- kinetik

KINETIK, Vol.1, No.1, Mei 2016, Hal. 101-141
ISSN : 2503-2259,
E-ISSN : 2503-2267
101
SINKRONISASI INVERTER SATU FASA DENGAN JARINGAN
DISTRIBUSI MENGGUNAKAN KONTROL ARUS HYSTERISIS
CURRENT CONTROL
1
1
Roy Arifuddin Basyri, 2Ir. Nur Hadi,MT., 3Ilham Pakay,ST
Fakultas Teknik, 2Jurusan Teknik Elektro, 3Universitas Muhammadiyah Malang
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak
Sumber energi listrik searah DC yang berasal dari energi terbarukan yang dihubungkan
dengan jaringan distribusi membutuhkan proses sinkronisasi. Sinkronisasi tersebut dilakukan
dengan cara mengontrol cara kerja inverter sehingga diperoleh amplitudo sesaat, fasa dan
frekuensi yang sesuai dengan jaringan distribusi satu fasa. Pada penelitian ini dibahas suatu
metode kontrol arus hysterisis current control sebagai kontrol arus inverter terhubung dengan
jaringan distribusi satu fasa yang akan dibandingan dengan inverter SPWM. Dengan
menggunakan phase locked loop sebagai sistem sinkronisasi inverter dengan jaringan distribusi
satu fasa. Hasil simulasi dengan simulink MATLAB menunjukkan bahwa dengan menggunakan
metode inverter dengan kontrol arus hysterisis dapat lebih banyak menyumbangkan daya aktif
(W) lebih besar bila dibandingkan dengan inverter SPWM. Dengan time running 1 second pada
masing-masing pengujian didapat hasil daya aktif : 1607.83 watt pada inverter menggunakan
kontrol arus dan daya aktif 232.25 watt pada inverter SPWM.
Kata kunci: Full Bridge Inverter, Hysterisis current control, SPWM, Phase Locked Loop.
Abstract
DC power sources from renewable energy sources that would be connected to the
electricity grid system require synchronization process. The synchronization is implemented by
controlling the inverter in a way to obtain instantaneous amplitude, phase and frequency
according to the distribution network single phase. This research discussed a method for
hysterisis current control method of control as the current control inverter connected to a
distribution network that will be compared with the phase inverter SPWM. Results of simulation
using MATLAB show that this method inverter with hysteresis current control can be further
contributes to the active power ( W ) is greater than the inverter SPWM. With time running 1
second on each of the test results obtained active power : 1607.83 watt inverter using current
control and active power 232.25 watts on the inverter SPWM .
Keywords: Full Bridge Inverter, Hysterisis current control, SPWM, Phase Locked Loop.
1. Pendahuluan
Dari tahun ke tahun kebutuhan daya listrik akan semakin meningkat, seiring juga dengan
mulai berkurangnya cadangan energi bahan bakar fosil yang digunakan pada pembangkit listrik
oleh karena itu dibutuhkanlah salah satu energi alternatif yang dapat membantu mengurangi
penggunaan bahan bakar fosil yang digunakan pada pembangkit listrik [1]. Perusahaan listrik
negara merupakan salah satu perusahaan yang menjadi pemasok listrik utama di indonesia yang
sebagian besar pembangkit listriknya menggunakan bahan bakar fosil, oleh karena itu akan
terbebani dengan kebutuhan daya listrik yang terus meningkat, maka dari itu dibutuhkan sumber
energi listrik terbarukan yang dapat menopang beban listrik yang diterima perusahaan listrik
negara, misalnya : photovoltaic (pv), dan juga pembangkit energi terbarukan lainnya. Sumber
listrik dengan energi terbarukan pada umumnya masih menghasilkan daya arus searah DC,
sehingga membutuhkan sistem konversi ke dalam bentuk daya arus bolak–balik AC dengan
menggunakan inverter DC (direct current) – AC (alternating current).
Sumber listrik arus searah DC yang berasal dari sumber energi terbarukan yang
