DESAIN KONTROL MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) PADA GENERATOR TURBIN ANGIN BERBASIS ADAPTIVE NEURO-FUZZY INFERENCE SYSTEM (ANFIS)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Salah satu faktor penghambat pemanfaatan energi angin dalam bidang ketenagalistrikan adalah kurang optimalnya perancangan sistem pembangkit listrik tenaga angin, hal ini disebabkan oleh relatif cepatnya perubahan kecepatan angin di Indonesia, sedangkan respon daya yang dapat diserap oleh energi angin tanaman relatif lambat. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya, untuk mengoptimalkan keluaran daya turbin angin, sebaiknya sistem pembangkit listrik tenaga angin dilengkapi dengan pelacakan titik daya maksimum (MPPT).

Rumusan Masalah

Adaptive Neuro Fuzzy Inference System (ANFIS) merupakan metode yang menggunakan jaringan saraf tiruan (Neural Network) untuk mengimplementasikan Fuzzy Inference System (FIS) atau sistem inferensi fuzzy. Berdasarkan uraian penelitian diatas maka penelitian perancangan kendali sistem pembangkit listrik tenaga angin ini difokuskan untuk mencari titik daya maksimum dengan menggunakan metode ANFIS pada aplikasi topologi Buck-Boost Converter menggunakan software MATLAB Simulink.

Tujuan

Kelebihan sistem inferensi fuzzy adalah dapat menerjemahkan pengetahuan pakar ke dalam aturan, namun biasanya memerlukan waktu yang lama untuk menentukan fungsi keanggotaannya. Oleh karena itu diperlukan teknik pembelajaran dari jaringan saraf tiruan untuk mengotomatisasi proses tersebut sehingga dapat mempersingkat waktu pencarian, hal ini membuat metode ANFIS sangat baik untuk diterapkan pada MPPT [4].

Batasan Masalah

57 Gambar 4.6 menunjukkan keluaran daya sistem ANFIS MPPT yang menghasilkan daya lebih tinggi dibandingkan sistem tanpa MPPT pada setiap kecepatan angin.

TINJAUAN PUSTAKA

Energi Angin

Energi angin merupakan salah satu jenis sumber energi terbarukan yang berpotensi menghasilkan listrik melalui proses konversi. Proses pengubahan energi angin menjadi listrik melalui dua tahap, dimulai dari energi kinetik angin menjadi energi gerak rotor dan selanjutnya menjadi energi listrik.

Turbin Angin

Karakteristik Turbin Angin
Jenis – Jenis Turbin Angin

Turbin angin horizontal memiliki rotor dan poros generator di bagian atas menara dan harus mengarah ke arah angin bertiup. Karena menara penyangga turbin angin jenis ini menghasilkan turbulensi, maka turbin biasanya mengarahkan angin dari depan (Upwind Turbine).

Gambar 2.1 Kurva perbandingan Cp,Cr dan λ untuk berbagai jenis turbin angin [7]

Generator DC

Buck-Boost Converter

15 Rangkaian buck-boost dimodelkan dalam persamaan diferensial yang dapat dilihat pada persamaan 2.11 dan 2.12 di bawah [11]. Masukan rangkaian penambah beban dinyatakan dalam Vs dan dikendalikan oleh duty cycle D pada nilai 0 dan 1.

Gambar 2.4 Skema Rangkaian konventer DC-DC tipe Buck- Buck-Boost [11]

Maximum Power Point Traking (MPPT)

Pada kecepatan angin tertentu, daya maksimum akan tercapai jika generator berputar pada kecepatan tertentu. Oleh karena itu MPPT pada sistem turbin angin berkecepatan variabel diterapkan dengan memvariasikan kecepatan putaran generator pada setiap perubahan kecepatan angin agar daya yang dihasilkan semakin maksimal.

Gambar 2.5 Kurva MPPT berdasarkan hubungan kecepatan rotor dan daya generator [12]

Adaptive Neural-Fuzzy Inference System (ANFIS)

Node pada lapisan ini bersifat adaptif dengan tingkat aktivasi ternormalisasi yang berasal dari lapisan sebelumnya. Node non-adaptif pada lapisan ini menjumlahkan seluruh keluaran dari simpul-simpul pada lapisan sebelumnya dan menghasilkan satu simpul keluaran dengan fungsi simpul berikut [11].

