Abstrak :
Dynamic Voltage Restorer (DVR) merupakan suatu peralatan elektronika daya yang telah dibuktikan kemampuannya untuk melindungi beban sensitif dari gangguan kedip tegangan yang terjadi dalam kelistrikan industri. DVR bekerja hanya pada saat terjadi gangguan, sedangkan pada kenyataannya gangguan tegangan kedip tidak setiap saat terjadi sehingga DVR bekerja dengan mode standby yang berarti hanya memonitoring bus beban sensitif. Sedangkan tidak hanya beban sensitif pada bus yang dilindungi oleh DVR, banyak beban induktif juga yang dapat menyebabkan turunnya faktor daya.
Pada tugas akhir ini dilakukan analisis pemanfaatan DVR sebagai koreksi faktor daya menggunakan kontrol logika fuzzy polar. Simulasi menggunakan perangkat lunak MATLAB Simulink 7.1 pada kondisi steady state. Tugas akhir ini menggunakan metode pergeseran fasa arus, sehingga sudut beda fasa antara tegangan dan arus dapat diperkecil. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa DVR mampu menaikkan faktor daya dengan rata-rata kompensasi sampai 19.36%.
Kata kunci: faktor daya, DVR, fuzzy polar
I. PENDAHULUAN
Kualitas daya merupakan masalah utama dunia industri saat ini, mulai dari faktor daya sampai gangguan tegangan. Banyaknya beban motor yang memerlukan peralatan elektronika daya untuk memperbaiki performa justru menambah banyak masalah lagi. Kebanyakan peralatan elektronika daya ini sensitif terhadap gangguan tegangan yang dapat berakibat kerusakan [1,2]. Banyak cara yang digunakan untuk meredam gangguan tegangan untuk melindungi beban-beban sensitif ini, salah satunya adalah
Dynamic Voltage Restorer (DVR) [3,4].
DVR biasanya digunakan untuk menstabilkan tegangan saja, untuk perbaikan faktor daya biasanya diperlukan koreksi dengan pemasangan kapasitor. Untuk itu diharapkan DVR dapat dioptimasikan lagi fungsinya, misalkan sebagai koreksi faktor daya sehingga efisiensi dari pemasangan DVR dapat ditingkatkan serta dapat mereduksi biaya dari
pemasangan kapasitor. Kontroler yang digunakan adalah
fuzzy logic controller, karena dianggap logika fuzzy
konsepnya mudah dimengerti, fleksibel dan merupakan bahasa dasar yang digunakan manusia untuk berkomunikasi. Serta logika fuzzy dapat digabung dengan kontroler lama yang masih konvensional, sehingga tidak perlu perubahan dari sistem lagi [5,6].
Keunggulan lain dari kontroler fuzzy logic adalah kecepatan waktu kontroler untuk mendeteksi gangguan sehingga DVR lebih cepat dalam meresponnya. Akan tetapi kontroler fuzzy logic konvensional memiliki kelemahan yaitu memiliki membership function yang banyak untuk
memperoleh hasil yang maksimal. Untuk itu banyak para peneliti berusaha mengurangi jumlah membership function, salah satu cara yang muncul yaitu menggunakan kontroler fuzzy polar [4].
II. DYNAMIC VOLTAGE RESTORER (DVR)
DVR adalah sebuah peralatan elektronika daya yang dapat menginjeksikan tegangan terkontrol dengan dinamis yang dikoneksikan secara seri dengan line sistem distribusi seperti Gambar 1 DVR menggunakan peralatan semikonduktor seperti Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBTs), yang digunakan untuk inverter. Ada tiga booster
transformers satu fasa yang dikoneksikan ke konverter tiga
fasa dengan tempat sistem penyimpanan energi dan sirkuit kontrol.
