ITS-Article-8973-IGNA Dwijaya Saputra-Inverter Multifungsi Satu Fasa Menggunakan Fuzzy Logic Controller

(1)

25

Inverter Multifungsi Satu Fasa Menggunakan

Fuzzy Logic Controller

IGNA Dwijaya Saputra

1)

, Mochamad Ashari

2)

,

Imam Robandi

2)

1)

Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bali Bukit Jimbaran, P.O.Box 1064 Tuban Badung Bali, INDONESIA Phone:+62-361-701981, Fax: +62-361-701128 e-mail: [email protected]

2)

Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

Phone: +62-31-5947302, Fax: +62-31-5931237

Abstrak - Pada paper ini dikemukakan suatu aplikasi Fuzzy Logic Controller (FLC) untuk inverter multifungsi satu fasa. Inverter ini akan dapat berfungsi sebagai pengurang harmonisa di jaringan, memperbaiki faktor daya, dan sebagai Uninterruptible Power Supply (UPS). Keunggulan dari inverter multifungsi ini terletak pada kemampuannya yang dapat berdiri sendiri (stand alone). Inverter lain akan bergantung pada sumber jala-jala, yang apabila jala-jala terputus maka inverter tersebut tidak bekerja.

Dalam paper ini, inverter yang digunakan adalah jenis bi-directional, yang dapat berfungsi sebagai rectifier dan sebagai inverter. Inverter tersebut dikontrol menggunakan FLC. Input FLC diperoleh dari perbedaan delta pengukuran (δ1) dan

delta perhitungan (δ2), yang akan menghasilkan

error (e1) dan perubahan error (Δe1). Keluaran FLC

ini akan digunakan untuk menyalakan inverter melalui sebuah Pulse Width Modulation (PWM).

Simulasikan rangkaian ini mengunakan program Simulink dan power system blockset dari Matlab 6.1. Hasil simulasi menunjukkan performansi FLC sedikit lebih baik dibanding dengan PI controller pada pengurangan harmonisa, dan memiliki peformansi yang sama untuk meningkatkan faktor daya dan sebagai UPS.

Kata kunci : Harmonisa, Uninterruptible Power Supply, Inverter Multifungsi, Fuzzy Logic Controller.

1. PENDAHULUAN

Kebutuhan akan kualitas daya listrik yang bagus telah merupakan keharusan bagi suatu masyarakat modern. Kualitas daya yang kurang bagus tentu akan merugikan baik produsen listrik, yang dalam hal ini PLN, maupun pihak konsumen.Tegangan listrik yang naik turun, turunnya faktor daya, kontinyuitas suplai daya, dan timbulnya harmonisa merupakan sebagian masalah dari permasalahan kualitas daya listrik.

Peralatan seperti komputer, mesin fax, variabel frekuensi drive, Uninteruptible Power Supply (UPS), peralatan-peralatan kedokteran, dan lain-lain, merupakan beban non-linear, yaitu beban listrik yang menghasilkan arus non sinusoidal. Akumulasi dari beban non linear yang jumlahnya banyak mengakibatkan arus saluran terdistorsi, sehingga menjadi tidak sinusoidal (non-simusoidal) [1]. Akibat adanya harmonisa pada sistem 3 fasa empat kawat, arus netral kemungkinan akan naik melebihi kapasitas penghantar, dan akan mengakibatkan terjadinya pemanasan lebih terhadap kawat yang digunakan [2]. Hal lain yang dapat terjadi akibat adanya harmonisa adalah bekerjanya circuit breaker (CB) akibat beban lebih, terjadi kesalahan pada kapasitor untuk mengoreksi faktor daya, dan timbulnya interferensi daya pada saluran komunikasi data dan suara [3].

Untuk mengurangi pengaruh harmonisa, biasanya digunakan filter pasif, yang unjuk kerjanya bergantung pada impedansi jaringan. Dalam perkembangan selanjutnya banyak digunakan filter aktif yang selain berfungsi mengurangi harmonisa juga akan meningkatkan faktor daya sistem [4], dan juga mengoreksi beban tak seimbang [5]. Selanjutnya pengurangan harmonisa pada arus line juga akan menghasilkan pengurangan harmonisa pada arus netral [6]. Sebagai filter aktif digunakan inverter yang bekerja dengan cara menginjeksikan anti-phase arus harmonisa sehingga akan menghilangkan pengaruh harmonisa [1].