Teori Ketidakpastian

METODOLOGI PENELITIAN

Diagram Alir

Tahap penelitian dilanjutkan dengan penentuan spesifikasi sistem berupa spesifikasi turbin angin, spesifikasi generator dan konverter DC-DC berdasarkan karakteristik generator turbin angin yang digunakan. Melalui pemodelan, karakteristik turbin angin, generator dan konverter DC-DC dapat diidentifikasi sebagai dasar perancangan sistem MPPT berbasis ANFIS.

Diagram Blok MPPT ANFIS

Dalam hal ini pengontrol ANFIS MPPT akan melakukan tracking dengan memberikan output duty cycle tertentu agar dapat mencapai status MPP. Input untuk pengontrol ANFIS MPPT adalah tegangan dan arus dari generator DC untuk mendapatkan nilai daya.

Pemodelan dan Simulasi Subsistem

Pemodelan Turbin Angin
Pemodelan Generator
Pemodelan Konverter DC-DC

Komponen yang digunakan pada pemodelan boost converter sesuai dengan nilai komponen yang terdapat pada perhitungan yang dilakukan pada Lampiran C. Nilai komponen seperti induktor, kapasitor dan resistor telah disesuaikan dengan nilai komponen. banyak tersedia di pasaran, yang memudahkan Gambar 3.8 Pemodelan konversi torsi mekanis menjadi kecepatan. Pemodelan boost converter dapat dilihat pada Gambar 3.9 dengan voltase meter yang polaritasnya terbalik karena output dari boost converter bernilai negatif.

Sehingga nilai duty cycle dapat diatur agar sesuai dengan nilai tengah keluaran konverter buck-boost untuk mencapai kinerja yang baik saat digunakan.

Perancangan ANFIS

Pada pelatihan ANFIS dihasilkan 2 tipe fungsi keanggotaan input yaitu tipe Gaussian (gaussmf) dan segitiga (trimmf) dengan masing-masing 5 input. Setelah pelatihan, diperoleh bentuk masukan fungsi keanggotaan dengan parameter yang dioptimalkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12 untuk masukannya. Bentuk fungsi keanggotaan masukan dengan parameter yang telah dioptimasi seperti pada Gambar 3.15 untuk kesalahan masukan dan Gambar 3.16 untuk kesalahan selisih masukan (delta) pada fungsi keanggotaan segitiga dengan RMSE sebesar 0,000287.

Terdapat 25 aturan yang terbentuk setelah pelatihan seperti terlihat pada Tabel 3.5.

Rancangan Simulasi MPPT berbasis ANFIS

Setelah pelatihan selesai, ANFIS siap digunakan untuk proses power tracking, dimana hasilnya adalah duty cycle ANFIS. Pemodelan sistem non MPPT yaitu Gambar 3.18 digunakan untuk mengetahui karakteristik sistem pembangkit listrik tenaga angin. Sistem ini terdiri dari generator DC turbin angin, dan daya keluaran diukur dengan memasang ammeter dan voltmeter.

Untuk mencapai pengaturan atau pelacakan daya yang optimal, digunakan Maximum Power Point Tracker (MPPT) dengan mengatur siklus kerja konverter Buck-Boost.

Gambar 3.19Sistem Turbin Angin Dengan MPPT ANFIS

Realisasi MPPT ANFIS

Percobaan yang digunakan adalah membandingkan keluaran generator DC tanpa MPPT dan menggunakan MPPT ANFIS. Diagram blok percobaan tanpa MPPT ditunjukkan pada Gambar 3.21, dimana keluaran generator DC dihubungkan langsung dengan beban dan diukur daya keluarannya. Sedangkan diagram blok percobaan MPPT ANFIS terdiri dari menghubungkan keluaran generator DC ke konverter buck-boost untuk memantau daya keluaran maksimum MPPT ANFIS pada pengontrol Arduino Mega 2650, seperti terlihat pada Gambar 3.22 di bawah ini.

Arduino MEGA 2560 digunakan sebagai pengontrol dan juga sebagai perangkat akuisisi data dimana kontrol MPPT ANFIS direalisasikan.

