desain filter aktif shunt tiga tingkat berbasis fuzzy logic

Oleh :
Kikin Khoirur Roziqin
2206 100 129
Dosen Pembimbing :
Prof. Dr. Ir. Mochammad Ashari, M.Eng.
Ir. Sjamsjul Anam, M.T.
Latar Belakang
Beban
Non Linier
Filter
Harmonisa
Usaha
Penyelesaian
Permasalahan
pada Sistem
Tenaga Listrik
Permasalahan
Permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah
apakah Fuzzy Logic Controller (FLC) layak untuk
diimplementasikan pada filter aktif shunt tiga tingkat
dalam meredam harmonisa pada sistem tenaga listrik.
Tujuan
 Mengetahui prinsip kerja filter aktif shunt tiga
tingkat.
 Mendesain filter aktif shunt tiga tingkat berbasis
FLC untuk meredam harmonisa.
 Mengetahui total harmonics distortion (THD) yang
terbangkit sebelum dan sesudah pemasangan
filter aktif shunt tiga tingkat berbasis FLC.
 Membandingkan kinerja dari FLC dengan
Proportional Integral (PI) Controller sebagai
kontrol kendali Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat.
HARMONISA
Gelombang Fundamental
Hasil Penjumlahan Gelombang
Fundamental & Harmonisa Ketiga
Gelombang Harmonisa Ketiga
Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat
 Filter aktif shunt tiga tingkat merupakan suatu filter
aktif shunt yang menggunakan inverter tiga tingkat
dalam pembentukan arus kompensasi untuk meredam
harmonisa.
Diagram Blok Filter Aktif Shunt Tiga
Tingkat
IsA IsB IsC
IcA
IcB
IcC
Filtering
IhA IhB IhC
+ + +
-
-
-
eIC
eIB
eIA
Control Block Iref
FLC
Inverter
Tiga Tingkat
Inverter Tiga Tingkat
 Inverter merupakan suatu peralatan elektronika yang
mengkonversikan listrik arus searah (DC) menjadi
listrik arus bolak-balik (AC).
 Inverter ini bisa terdiri dari satu tingkat maupun
banyak tingkat atau yang biasa disebut dengan
multilevel inverter.
Inverter Tiga Tingkat
DESAIN DAN PEMODELAN INVERTER TIGA
TINGKAT BERBASIS FUZZY LOGIC
CONTROLLER (FLC) SEBAGAI FILTER AKTIF
Konfigurasi Sistem
BEBAN
NON LINIER
Sumber
BEBAN
LINIER
FILTERING
FLC
INVERTER
TIGA
TINGKAT
Filter Aktif
Shunt Tiga
Tingkat
Komponen Filter Aktif Shunt Tiga
Tingkat Berbasis FLC
 Filtering
 Aplikasi Fuzzy Logic Controller
 Prosedur Penyalaan Inverter Tiga Tingkat
Filtering
 Filtering merupakan suatu proses untuk mendapatkan
sinyal arus harmonisa dengan cara memfilter sinyal
arus dan tegangan pada sistem.
 Arus referensi atau harmonisa arus diidentifikasi
dengan transformasi α-β untuk mendapatkan daya
real dan imajiner.