Magnitudo dari ketiga fasa tegangan yang diinjeksikan telah dikontrol seperti pada contoh untuk menghilangkan suatu efek yang merugikan pada sebuah bus fault ke tegangan beban VL(t). Hal ini berarti pada suatu perbedaan
tegangan disebabkan oleh gangguan transien pada feeder tegangan AC akan dikompensasi oleh suatu tegangan sebanding yang dihasilkan oleh inverter dan diinjeksikan pada level tegangan menengah melewati booster transformer. Tidak hanya magnitudo dari output yang dapat
dikontrol, tetapi juga fasa dan frekuensinya dapat dikontrol. Dengan adanya kontrol output tegangan dari DVR diharapkan beban-beban sensitif dapat dilindungi dari kerusakan akibat tegangan yang fluktuatif [4].
DVR bekerja tergantung tipe dari gangguan atau suatu kejadian terjadi di dalam sistem, dihasilkan tegangan yang akan diinjeksikan dari penyimpanan energi dalam DC yang
ANALISIS PEMANFAATAN DYNAMIC VOLTAGE RESTORER SEBAGAI
KOREKTOR FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN KONTROL LOGIKA
FUZZY POLAR
Pugoh K. ArifinJurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya - 60111
kemudian diubah menjadi AC oleh Voltage Source Inverter (VSI). Pada kebanyakan waktu bekerja DVR melakukan “nothing to do” yang berarti DVR tidak menginjeksikan suatu tegangan apapun kecuali hanya memonitoring tegangan bus.
Gambar 1 Diagram Skematik dari Sistem DVR
Gambar 2 menunjukkan prinsip kerja DVR sebagai kompensator faktor daya. Topologi DVR sebagai kompensator faktor daya sama dengan topologi DVR sebagai kompensator kedip tegangan, sehingga hanya perlu menambahkan kontrol untuk kompensasi faktor daya pada PWM. Sehingga DVR, selain dapat memberikan kompensasi saat terjadi gangguan kedip tegangan, juga mampu
memberikan kompensasi terhadap faktor daya akibat beban-beban yang bersifat induktif.
s
i vf iL
Gambar 2 Topologi DVR Sebagai Kompensator Faktor
Daya
Gambar 3 menunjukkan pemodelan DVR dalam Simulink dengan kontrol kompensasi faktor daya yang digunakan dalam tugas akhir ini. Sistem akan disimulasikan pada kondisi steady state atau tidak ada gangguan.
Switching Line Sector A Sector B D(k) p(k) α/2 θ(k) As. 45 α/2 Za(k) Zs(k) O Rule Fuzzy Polar dt d U Zs Za Input Signal
III. DVR SEBAGAI KOMPENSATOR FAKTOR DAYA
Fuzzy polar terdiri 3 parameter dasar yaitu pengali derivatif (As), irisan sudut dari fungsi keanggotaan sudut ( ), dan tingkat panjang fuzzy untuk keanggotan radial (Dr). nilai operasi dari koordinat polar ditunjukkan pada persamaan 1 sampai dengan persamaan 3
p(k) = [Zs(k).As.Za(k)] (1)
D(k) = (2)
(k) = (3)
Kontroler ini diberi input sinyal Zs dan memerlukan turunan dari sinyal tersebut untuk mendapatkan Za. Tiga faktor lain yang juga dibutuhkan dalam sistem kontrol ini yaitu sinyal kontrol maksimum (Umax), time sampling T,
time delay DT. Parameter ini sering dijelaskan menggunakan
kriteria eksternal. Aturan defuzzifikasi untuk sistem kontrol ditunjukkan dengan persamaan 4
U(k) = G(D(k))[N( (k))-P( (k))].Umax (4)
Bentuk polar dari fuzzy polar ditunjukkan pada Gambar 4 dan variabel fuzzy dijelaskan pada persamaan 1, 2, dan 3.
Umax menunjukkan maksimum sinyal kontrol yang masih
diijinkan. Fungsi keanggotaan dari fuzzy polar ditunjukkan pada Gambar 5. Dan model pada Gambar 6. merupakan model sederhana dari fuzzy polar dengan satu input dan satu output. Pada kenyataanya hanya satu input, Zs. tetapi, hal tersebut membutuhkan sinyal derevatif Za untuk dapat dikonversi ke bentuk koordinat polar seperti terlihat pada Gambar 4. Output fuzzy polar (U) diterangkan dalam persamaan 4 [3].