Gambar 3.21 Blok diagram Eksperimen Tanpa MPPT ANFIS

Pengambilan Data

Analisa Data

Pencarian daya maksimum dengan MPPT ANFIS dapat menghasilkan output daya yang lebih tinggi dibandingkan dengan sistem turbin angin non-MPPT pada setiap kecepatan angin. Dari simulasi penelusuran daya maksimum pada sistem pembangkit listrik tenaga angin, diperoleh hasil pengujian perbandingan daya keluaran sistem pembangkit listrik tenaga angin ANFIS MPPT dengan sistem pembangkit listrik tenaga angin non-MPPT. Pencarian titik daya maksimum dengan MPPT ANFIS dapat menghasilkan keluaran daya yang lebih tinggi dibandingkan dengan sistem turbin angin non-MPPT pada setiap kecepatan generator.

Simulasi ANFIS MPPT yang dirancang mampu meningkatkan daya keluaran generator turbin angin dibandingkan dengan sistem tanpa MPPT pada sistem turbin angin.

ANALISA HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Simulasi Pengujian Kecepatan Putar Turbin

Perubahan kecepatan angin terhadap waktu menyebabkan perubahan daya listrik yang dapat dihasilkan oleh suatu sistem turbin angin, sehingga jika kecepatan angin semakin besar maka daya mekanik turbin angin juga akan semakin besar. Karena turbin angin dihubungkan dengan generator, maka semakin tinggi kecepatan putaran rotor maka daya listrik turbin angin tersebut akan semakin besar. Peningkatan kecepatan rotor menyebabkan peningkatan EMF yang dihasilkan generator sehingga meningkatkan pula daya listrik yang dihasilkan generator, seperti terlihat pada Tabel 4.1 dengan beban 25 Ω.

Hasil Simulasi Pengujian Buck-Boost Converter

Efisiensi minimum sebesar 45,69% pada duty cycle 0,1 dengan beban 25 Ω, hal ini disebabkan induktor mengalami saturasi dan mulai bergetar sehingga membuat tegangan dan arus keluaran menjadi tidak stabil.

Hasil Simulasi MPPT Berbasis ANFIS

Hasil Simulasi Perbandingan Daya Keluaran
Hasil Simulasi Pengujian MPPT Berbasis ANFIS . 55

Berikut grafik perbandingan daya maksimum sistem turbin angin yang dilengkapi MPPT ANFIS dan sistem turbin angin yang tidak dilengkapi MPPT dengan fungsi keanggotaan Gaussian. Berikut grafik perbandingan daya maksimum sistem turbin angin yang dilengkapi MPPT ANFIS dan sistem turbin angin yang tidak dilengkapi MPPT dengan fungsi keanggotaan Segitiga. Maka deteksi dilakukan menggunakan MPPT ANFIS dengan fungsi keanggotaan Triangle karena memiliki hasil yang lebih baik.

Sedangkan daya masukan pada konverter buck-boost atau masukan MPPT ANFIS mempunyai daya yang lebih besar dibandingkan dengan daya keluaran MPPT ANFIS.

Gambar 4.3 merupakan hasil penjejakan daya keluaran turbin angin dengan menggunakan MPPT ANFIS dengan fungsi keanggotaan Gaussian memiliki waktu penjejakan yang lebih lama Gambar 4.3 Hasil Simulasi Penjejakan Daya Sistem Turbin Angin

Pengujian Kecepatan Putar Turbin Angin

Putaran generator lebih besar dibandingkan putaran rotor, hal ini disebabkan adanya gearbox atau perbedaan diameter puli dengan nilai perbandingan 1,3 yang bertujuan agar putaran generator semakin besar. Dengan demikian, daya listrik yang dihasilkan oleh generator pun menjadi lebih besar seperti terlihat pada Tabel B-4 – Tabel B-7 pada Lampiran B. Sedangkan beban resistif 100 ohm mempunyai daya yang paling kecil karena arus yang dihasilkan juga kecil, namun tegangan lebih tinggi dari muatan lainnya.