 Tegangan sumber (VS1, VS2, VS3) dan arus sumber (IS1,
IS2, IS3) ditransformasikan menjadi sistem bi-phase
menurut persamaan berikut :
Filtering
 Daya aktif dan daya reaktif sesaat pada sistem dihitung
berdasarkan persamaan di bawah ini :
 Setelah itu, untuk mendapatkan arus referensi harmonisa
dilakukan transformasi sesuai dengan persamaan berikut :
Filtering
 Untuk mendapatkan arus referensi harmonisa yang
sesungguhnya, maka arus harmonisa dalam sistem biphase harus ditransformasikan dengan invers dari
transformasi α-β, dimana ditunjukkan pada
persamaan berikut :
Pemodelan Filtering
Vref _Transf
u
2
Vsa^2
1/u
u
2
Fcn
Vsb^2
Va
3
Vc
Scope
Fo=50 Hz
1
2
Vb
K*u
Gain
K*u
p
Gain 1
Iref alpha
K*u
K*u
Gain 6
Gain 7
Fo=50 Hz
Ia
4
6
Ic
5
Ib
K*u
K*u
Gain 2
Gain 3
q
Iref betha
Scope 7
-1
Constant
Iref _Transf
1
I_Ref
Prosedur Pengontrolan Menggunakan
FLC
 Menentukan Rule Base FLC
Tabel 1 Rule Base Fuzzy Logic Controller
Error
d_error
LN
N
ZE
P
LP
ln
BN
N
P
P
BP
n
BN
N
P
P
BP
ze
BN
N
ZE
P
BP
p
BN
N
N
P
BP
lp
BN
N
N
P
BP
Prosedur Pengontrolan Menggunakan
FLC
 Menentukan Membership Function
Fungsi keanggotaan atau Membership Function (MF)
menyatakan fungsi secara keseluruhan yang menyatakan
derajat keanggotaan (Membership Function) dari masingmasing variabel. Sedangkan yang dimaksud variabel disini
adalah error, delta error, dan sinyal kontrol keluaran.
Membership Function
Variabel Masukan Error dan Delta Error
Membership Function
Variabel Masukan Output
Simulasi Fuzzy Logic Controller
error A
1
z
Fuzzy Logic
Controller
d_error A
Out A
error B
Out B
1
In
1
Out
1
z
Fuzzy Logic
Controller 1
Out C
d_error B
error C
1
z
Fuzzy Logic
Controller 2
d_error C
Aplikasi Fuzzy Logic Controller
Prosedur Penyalaan Inverter Tiga Tingkat
Tabel 2 Sinyal Kontrol Ideal Switch pada Inverter Tiga Tingkat
Ki
Ti1
Ti2
Ti3
Ti4
Vio
1
1
1
0
0
Vdc/2
0
0
1
1
0
0
-1
0
0
1
1
- Vdc/2
Inverter Tiga Tingkat
+v
-
1
In 11
g
m
1
2
5
In 21
Ideal Switch
g
m
1
2
9
In 31
Ideal Switch 4
g
m
1
2
Ideal Switch 8
Diode
Diode 1
Diode 2
2
In 12
g
m
1
2
6
In 22
Ideal Switch 1
g
m
1
2
10
In 32
Ideal Switch 5
g
m
1
2
Port A
1
Ideal Switch 9
A
B
C
A
B
C
Port B
2
Port C
Diode 3
3
In 13
g
m
1
2
7
In 23
Ideal Switch 2
Diode 4
g
m
1
2
11
In 33
Ideal Switch 6
g
m
1
2
Ideal Switch 10
Diode 5
4
In 14
g
m
1
2
Ideal Switch 3
8
In 24
g
m
1
2
Ideal Switch 7
12
In 34
g
m
1
2
Ideal Switch 11
3
SIMULASI DAN ANALISIS
Pemodelan Sistem Tanpa Filter Aktif Shunt 3 Tingkat
V_normal
+
-v
Discrete,
Ts = 0.0001 s.