dikoneksikan dengan sistem jaringan listrik membutuhkan proses sinkronisasi, sinkronisasi
Makalah dikirim 26 Februari 2016; Revisi 1 Mei 2016; Diterima 1 Juni 2016
102
ISSN: xxxx-xxxx; E-ISSN: xxxx-xxxx
adalah suatu cara untuk menghubungkan dua sumber arus bolak–balik AC. Proses tersebut
dilakukan dengan cara mengkontrol cara kerja inverter yang karakteristiknya sesuai agar bisa
digunakan sebagaimana pada jaringan listrik distribusi satu fasa, sehingga inverter tersebut akan
menghasilkan arus, fasa dan frekuensi yang sesuai dengan jaringan listrik dsitribusi satu fasa [2].
Pengendalian saklar dalam inverter dapat dilakukan dengan metode natural SPWM
(Sinusoidal PWM). Keuntungan metode ini yaitu sederhana serta fleksibel artinya amplitudo dan
frekuensi keluarannya dapat diatur, serta rendahnya distorsi harmonik pada tegangan keluaran
[3]. Metode hysteresis current control, algoritma ini sangat sesuai untuk koneksi grid dikarenakan
memiliki respon yang cepat terhadap perubahan arus output inverter dan kontrollernya pun
sangat mudah diaplikasikan [4].
Strategi kontrol arus pada inverter dapat berupa kontrol hysterisis, prediktif kontrol, dan
kontrol arus ramp comparison current control dan jenis kontrol arus lainnya. Pada kontrol arus
hysterisis adalah kontrol yang membandingkan arus output dengan arus referensi setelah diberi
batas toleransi yang telah ditentukan. Pada kontrol prediktif adalah kontrol yang menghitung
tegangan inverter yang dibutuhkan untuk memaksa arus mengikuti arus referensi pada sampel
waktu tertentu. Sedangkan pada kontrol arus ramp comparison current control adalah kontrol
yang membandingkan arus eror ke dalam gelombang segitiga untuk menghasilkan sinyal pulsa
trigger yang digunakan untuk mengendalikan switch pada inverter [5].
Dalam penelitian ini akan dibahas tentang kontrol arus hysterisis current control sebagai
kontrol arus dalam sinkronisasi inverter satu fasa dengan jaringan distribusi, kemudian
dibandingkan terhadap inverter dengan SPWM dalam hal ini arus keluaran inverter, daya aktif,
dan daya reaktif. Diharapkan arus keluaran inverter pada rangkaian inverter satu fasa dengan
kontrol arus hysterisis dapat meningkatkan daya arus dibanding inverter konvensional sehingga
dapat menambah daya pada jaringan distribusi satu fasa.
2. Metode Penelitian
2.1. Sumber DC
Sumber arus searah DC adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya
tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah, sumber arus listrik searah biasanya
adalah battery. Arus searah dulu diangap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif
sumber arus listrik ke ujung negatifnya, pada pengamatan-pengamatan yang lebih baru
menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir
dari kutub negatif ke kutub positif, aliran elektron ini menyebabkan terjadinya lubang-lubang
bermuatan positif yang “tampak” mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.
2.2. Inverter
Inverter adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah masukkan sumber DC
menjadi AC, dengan dengan frekuensi yang di inginkan. Inverter biasanya beroperasi dengan
teknik pulse width modulation. Struktur satu fasa dari full bridge inverter digambarkan dalam
Gambar 1. (a) memperlihatkan prinsip dasar dari full bridge inverter satu fasa. Untuk ½ periode
pertama (T/2) saklar yang aktif secara bersamaan adalah Q 1 dan Q4, sementara untuk ½ periode
kedua (T/2) saklar yang aktif adalah Q2 dan Q3. Sebagaimana masing-masing prinsip kerja
inverter ditunjukkan dalam Gambar 1. (b) dan (c).
KINETIK Vol. 1, No. 1, Mei 2016 : 101 – 141
KINETIK