Gambar 4 Bentuk Polar
. 180 135 45 -45 0 -180 -135 1 grade ) ( d N θ P(θd) Degree d θ 0.01 1 1 )) ( (D k G d grade o Magnetud k Dd( ) 90 =
Gambar 5 Fungsi Keanggotaan Fuzzy Polar
Gambar 6 Diagram kontrol Fuzzy polar
Untuk menggunakan kontrol fuzzy polar, diperlukan pengubahan besaran a-b-c menjadi d-q-0 untuk memberi kemudahan pada sisi sistem kontrolnya dan diperoleh hasil yang baik. Karena jika menggunakan a-b-c kecepatan kontroler untuk mengenali gangguan membutuhkan waktu paling cepat setengah cycle, padahal untuk beban sensitif hal ini tidak diijinkan. Sedangkan jika memakai d-q-0 sedikit perubahan dari referensi akan langsung direspon oleh kontroler. Perubahan tegangan dalam besaran a-b-c menjadi d-q-0 dari persamaan berikut [3]. + − + − = Vc Vb Va Vq Vd V ) 3 2 cos( ) 3 2 cos( cos ) 3 2 sin( ) 3 2 sin( sin 2 1 2 1 2 1 3 2 0 π θ π θ θ π θ π θ θ (5)
Kontrol DVR sebagai kompensator faktor daya hampir sama dengan kontrol DVR yang sebagai kompensator kedip tegangan, namun berbeda pada sisi input dari kontrol. Input yang digunakan dalam sistem kontrol pemulih kedip tegangan adalah tegangan (Va) pada bus A untuk kedip tegangan. Sedangkan input untuk kontrol kompensasi faktor daya adalah tegangan (Va) dan arus (Ia) pada bus A, sehingga kontrol dapat mengetahui beda fasa ( ) antara tegangan (Va) dan arus (Ia). Sehingga besar tegangan yang diinjeksikan oleh DVR ke dalam sistem untuk menggeser fasa dari arus untuk lebih mendekati tegangan dapat ditentukan besarnya. Besarnya beda fasa dari tegangan (Va) dan arus (Ia) dapat dihitung dengan persamaan 6 berikut
IV. HASIL DAN ANALISIS PERBAIKAN FAKTOR DAYA
4.1 Kondisi Sebelum Penambahan Kontrol Untuk Perbaikan Faktor Daya
Kondisi awal sistem disimulasikan pada saat sebelum adanya kontrol PWM untuk perbaikan faktor daya dengan beban resistif 4000 Watt dan beban induktif 6000 Var. Simulasi ini menggunakan MATLAB Simulink 7.1 dengan durasi simulasi selama 4 cycle. Pada simulasi awal tugas akhir ini, pengukuran dilakukan pada bus A dan bus B. Dari hasil simulasi didapatkan nilai faktor daya pada bus A sebesar 0.8631 dan pada bus B sebesar 0.5547. Gambar 7 menunjukkan gelombang tegangan pada bus A sebelum penambahan kontrol untuk koreksi faktor daya dan Gambar 8 menunjukkan gelombang tegangan pada bus C yang merupakan bus yang memiliki beban sensitf berupa beban nonlinier (rectifier 6 pulsa).
