinyal Keluaran PID Controller pada Sistem PLTMH dengan Pengendali PID ... 35
4.2.2 Sinyal Keluaran PID Controller Tertala Flower Pollinaton Algorithm pada Sistem PLTMH ... 35
4.2.3 Sinyal Keluaran Fuzzy PID Controller Tertala Flower Pollinaton Algorithm pada Sistem PLTMH ... 36
4.3. Hasil Perbandingan Sinyal PLTMH Berbeban 20% ... 38
4.3.1 Hasil Pengujian Sistem PLTMH Tanpa Pengendali ... 39
4.3.2 Hasil Pengujian Sistem PLTMH dengan Pengendali PID ... 39
4.3.3 Pengujian Sistem PLTMH dengan Pengendali PID Tertala Flower Pollinaton Algorithm ... 40
4.3.4 Pengujian Sistem PLTMH dengan Pengendali Fuzzy PID Tertala Flower Pollinaton Algorithm ... 41
xii
4.4 Hasil Perbandingan Sinyal Keluaran Controller pada Sistem PLTMH
Berbeban 20% ... 44
4.4.1 Sinyal Keluaran PID Controller pada Sistem PLTMH Berbeban 20% Dengan Pengendali PID ... 44
4.4.2 Sinyal Keluaran PID Controller Tertala Flower Pollinaton Algorithm pada Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 45
4.4.3 Sinyal Keluaran Fuzzy PID Controller Tertala Flower Pollinaton Algorithm pada Sistem PLTMH Berbeban 20%... 45
BAB V PENUTUP ... 48
5.1 Kesimpulan ... 48
5.2 Saran ... 48
DAFTAR PUSTAKA ... 50
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2 1 Pemodelan Dinamika Turbin Air ... 7
Gambar 2 2 Model Generator ... 9
Gambar 2 3 Sistem Governor ... 12
Gambar 2 4 Diagram Blok Feedback Sistem Pengendali ... 13
Gambar 2 5 Diagram Blok Pengendali Fuzzy PID ... 14
Gambar 3 1 Blok Diagram Sistem PLTMH dengan pengendali Fuzzy PID berbasis FPA ... 18
Gambar 3 2 Blok Diagram Sistem PLTMH Tanpa Kendali ... 20
Gambar 3 3 Blok Diagram Sistem PLTMH Dengan Pengendali PID ... 20
Gambar 3 4 Blok Parameter PID ... 21
Gambar 3 5 Blok Parameter PID Tertala FPA ... 21
Gambar 3 6 Blok Diagram Sistem PLTMH Fuzzy PID Tertala FPA ... 21
Gambar 3 7 Rangkaian Fuzzy pada Simulink ... 23
Gambar 3 8 Struktur FLC ... 23
Gambar 3 9 Membership Function for Error, and Change Error ... 24
Gambar 3 10 Membership Function for Output FLC ... 24
Gambar 3 11 Diagram Flowchart Optimasi Pengendali PID Berbasis FPA ... 25
Gambar 4 1 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH Tanpa Pengendali ... 30
Gambar 4 2 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH dengan Pengendali PID ... 31
Gambar 4 3 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH dengan Pengendali PID Tertala FPA ... 32
Gambar 4 4 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH dengan Pengendali Fuzzy PID Tertala FPA ... 33
Gambar 4 5 Perbandingan Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH ... 33
Gambar 4 6 Sinyal Keluaran PID Controller Pada Sistem PLTMH ... 35
Gambar 4 7 Sinyal Keluaran PID Controller Tertala Flower Pollination Algorithm Pada Sistem PLTMH ... 36
Gambar 4 8 Sinyal Keluaran Fuzzy PID Controller Tertala Flower Pollination Algorithm Pada Sistem PLTMH ... 37
xiv
Gambar 4 9 Perbandingan Respon Tanggapan Sinyal Keluaran Pengendali Pada Sistem PLTMH ... 37 Gambar 4 10 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH Berbeban 20%
Tanpa Pengendali ... 39 Gambar 4 11 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH Berbeban 20%
Dengan Pengendali PID ... 40 Gambar 4 12 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH Berbeban 20%
Dengan Pengendali PID Tertala FPA ... 41 Gambar 4 13 Sinyal Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH Berbeban 20%
Dengan Pengendali Fuzzy PID Tertala FPA ... 42 Gambar 4 14 Perbandingan Respon Tanggapan Peralihan Sistem PLTMH
Berbeban 20% ... 42 Gambar 4 15 Sinyal Keluaran PID Controller Pada Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 44 Gambar 4 16 Sinyal Keluaran PID Controller Tertala Flower Pollination
Algorithm Pada Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 45 Gambar 4 17 Sinyal Keluaran Fuzzy PID Controller Tertala Flower Pollination Algorithm Pada Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 46 Gambar 4 18 Perbandingan Respon Tanggapan Sinyal Keluaran Pengendali Pada Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 46
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 3 1 Parameter Sistem PLTMH ... 22
Tabel 3 2 Parameter Inisialisasi FPA ... 29
Tabel 4 1 Data Hasil Pengujian Kontrol Sistem PLTMH ... 34
Tabel 4 2 Perbandingan Sinyal Keluaran Pengendalian Sistem PLTMH ... 38
Tabel 4 3 Data Hasil Pengujian Kontrol Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 43
Tabel 4 4 Perbandingan Sinyal Keluaran Pengendali pada Sistem PLTMH Berbeban 20% ... 47
49
49
DAFTAR PUSTAKA
[1] Rukmana. Ade dan Masykur. Muhammad, “Rancang Bangun Sistem Pengukuran Kedalaman dan Ketinggian Debit Air Sungai,” Jurnal., Vol. 8(2), 2017.