(2)

26

menggunakan fuzzy logic controller (FLC) [9-17]. Metode yang digunakan adalah mengatur tegangan dc link capasitor [10 –12] dan space vector modulation [13-15]. Input FLC yang digunakan adalah arus jaringan dibandingkan dengan arus referensi atau arus jaringan dan tegangan dc link yang dibandingkan dengan tegangan referensi. Kelemahannya adalah ketika tidak ada suplai daya dari jala-jala, maka inverter atau converter yang digunakan tidak akan bekerja.

Sasaran paper ini adalah mengaplikasikan FLC untuk inverter multifungsi satu fasa yang dapat mensuplai daya secara kontinyu, walaupun suplai daya sumber utama terputus. Diakhir paper ini performansi penggunaan FLC dengan PI akan dibandingkan. Diharapkan dengan penerapan FLC akan dicapai hasil yang lebih baik dibandingkan dengan menggunakan PI controller.

2. APLIKASI FLC PADA INVERTER

MULTIFUNGSI SATU FASA

2.1 Inverter Multifungsi

Dalam paper ini, FLC diaplikasikan pada inverter satu fasa yang memiliki beberapa fungsi, yaitu mengurangi harmonisa di jaringan, memperbaiki faktor daya, dan sebagai UPS.

a. Mengurangi Harmonisa di Jaringan

Untuk sistem yang digunakan dapat dilihat seperti pada Gambar 1. Sistem ini terdiri dari sebuah inverter, sumber tegangan (grid), beban, dan sebuah link induktor.

Tegangan sumber dan tegangan inverter dianggap gelombang sinusoidal. Arus yang melewati link induktor (IM) menjadi sinusoidal. Pada saat

beban menghasilkan distorsi harmonisa, link inductor akan memblokir harmonisa tersebut. Sedangkan inverter akan menyerap distorsi tersebut, sehingga arus pada sumber akan bebas dari harmonisa. Arus beban akan tetap pada frekuensi 50 Hz.

Gambar 1 Rangkaian Ekivalen

b. Memperbaiki Faktor Daya

Gambar 2 menunjukkan aliran daya yang terjadi pada sistem yang digunakan. Daya aktif (active power) mengalir dari titik M1 (sisi utama) ke titik M2

(sisi inverter). PM dan QM secara berturut-turut

adalah daya aktif dan daya reaktif utama, dengan angka 1 dan 2 menunjukkan sisi jala-jala dan sisi inverter. Sedangkan PL adalah daya aktif beban, dan

QL adalah daya reaktif beban.

Gambar 2 Aliran daya aktif dan reaktif

Untuk phasor diagram rangkaian pada Gambar 2 dapat dilihat seperti pada Gambar 3. Dapat dilihat bahwa tegangan utama (main),VM, mendahului

(leads) terhadap tegangan inverter sebesar sudut δ.

Gambar 3 Diagram phasor rangkaian

Dengan asumsi bahwa link induktor XM merupakan induktor murni, arus jala-jala akan terlambat (lags) terhadap tegangan induktor Vx

sebesar 90o. Tegangan yang melewati link induktor merupakan hasil perkalian dari arus jala-jala dengan induktansi XM. Arus jala-jala IM tersebut dapat dilihat dari dua posisi yang berbeda, yaitu relatif terhadap tegangan inverter dengan sudut α, dan relatif terhadap tegangan jala-jala dengan sudut β. Besarnya arus jala-jala tergantung pada besarnya kedua tegangan VC dan VM, serta sudut δ. Daya yang mengalir bisa diperoleh dari segitiga OAB, dengan panjang AB didefinisikan:

α

δ

cos

sin

_M _M

M

I

X

V

AB

=

(1)

Selanjutnya untuk daya aktif yang disalurkan diperoleh dengan mengalikan tegangan inverter dengan persamaan (1), sehingga diperoleh:

δ

sin

2 1

M C M M M

X

V

P

=

(2)

Untuk daya reaktif pada sisi inverter di titik M2

(3)

27

(

os

δ

)

1

2

V

c

X

Q

_C _M _C

M

=

−

(3) Dengan cara yang sama, daya reaktif pada titik M1

adalah:

(

os

δ

)