Gambar 7 Gelombang Tegangan Bus A
Gambar 8 Gelombang Tegangan Bus C
4.2 Kondisi Sesudah Penambahan Kontrol Untuk Perbaikan Faktor Daya
Sistem disimulasikan pada kondisi setelah adanya kontrol PWM untuk perbaikan faktor daya. Sedangakan nilai beban resistif sebesar 4000 Watt dan beban induktif sebesar 6000 Var. Simulasi ini menggunakan MATLAB Simulink 7.1 dengan durasi simulasi selama 4 cycle. Pada simulasi tugas akhir ini, pengukuran dilakukan pada bus A dan bus B. Dari hasil simulasi didapatkan nilai faktor daya pada bus A sebesar 0.9685 dan pada bus B sebesar 0.5547. Sedangkan kecepatan respon dari DVR adalah sebesar 0.4 ms. Gambar 9 menunjukkan gelombang tegangan pada bus A dan Gambar 10 menunjukkan gelombang tegangan pada bus C sesudah penambahan kontrol untuk koreksi faktor daya
Gambar 9 Gelombang Tegangan bus A
Gamba r 10 Gelombang Tegangan bus C
Setelah melakukan simulasi dengan beberapa kondisi, seperti sebelum dan sesudah penambahan kontrol untuk perbaikan faktor daya adanya perubahan yang cukup signifikan. Sedangkan untuk variasi beban pada kasus sesudah penambahan kontrol untuk perbaikan faktor daya tidak menyebabakan penurunan secara drastis faktor daya. Peningkatan beban induktif dibuat dengan kelipatan 1000 Var, sehingga dari kondisi awal yang bernilai 6000 Var akan naik secara bertahap dengan kelipatan 1000 Var sampai menjadi 10000 Var Berikut faktor daya yang terukur pada bus A yang disajikan dalam bentuk tabel dan dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1 Faktor Daya yang Terukur Pada Bus A
Penambahan kontrol Faktor Daya Beban Induktif (Var) Beban Resistif (Watt) Sebelum 0.8631 6000 4000 0.8365 7000 4000 0.7968 8000 4000 0.7635 9000 4000 0.7303 10000 4000 Sesudah 0.9685 6000 4000 0.958 7000 4000 0.9492 8000 4000 0.9412 9000 4000 0.9322 10000 4000
Beban induktif yang meningkat berbanding terbalik dengan penurunan faktor daya meski tidak terlalu besar penurunannya. Hal ini dapat menunjukkan performa dari kontrol logika fuzzy polar yang cukup bagus untuk perbaikan faktor daya dengan rata—rara kompensasi mencapai 19.36%. Berikut gambar grafik perbandingan faktor daya dan beban induktif .
Gambar 11 Grafik Perbandingan Beban Induktif dan Faktor
Dapat terlihat dari Gambar 11 bahwa saat sebelum adanya penambahan kontrol untuk perbaikan faktor daya, penurunan faktor daya pada bus A cukup signifikan. Sedangkan saat setelah adanya penambahan kontrol untuk perbaikan faktor daya, penurunan faktor daya pada bus A menjadi relatif lebih kecil dan stabil. Semakin kecil faktor daya sebelum adanya penambahan kontrol untuk perbaikan faktor daya, semakin besar pula perbaikan dari faktor daya semula, atau sama juga akan menyebabkan pergeseran fasa arus semakin besar. Untuk lebih mengamati kenaikan faktor daya pada bus A dapat dilihat pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2 Kenaikan Faktor Daya yang Terukur Pada Bus A
Beban Induktif
(Var)
Faktor Daya faktor daya (%) Sebelum Sesudah 6000 0.8631 0.9685 12.21 7000 0.8365 0.958 14.52 8000 0.7968 0.9492 19.13 9000 0.7635 0.9412 23.27 10000 0.7303 0.9322 27.65
4.3 Kondisi Sesudah Penambahan Kontrol Untuk Perbaikan Faktor Daya Saat Terjadi Gangguan
Sistem disimulasikan pada kondisi setelah adanya kontrol PWM untuk perbaikan faktor daya akan tetapi pada keadaan terjadi gangguan saat 0.02 s sampai dengan 0.06 s pada fasa A dan fasa B. Hasil simulasi menunjukkan, faktor daya yang terukur pada bus A sebesar 0.947 dan bus B sebesar 0.5547. Sedangkan gelombang tegangan pada bus A terdistorsi akibat gangguan pada bus B, dan gelombang bus C tidak semulus gelombang tegangan pada kondisi tanpa gangguan. Adapun gelombang tegangan pada bus A dan bus C dapat dilihat pada Gambar 12 dan Gambar 13.