[2] Andrik. Mochamad, Farul. Mohamad, dan Cahyono. Iwan, “Optimasi Load Frequency Control (LFC) pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro,”
Jurnal Rekayasa Mesin., Vol. 9(1), 2018: 61-64.
[3] Ulum. Miftachul, Ibadillah. Achmad Fiqhi, dan Rahmawati. Diana, “Desain Pengatur Beban Elektronik Menggunakan Kontrol Sudut Penyalaan (Firing Angle) Pada Generator Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH),”
Jurnal Ilmiah Rekayas., Vol.8(2), 2015: 109-120.
[4] Chen. Gonggui, Li. Zhijun, Zhang. Zhizhong, and Li. Shuaiyong, “An Improved ACO Algorithm Optimized Fuzzy PID Controller for Load Frequency Control in Multi Area Interconnected Power Systems,” IEEE Access., Vol. 8, 2020.
[5] Yang. Xin-She, “Flower pollination algorithm for global optimization,” in:
Unconventional Computation and Natural Computation 2012, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 7445, pp. 240-249 (2012).
[6] Firmansyah. Rizal, Utomo. Teguh, dan Purnomo. Hery, “Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Gunung Sawur Unit 3 Lumajang,”
[7] Widiana. I Nengah, Giriantari. Ida Ayu Dwi, Setiawan. I Nyoman,
“Perancangan Penstock (Pipa Pesat) Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Di Banjar Dinas Mekarsari, Desa Panji, Kecamatan Sukasada, Kabupaten Buleleng,” Majalah Ilmiah Teknologi Elektro, Vol. 19 (2), 2020.
[8] Perawati, “Karakteristik Generator Sinkron yanf Berbeban dan Tidak Konstan,” Palembang, Vol. 2(2), 2017.
[9] Labulu. Hardiyanto, Lisi. Fielman, dan Tuegeh. Maickel, “Analisa Sistem Tenaga Listrik Di Minahasa Dalam Menghindari Padam Total,” E-Journal Teknik Elektro dan Komputer (2015), ISSN : 2301-8402
49
[10] Sadono. Sri, Sihana, dan Effendy. Nazrul, “Identifikasi Sistem Governor Control Valve Dalam Menjaga Kestabilan Putaran Turbin Uap PLTP Wayang Windu Unit 1,” Teknofisika, Vol. 2 (3), 2013
[11] Mulyadi. Kiki, Koswara. Engkos, dan J. Eidelweis Dewi, “Sistem Kerja Governor Di PLTA Parakankondang Sumedang”
[12] Arindya. Radita, “Penalaan Kendali PID Untuk Pengendali Proses,” Seminar Nasional Cendikiawan (2015), ISSN: 2460-8696
[13] Widaningsih. Sri, “Analisis Perbandingan Metode Fuzzy Tsukamoto,
Mamdani dan Sugeno dalam Pengambilan Keputusan Penentuan Jumlah Distribusi Raskin di Bulog Sub. Divisi Regional (Divre) Cianjur,” Jurnal INformatika dan Manajemen STMIK, Vol. 11(1), 2017.
[14] Djalal. M. Ruswandi, Yunus. Yusuf, Imran. Andi, dan Setiadi. Herlambang,
“Flower Pollination Algorithm Untuk Optimasi Pengendali PID Pada Pengendalian Kecepatan Motor Induksi,” Jetri, Vol. 15(1), 2017: 81-100, P- ISSN 1412-0372
[15] Firmansyah, Rizal., Utomo, Teguh., Purnomo, Hery., "Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Gunung Sawur unit 3 Lumajang", Universitas Brawijaya, Malang.
[16] Richiraj P Moni, Bijimol Joseph, Dangy George, and Jithin Jose, 2018.
“Design and Analysis of Anchor Block and Penstock Pipe of a Hydroelectric Project”.
[17] P. S. Hamer, “Acceptance testing of electric motors and generators,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 24, no. 6, 1988.
[18] Harmeidi Dhani B. dan Yudo Eko P. (2012). "No Load Shedding Defence Scheme as Reinforcement in Aceh Province Network, PLN P3B Sumatra, Indonesia".
[19] Sadono, Sri., Sihana, Effendy, Nazrul., "Identifikasi Sistem Governor Control Valve Dalam Menjaga Kestabilan Putaran Turbin Uap PLTP Wayang Windu Unit 1" TEKNOFISIKA, Vol.2 No.3 Edisi September 2013, ISSN 2089-7154.
[20] Anggriani, Dyah Putri., Effendie, Rusdhianto., "Pengendalian Frekuensi dengan Menggunakan Kontrol Fuzzy Prediktif pada Simulator PlantTurbin –
49
Generator pada PLTU" JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271
[21] Arindya, Radita., "PENALAAN KENDALI PID UNTUK PENGENDALI
PROSES" Seminar Nasional Cendekiawan 2015 ISSN: 2460-8696
[22] Pornjit Pratumsuwan, Siripun Thongchai, and Surapun Tansriwong, “A hybrid of Fuzzy and Proportional-Integral-Derivative Controller for Electro- Hydraulic Position Servo System” Energy Research Journal 1, 62-67, 2010.
[23] Sutikno., Waspada, Indra., "PERBANDINGAN METODE DEFUZZIFIKASI
SISTEM KENDALI LOGIKA FUZZY MODEL MAMDANI PADA MOTOR DC" Jurnal Masyarakat Informatika, Volume 2, Nomor 3, ISSN 2086 – 4930
[24] Mustarin, Tsabit., "Desain Optimal Load Frequency Control (LFC) dengan Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Menggunakan Metode Firefly Algorithm"
Repository ITS. 2015.