1

2

1

V

c

X

Q

_M _M _C

M

=

−

(4) Untuk mengontrol daya aktif yang

disalurkan dari jala-jala ke beban, dapat dilakukan dengan mengubah nilai sudut δ. Jika daya aktif beban adalah PL, maka harga untuk δ adalah:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

C M

L M

V

P

X

1

sin

δ

(5) dengan PLsama dengan PM.

c. Paralel UPS

Bila suplai daya jala-jala terputus, maka secara langsung baterai akan memberikan daya ke sistem tanpa adanya delay time. Prinsip on-line UPS ini diterapkan dalam UPS paralel, dengan menambahkan sebuah switch NC (normally close) dan link inductor pada jaringan tersebut. Pada sistem ini tidak diperlukan suatu rectifier khusus untuk pengisian battery. Hal ini bisa terjadi karena digunakan inverter bi-directional yang dapat bekerja sebagai inverter dan rectifier. Jika beban tidak terdapat suplai daya dari jala-jala, switch akan terbuka dan selanjutnya UPS ini akan langsung mensuplai daya ke beban tanpa ada delay.

Gambar 4 Paralel UPS

2.2 Rangkaian Kontrol

Secara garis besar rangkaian kontrol pada sistem yang digunakan dapat dilihat seperti pada Gambar 5. Pada Gambar 5 tersebut terdapat sebuah controller yang outputnya diteruskan ke PWM (Pulse-width Modulation) yang selanjutnya akan menyulut inverter.

Gambar 5 Rangkaian kontrol

Ada beberapa controller yang sering digunakan untuk mengontrol inverter, yaitu dengan menggunakan PI atau menggunakan FLC, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6 dan 7 secara berturut-turut.

Gambar 6 Rangkaian menggunakan PI controller

Gambar 7 Rangkaian menggunakan FLC

Pada kedua blok diagram tersebut, input controller didapat dari perbedaan nilai antara nilai δ1

yang diperoleh dari perhitungan (calculated δ) dan

δ2 yang diperoleh dari pengukuran (measured δ).

Dengan menggunakan persamaan (5) dari pengukuran daya aktif beban PL, tegangan VM dan

VC, akan diperoleh nilai δ1. Sedangkan nilai δ2

didapat dengan menghitung perbedaan fasa antara tegangan VM dan VC. Untuk paper ini digunakan

FLC.

2.3 Fuzzy Logic Controller a. Input

Input FLC adalah e1 yang merupakan error yang

terjadi antara δ1 dan δ2, dan Δe1 yang merupakan

variasi incremental atau perubahan error dari e1.

Sedangkan output FLC adalah δo. Persamaannya dapat dituliskan menjadi:

( )

k

( )

k

( )

k

e1 =δ1 −δ2 (6)

( )

e1

( ) (

e1 1

)

1 = − −

Δe k k k (7)

b. Fungsi Keanggotaan

(4)

28

Gambar 8 Fungsi keanggotaan error

Gambar 9 Fungsi keanggotaan perubahan error

c. Control Rules

Seperti diuraikan sebelumnya, bahwa FLC memiliki dua input e1 dan Δe1, serta output δo.

Untuk setiap variabel input dan output dalam FLC, akan digunakan tujuh fuzzy subset, yaitu: NL untuk

Negative Large, NM untuk Negative Medium, NS untuk Negative Small, Z untuk Zero, PS untuk

Positive Small, PM untuk Positive Medium, dan PL untuk Positive Large. Rule FLC diperoleh dari perilaku sistem dan 49 control rules yang dikembangkan dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1 Control Rule Δe

e NL NM NS ZR PS PM PL

NL NL NL NL NL NM NS ZR

NM NL NL NL NM NS ZR PS

NS NL NL NM NS ZR PS PM

ZR NL NM NS ZR PS PM PL

PS NM NS ZR PS PM PL PL

PM NS ZR PS PM PL PL PL

PL ZR PS PM PL PL PL PL

d. Defuzzifikasi

Pada tahap defuzzifikasi ini digunakan metode discrete center of grafity [17], dengan kuantisasi menggunakan operator ‘min’.

Selanjutnya output yang diperoleh dari FLC diteruskan ke PWM yang akan menyulut inverter.