Gam bar 12 Gelombang Tegangan Bus A
Gambar 13 Gelombang Tegangan Bus C
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan
Kesimpulan yang didapat dari analisis dan pembahasan penambahan kontrol power factor correction
adalah :
1. DVR mampu memperbaiki faktor daya dengan penambahan kontrol power factor correction. Teknik yang digunakan adalah menggeser fasa dari arus agar membentuk sudut yang lebih kecil dari sebelum penambahan kontrol perbaikan faktor daya pada DVR. 2. DVR dengan kontrol power factor correction mampu memperbaiki faktor daya pada bus A dengan lima variasi beban induktif sebesar 6000 Var, 7000 Var, 8000 Var, 9000 Var, 10000 Var. Performa dari DVR cukup bagus untuk perbaikan faktor daya dengan rata-rata kompensasi mencapai 19.36%.
3. Semakin kecil faktor daya sebelum adanya penambahan kontrol untuk power factor correction, semakin besar pula perbaikan dari faktor daya semula. 4. Gelombang tegangan pada bus A dan bus C tetap
bagus setelah penambahan kontrol power factor
correction pada DVR . 5.2. Saran
Saran yang dapat diberikan setelah mengerjakan Tugas Akhir adalah :
1. Sangat diharapakan ada penelitian lebih lanjut mengenai DVR dengan memperhatikan hasil simulasi pada tugas akhir ini untuk lebih mengoptimalkan fungsi dari DVR pada keadaan steady state. Karena pada keadaan tanpa gangguan normalnya DVR hanya melakukan “nothing to do” yang berarti hanya memonitoring keadaan tegangan bus yang dilindungi. 2. Pada tugas akhir ini analisis perbaikan faktor daya
menggunakan DVR hanya pada saat steady state. Untuk hasil simulasi saat terjadi gangguan, menunjukkan DVR pada tugas akhir ini belum mampu mengatasi kedip tegangan dengan baik. Sehingga diharapkan ada penelitian lebih lanjut untuk memperbaiki kekurangan ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Elnady, A., Salama, M.M.A., Kazerani, M.,” An Efficient Compensator for The Voltage Related Power Quality Problems in Distribution Systems,” 34th Annual
IEEE Power Electronics Specialists Conference 2003,
Vol.3, Hal: 1235- 1241
[2] Ghosh, A., Jindal, A.K., Joshi, A., “A Unified Power Quality Conditioner for Voltage Regulation of Critical Load Bus” Power Engineering Society General Meeting, 2004. IEEE, Vol.1, Hal: 471- 476
[3] Boonchiam, P., Mithulananthan, N., ”Understanding of Dynamic Voltage Restorers Through MATLAB Simulation” Electric Power System management, 2006. Thammasat Int. J. Sc. Tech., Vol. 11, No.3
[4] Margo, P., M. Hery, P., M., Ashari,., ”Fuzzy Polar Dynamic Voltage Restorer As Voltage Restorer And Active Filter Without Zero Sequence Blocking ”,
GELAGAR, 2008, Vol. 19, Hal: 112-119.
[5] ..., Handout Mata Kuliah Artificial Intelegence, PHK Teknik Ilmu Komputer K1 Universitas Widyagama Malang, 2008.
[6] ..., Fuzzy Logic ToolboxTM 2 User Guide, The
MathWork, Inc, 2008.
[7] Zebua, A.T., Wahab, W., Teknologi Sistem Fuzzy, <URL:http://www.elektroindonesia.com>, 7 Oktober 2009.
BIODATA PENULIS
Pugoh K. Arifin dilahirkan di kota
Sidoarjo, 11 Februari 1988. Penulis adalah putra ketiga dari tiga bersaudara pasangan Samsul Arifin dan Andayati. Pada tahun 2005, penulis masuk ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya lewat jalur SPMB dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Mulai tahun 2008, penulis aktif sebagai asisten untuk Praktikum Pengukuran Listrik di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga Listrik.