Gambar 4.11 menunjukan keluaran daya generator terhadap kecepatan generator, dimana beban resistansi 25 ohm memiliki daya yang yang paling besar karena arus yang dihasilkan juga besar tetapi memiliki keluaran tegangan yang kecil dibandi

Hasil Pengujian Buck-Boost Converter

Karakteristik konverter hampir sama dengan karakteristik konverter yang disertakan pada simulasi konverter buck-boost. Dengan nilai resistansi 10 Ω, efisiensi terus menurun; semakin besar duty cycle yang diberikan maka semakin besar pula arus listrik yang dihasilkan. Arus yang besar mengakibatkan berkurangnya efisiensi akibat pembuangan panas pada komponen elektronika karena arus yang dihasilkan lebih besar dibandingkan beban resistif lainnya sehingga mengakibatkan hilangnya arus listrik yang dihasilkan melalui panas.

Hilangnya arus listrik ini akan mengakibatkan hilangnya daya keluaran dari boost converter sehingga mengakibatkan berkurangnya efisiensi konverter.

Hasil Pengujian MPPT Berbasis ANFIS

Dimana daya keluaran hasil tracking yang dilakukan berbeda-beda sesuai dengan tahanan beban dan kecepatan generator DC yang diberikan. Perbandingan daya hasil tracking MPPT ANFIS dengan variasi beban, yang bertujuan untuk mengetahui karakteristik tracking keluaran generator DC setelah dilakukan peningkatan daya. Sebuah beban dengan hambatan 25 ohm mempunyai daya yang lebih tinggi dibandingkan beban lainnya, namun mempunyai tegangan yang kecil dan arus yang lebih besar.

Sedangkan beban resistif 100 ohm mempunyai daya keluaran yang lebih rendah namun tegangan dan arus yang lebih tinggi, seperti terlihat pada Gambar 4.14.

Gambar 4.13 Hasil Penjejakan Daya Generator Turbin Angin

Hasil Perbandingan Peningkatan Daya Sistem

Dan kita dapat mengetahui efisiensi konverter Buck-Boost pada variasi beban dengan kecepatan generator yang berbeda-beda. Dari hasil percobaan yang membandingkan kenaikan daya MPPT ANFIS dan tanpa MPPT diketahui bahwa semakin besar beban yang diberikan maka peningkatan daya dengan MPPT ANFIS juga semakin besar, namun hasil kenaikan beban 100 ohm tidak begitu besar. dan mengalami penurunan jika dibandingkan dengan beban 75 ohm, hal ini disebabkan karena arus yang dihasilkan generator cukup kecil sehingga peningkatan daya yang dihasilkan tidak cukup besar karena beban ohmik yang besar. Hasil kinerja respon sistem pelacakan daya pada simulasi sistem turbin angin diperoleh dengan waktu deselerasi sebesar 7,588 detik, waktu naik sebesar 10,220 detik, waktu stabil sebesar 11,207 detik, dan overshoot maksimum sebesar 0%.

Mardanie, “Maximum Power Point Traking (MPPT) pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Buck-Boost Converters”.

Gambar 4.15 menunjukan keluaran daya sistem MPPT ANFIS yang memang manghasilkan daya yang lebih tinggi dibandingakan sistem tanpa MPPT pada setiap kecepatan generator dengan beban 25 ohm

PENUTUP

Kesimpulan

Saran

Yanararti, “Pemodelan model rata-rata back-to-back converter pada sistem pembangkit listrik tenaga angin menggunakan PMSG berbasis ANFIS”. Kontrol pelacakan titik daya maksimum untuk sistem fotovoltaik menggunakan adaptive neuro-fuzzy (ANFIS)”, Konferensi dan Pameran Internasional Kedelapan tentang Kendaraan Ekologis dan Energi Terbarukan (EVER), IEEE.2013. 7] Katirwa, I. "Analisis Optimasi Energi Generator Turbin Angin Skala Kecil Menggunakan Metode Pelacakan Titik Daya Maksimum untuk Aplikasi Pengisian Baterai."

14] Nugraha A.I." Penerapan teknik maksimum power point tracking (MPPT) pada sistem pelacakan matahari berbasis adaptive neuro-fuzzy interference system (ANFIS). Abadi, Imam, “Perancangan dan Konstruksi Alat Ukur Emisi Gas Buang, Studi Kasus: Pengukuran Gas Karbon Monoksida (CO), D3 Teknik Instrumentasi, FTI-ITS, Surabaya.2012.