3. SIMULASI, HASIL DAN ANALISIS

3.1 Mengurangi Harmonisa di Jaringan

Rangkaian simulasi untuk rangkaian awal dapat dilihat seperti pada Gambar 10. Beban yang digunakan adalah rectifier gelombang penuh. Sedangkan hasil simulasinya dapat dilihat pada Gambar 11. Dapat dilihat bahwa bentuk gelombang arus sumber menjadi tidak sinusoidal lagi, dan harmonisa yang terjadi sangat besar, yaitu memiliki Total Harmonics Distortion (THD) sebesar 24,99%

Gambar 10 Rangkaian awal sistem

Dapat dilihat juga harmonisa terbesar pada frekuensi harmonisa ke-3, yaitu sebesar 24.4436%.

Fundamental : 72.671 ;

Highest harmonics : Orders=[3 5] =[24.4436% 2.46659%]

THD=24.99%

Gambar 11 Hasil simulasi sistem awal

Untuk rangkaian menggunakan kontroller PI dan hasilnya dapat dilihat pada Gambar 12 dan 13.

(5)

29

THD=12.04%

Gambar 13 Hasil simulasi rangkaian pengurangan arus harmonisa dengan PI controller

Hasil simulasi menunjukkan pengurangan harmonisa yang sangat signifikan. Hal ini dapat dilihat pada nilai THD arus sumber hanya 12,04%.

Selanjutnya rangkain disimulasikan dengan FLC, yang hasilnya menunjukkan penurunan harmonisa yang lebih baik, dengan niali THD hanya 8.149%, seperti terlihat pada Gambar 12.

THD=8.149%

Gambar 12 Hasil simulasi rangkaian pengurangan arus harmonisa dengan FLC

b. Memperbaiki Faktor Daya

Rangkaian memperbaiki faktor daya ini disimulasikan pada keadaan awal, dengan PI controller dan FLC, seperti Gambar 16. Bebannya diatur sehingga pada kondisi awal memiliki nilai pf yang kecil, yaitu 0,2 dan 0,5. Hasilnya dapat dilihat pada Tabel 2.

Gambar 16 Rangkaian simulasi PFC dengan PI controller

Tabel 2 Hasil simulasi PFC

Beban PI

controller

Fuzzy controller

R= 1 ohm L=10 mH

Pf = 0.2088

Pf =

0.9880 Pf = 0.9874 R= 1 ohm

L= 1 mH

Pf = 0.4987

Pf =

0.9886 Pf = 0.9886

Dari tabel 2 hasil simulasi PFC dapat dilihat bahwa terjadi peningkatan faktor daya sistem yang sangat signifikan, baik menggunakan PI controller maupun FLC. Nilainya hampir mendekati satu (unity).

c. UPS

Rangkaian UPS yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 17. Switch ditutup pada t=75 ms sampai 125 ms. Hasil-hasilnya untuk sistem yang digunakan dan sistem dengan menggunakan PI atau FLC dapat dilihat pada Gambar 18, 19, dan 20.

(6)

30

Gambar 18 Hasil simulasi sistem awal

Gambar 19 Hasil simulasi UPS dengan PI controller

Dari hasil simulasi UPS tersebut terlihat bahwa sistem dengan menggunakan PI ataupun FLC dapat tetap memberikan suplai daya ke beban.

Gambar 20 Hasil simulasi UPS dengan FLC

4. KESIMPULAN

Dari simulasi yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan:

- Rangkaian inverter multifungsi satu phase menggunakan PI atau FLC dapat berfungsi

untuk mengurangi arus harmonisa jaringan, memperbaiki faktor daya, dan bisa berfungsi sebagai UPS.

- Dari simulasi yang telah dilakukan terlihat bahwa performansi FLC sedikit lebih baik dibandingkan dengan PI controller untuk mengurangi arus harmonisa jaringan. Sedangkan performansi FLC dan PI menunjukkan hasil yang sama untuk memperbaiki faktor daya dan sebagai UPS.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Hirofumi Akagi, "New Trends in Active Filters for Power Conditioning". IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 6, pp. 1312-1322, Nov/Dec 1996.

[2] J.S. Subjak Jr. and J.S. Mcquilkin,

"Harmonics-causes, effects, measurements, analysis: An update", IEEE Transc. Ind. Applicat., vol. 26, pp. 1034-1042, Nov/Dec 1990.

[3] Clark, Famouri, Cooley. "Elimination of Supply

Harmonics", IEEE IAS 29h Annual Meeting in

Denver, Colorado, October 1994.