+
- v
P
P
Vabc
+v
-
+v
-
Q
Q
+v
-
+v
-
S
S
Iabc
pf
+ -i
+v
[Ia]
[Ib]
A
+ -i
B
C
+ -i
Beban Non Linier
[Ic]
B
+ -i
C
Three-Phase
V-I Measurement
+ -i
A
Three-Phase Source
+ -i
v +
-
C
+ -i
v +
-
B
pf
v +
-
A
A Vabc
Iabc
B a
b
C c
I_arus_normal
Beban Linier
Goto 1
[Va] [Vb] [Vc]
Pemodelan Beban Linier
1
A
A
a
B
b
C
c
A
3
C
2
B
C
13 kVA
B
 Beban linier berupa R dan L seri tiga fasa dengan daya terpasang
Three -Phase
Series RL Load
Pemodelan Beban Non Linier
 Beban non linier yang terdiri dari sebuah penyearah tiga fasa
serta beban R dan C dengan daya terpasang sebesar 2.8 kVA
1
A
2
B
3
C
A
a
A
B
b
B
C
c
C
+
RC Load
-
Rectifier 3 Phasa
Hasil Simulasi Tanpa Filter Aktif Shunt 3
Tingkat Berbasis FLC
1. Simulasi ini menggunakan MATLAB Simulink
R2008a, dengan tegangan line-line pada sumber
sebesar 381 Volt.
2. Kondisi awal sistem disimulasikan pada saat
sebelum adanya filter aktif shunt tiga tingkat
dengan beban linier sebesar 13 kVA dan beban
nonlinier sebesar 2.8 kVA.
3. Pada simulasi awal tanpa filter, diperoleh nilai
THD arus pada sistem sebesar 7.24 % dan nilai
THD tegangan pada sistem sebesar 3.90 %.
Hasil Simulasi Tanpa Filter Aktif Shunt 3
Tingkat Berbasis FLC
Gambar Gelombang Arus
Gambar Gelombang Tegangan
Gambar Spektrum Arus
Gambar Spektrum Tegangan
Hasil Simulasi Tanpa Filter Aktif Shunt 3
Tingkat Berbasis FLC
Daya Aktif (P)
13.48 kW
Daya Reaktif (Q)
4.871 kVAR
Daya Total (S)
14.33 kVA
Faktor Daya
0.94
Arus Fundamental (peak)
30.52 A
Arus Fundamental (rms)
21.58 A
THD arus sumber
7.24 %
Tegangan Fundamental (peak)
309.7 V
Tegangan Fundamental (rms)
219 V
THD tegangan sumber
3.90 %
Pemodelan Sistem Dengan Filter Aktif
Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC
V_normal
+
- v
Discrete,
Ts = 0.0001 s.
+
- v
P
P
Vabc
+
- v
Q
+
- v
S
+
- v
Q
+
- v
S
Iabc
pf
+ i
-
Goto 1
[Va] [Vb]
[Vc ] [Vb ] [Va]
[Vc]
B
C
[Ic_b]
Vb
Ia
[Ib ]
[Ic _c]
Vc
I_Ref
Ib
Port_A
Ic
[Ic]
Alpha Betha Transf
Out
In
[Ic_a]
Ic_a
[Ic_b]
Ic_b I_Compns
[Ic _c]
Ic_c
I Compensation
FLC
From _Out_Fuzzy Port_B
Port_C
Proses + Inverter 3 Tingkat
+ i
+ i
+ i
-
[Ia ]
Rectifier
B
C
Three -Phase
Series RLC Load
[Ic_a]
Va
-
[Ic ]
A
[Ib ]
c
[Ia ]
C
A
+
- v
+
B
+ i
-
b
Three -Phase
V-I Measurement
A
+ i
-
a
Three -Phase Source
+ i
-
+ i
-
v +
-
C
+ i
-
+ i
-
v +
-
B
pf
v +
-
A Vabc
Iabc
B
a
b
C
c
A
I_arus_normal
Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter
Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC
Pada simulasi menggunakan filter aktif shunt
tiga tingkat berbasis FLC, diperoleh nilai THD
arus pada sistem sebesar 4.98 % dan nilai THD
tegangan pada sistem sebesar 0.71 %.
Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter
Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC
Gambar Gelombang Arus
Gambar Gelombang Tegangan
Gambar Spektrum Arus
Gambar Spektrum Tegangan
Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter
Aktif Shunt 3 Tingkat Berbasis FLC
Daya Aktif (P)
Daya Reaktif (Q)
Daya Total (S)
Faktor Daya
Arus Fundamental (peak)
Arus Fundamental (rms)
THD arus sumber
16.36 kW
4.868 kVAR
17.07 kVA
0.958
36.5 A
25.81 A
4.98 %
Tegangan Fundamental (peak)
309 V
Tegangan Fundamental (rms)
219 V
THD tegangan sumber
0.71 %
Simulasi Filter Aktif Shunt Tiga Tingkat
Menggunakan Proportional Integral (PI)
Controller
PI
1
In
PI
1
Out
PI
Kontrol proposional (Kp) mempunyai keluaran (output) yang
sebanding atau proposional dengan besarnya sinyal kesalahan
(selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya).
Kontroller integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang
memiliki kesalahan keadaan mantap (steady state) nol.
Perbandingan Sistem Sebelum dan Sesudah Pemasangan Filter
Aktif Shunt Tiga Tingkat Berbasis Fuzzy Logic Controller (FLC)
Besaran yang diukur
Sebelum
Pemasangan
Filter
Setelah Pemasangan Filter
FLC
PI Controller
Daya Aktif (P)
13.48 kW
16.36 kW
16.27
Daya Reaktif (Q)
4.871 kVAR
4.868 kVAR
5.1 kVAR
Daya Total (S)
14.33 kVA
17.07 kVA
17.05 kVA
Faktor Daya
0.94
0.958
0.9578
Arus Sumber
Fundamental (peak)
30.52 A
36.5 A
36.69 A
Arus Sumber
Fundamental (rms)
21.58 A
25.81 A
25.94 A
THD arus sumber
7.24 %
4.98 %
5.06 %
Tegangan Sumber
Fundamental (peak)
309 V
309 V
309 V
Tegangan Sumber
Fundamental (rms)
219 V
219 V
219 V
THD tegangan
sumber
3.90 %
0.71 %
0.71 %
KESIMPULAN
 Pemasangan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Fuzzy Logic
Controller (FLC) pada suatu sistem tenaga listrik dengan
tegangan Vphase-phase (rms) 381 Volt dapat mengurangi besar Total
Harmonic Distortion (THD) arus yang pada awalnya adalah
7.24% menjadi 4.98%, dan THD tegangan dari 3.90% menjadi
0.71%.
 Pemasangan filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Proportional
Integral (PI) Controller dapat mengurangi THD arus dari 7.24%
menjadi 5.06%, dan THD tegangan dari 3.90% menjadi 0.71%.
 Filter aktif shunt tiga tingkat berbasis Fuzzy Logic Controller
(FLC) memiliki kemampuan untuk memperbaiki faktor daya
total. Sebelum pemasangan filter faktor daya sistem adalah 0.94
dan setelah pemasangan filter menjadi 0.958. Sedangkan
penggunaan PI Controller pada filter aktif shunt tiga tingkat,
berdampak pada faktor daya yang semula 0.94 menjadi 0.9578.
SARAN
 Diperlukan penggunaan metode rule base yang tepat pada
kontroller fuzzy agar kinerja dari kontroller fuzzy tersebut dapat
ditingkatkan. Serta penambahan jumlah membership function
(fungsi keanggotaan) pada kontroller fuzzy baik untuk sinyal
masukan dan sinyal keluaran dari kontroller sangat disarankan.
Sehingga kontroller fuzzy dapat lebih presisi dalam memberikan
sinyal kontrol untuk penyalaan inverter tiga tingkat sebagai filter
aktif shunt.
 Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk menentukan jumlah
tingkat pada inverter yang optimum sebagai filter aktif shunt
yang disesuaikan dengan faktor ekonomi. Karena penambahan
jumlah tingkat pada inverter akan berpengaruh pada
peningkatan sisi ekonomi yaitu semakin bertambah pula
komponen-komponen di dalam inverter seperti jumlah switch,
kapasitor, dan dioda yang semakin bertambah banyak.
TERIMA KASIH