[4] David A. Torev Adel M. A. M. AI-Zamel,

"Single-Phase Active Power Filters for Multiple

Nonlinear Loads", IEEE Transc. on Power

Electronics, Vol. 10, No. 3, pp. 263-272, May 1995. [5] Juan W. Dixon, Jaime J. Garcia, Luis Moran, "

Control System for Three-Phase Active Power Filter Which Simultaneously Compensates Power Factor

and Unbalanced Loads", IEEE On Industrial

Electronics, Vol. 42, No. 6, pp. 636-641, December 1995.

[6] Ashari, M., C.V. Nayar, Syed Islam, "A Novel

Scheme for Mitigation of Line Current Harmonics and Compensation of Reactive Power in Three Phase Low Voltage Distribution Systems", proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC'00), ISBN D7803-5695-0, Galway, Ireland, 18-23 June 2000.

[7] Ashari, M., C.V. Nayar, Syed Islam, "Mitigation of Line Current Harmonics In Three-Phase Distribution Systems", 35th IEEE IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy, Rome, Italy, 8-12 October 2000.

[8] Chemmangot V. Nayar, M. Ashari, and W.W.L.

Keerthipala, “A Grid-Interactive Photovoltaic Un-interuptible Power Supply System Using Battery

Storage and a Back Up Diesel Generator”, IEEE

Transc. on Energy Conversion, Vol. 15, No. 3, pp. 348-353, September 2000.

[9] Juan W. Dixon, Jose M.Contardo, Luis A. Moran, "A Fuzzy-Controlled Active Front End Rectifier with Current Harmonic Filtering Characteristics and Minimum Sensing Variables", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 14, No. 4, pp. 724-729, July 1999.

[10]IGNA Dwijaya S., M.Ashari, Imam Robandi, “

Application of Fuzzy Logic Controller for Single Phase Multifunction Inverter”, Proceeding of CECI & SITIA, Surabaya, Indonesia, pp. D-44, 17 June 2003.

(7)

31

World Conference on Industrial Appl. of Electrical Energy, Rome, Italy, Oct. 2000.

[12]Yigang Shi, P.C. Sen, "A New Defuzzification Method for Fuzzy Control of Power Converters", 35t'

IEEE IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy, Italy, October 2000.

[13]M. Rukonuzzaman, M. Nakaoka, "Fuzzy Logic

Current Controller for Three-Phase Voltage Source PWM-Inverters", 35th IEEE IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Appl. of Electrical Energy, Rome, Italy, 2000

[14]Suttichai Sactico, David A. Torey, " Fuzzy Logic Control of a Space-Vector PWM Current Regulator for Three-Phase Power Converters", IEEE Transc. on Power Electronics, Vol. 13, No. 3, May 1998.

[15]Jose A. Torico, Edson Bim,” Fuzzy Logic Space

Vector Current Control of Three-Phase Inverter”,

IEEE 32nd Power Electronics Specialists Conference (PESC), Vancouver, Canada, 2001.

[16]Constantin Suciu, L.Dafinca, Mohan K., I.

Margineanu,”Switched Capasitor Fuzzy Control for Power Factor Correction in Inductive Circuits,” IEEE 32nd Power Electronics Specialists Conference (PESC), Vancouver, Canada, 2001.

[17]Paolo Mattavelli, L. Rossetto, G. Spiazzi, and P. Tenti, " General-Purpose fuzzy Controller for DC-DC Converter, IEEE Transc. on Power Electronics, Vol. 12, No. 1, pp. 79-86, January 1997.

[18]Ned Mohan, Tore M.U. and William P. Robbins,

“Power Electronics: Converters, Applications, and Design”, John Wiley and Son, Singapore, 1994.

[19]Mohamed E. El-Hawary, “Electric Power

Applications of Fuzzy Systems”, IEEE PressNew York, 1998.

[20]M.J.Patyra and D.M.Mlynek, “ Fuzzy Logic:

Implementation and Applications”, J.Wiley & Sons Ltd. and B.G.Teubner, Chichester & Stuttgart, 1996. [21]Son Kuswadi,”Kendali Cerdas (Inteligent Control)”,

EEPIS Press, Surabaya, Indonesia, 2000.

[22]Muhammad H. Rashid, “Power Electronics Second