S1
VS
I
S
+
–

2
Beban

S3
S4

(a)
L
IL
IL
S1
+
–
103
ISSN: xxxx-xxxx
VS
Beban
VS
S
4
IL
+
–
S2
Beban
S3
(c)
(b)
Gambar 1. Prinsip operasi inverter satu fasa (a) Rangkaian dasar (b) Arah arus beban
mode 1 (c) Arah arus beban mode 2
2.3. Kontrol Arus Hysterisis Current Control
Teknik kontrol arus hyisterisis adalah sistem dengan kontrol closed lop yang mana sinyal
eror e (t) digunakan untuk menentukan pola switching pada saklar dan untuk mengontrol arus
beban. e (t) adalah perbedaan antara arus referensi Iref, dan arus beban Iload. Pada gambar 3
menujakkan fase tunggal inverter jembatan penuh dimana empat switch diaktifkan dan
dinonaktifkan berdasarkan modulasi pola untuk menghasilkan bipolar atau unipolar tegangan
bentuk gelombang. Pada kontrol hysterisis terdapat hysterisis band (HB) upper dan lower yang
digunakan untuk membatasi sinyal segitiga agar tetap dalam kondisi yang telah ditentukan oleh
upper dan lower pada hysterisis band (HB). Kontrol arus hysterisis dan juga dengan
menggunakan pola bipolar PWM switching nya, bisa dilihat dalam Gambar 2. (a), dan hasil dari
output arus dan tegangan inverter dalam Gambar 2. (b).
Hysterisis
controller
Iref
+
S1, S3
-
S2, S4
Iactual
(a)
(b)
Gambar 2. Blok kontrol arus hysterisis (a) kontrol hysterisis, (b) Output arus dan tegangan
inverter
2.4 Phase Locked Loop
Phase locked loop (PLL) adalah adalah suatu sistem kendali umpan balik negatif, yang
secara otomatis akan menyesuaikan fasa dari suatu sinyal yang dibangkitkan disisi keluaran
dengan suatu sinyal dari luar di sisi masukannya, dengan kata lain PLL akan menghasilkan sinyal
keluaran dengan frekuensi yang sama dengan sinyal masukan. Struktur dasar dari PLL terdiri
Judul Makalah, Penulis 1; Penulis 2
104
ISSN: xxxx-xxxx; E-ISSN: xxxx-xxxx
atas, phase detector (PD), loop filter (LF), dan voltage-controlled oscilator (VCO). Blok diagram
dari PLL yang umum dipakai dapat dilihat dalam Gambar 3. dan struktur dari model PLL yang
ada pada library simulink MATLAB dapat dilihat dalam Gambar 4.
Gambar 3. Blok diagram PLL umum
Gambar 4. Model PLL (phase locked loop) MATLAB
3. Perancangan Sistem
Pada perancanagan penelitian ini adalah merancang sistem inverter satu fasa
menggunakan SPWM, dan inverter satu fasa menggunakan kontrol arus hysterisis current
control. Perancangan mengacu pada prinsip operasi inverter satu fasa dalam Gambar 2 .(a).
Inverter mengubah masukan DC menjadi keluaran AC, dengan pemicuan saklar pada gerbang
inverter konvensional menggunakan SPWM, sedangkan gerbang pemicuan inverter satu fasa
dengan kontrol arus hysterisis current control pemicuan saklar inverter nya menggunakan hasil
dari pengoperasian kontrol arus hysterisis. Dalam melakukan perancangan sistem penelitian ini
menggunakan software simulasi simulink MATLAB 2013Ra, perancangan simulasi sistem
mengacu dalam blok diagram Gambar 5 dan 6.
Gambar 5. Inverter menggunakan SPWM
Gambar 6. Inverter menggunakan kontrol arus hysterisis current control
KINETIK Vol. 1, No. 1, Mei 2016 : 101 – 141
KINETIK
105
ISSN: xxxx-xxxx
3.1 Full Bridge Inverter
Full bridge inverter satu fasa dimodelkan dengan menggunakan empat IGBT/Diode yang
telah disediakan dalam SimPowerSystemsTM library, perancangan full bridge inverter satu fasa
ditunjukkan dalam Gambar 7. Data spesifikasi IGBT/Diode menggunakan parameter default dari
MATLAB.
Gambar 7. Pemodelan Full bridge inverter satu fasa di simulink MATLAB
3.2 Model SPWM
SPWM ini diperoleh dengan mengkomperasi sinyal segitiga dengan sinyal sinusoida,
sinyal sinusoidal sendiri diperoleh dari keluaran sin wave PLL dan dikomperasi dengan sinyal
pembangkit segitiga squence wave pemodelan dari SPWM pada inverter konvensional satu fasa
seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8.
Gambar 8. Pemodelan SPWM
3.3 Model Kontrol Arus Hysterisis Current Control
Model simulasi kontrol arus hysterisis current control dapat dilihat dalam Gambar 9. Input
dari blok ini adalah sinyal referensi dari hasil perkalian hasil keluaran gelombang sin PLL dengan
gelombang step dengan parameter tertentu, dan sinyal actual hasil dari inverter, sedangkan
outputnya merupakan sinyal pulsa untuk memicu gate bagi masing-masing komponen switching
inverter.
Gambar 9. Model kontrol arus hystrisis current control
Judul Makalah, Penulis 1; Penulis 2
106
ISSN: xxxx-xxxx; E-ISSN: xxxx-xxxx
4. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Pada kedua hasil simulasi inverter tersebut menggunakan time running yang sama 1
second, dan menggunakan beban resistance 1 ohm pada masing-masing pengujian. Sedangkan
pada simulasi inverter menggunakan kontrol arus dilakukan pengujian dengan daya referensi
berubah dengan step time yang sama 0.5 second, referensi daya yang digunakan pada block
step adalah initial value = 1000, final value = 1500, 1500, final value = 2000, 2000, final value =
2500, 2500, final value = 3000, dan 3000, final value = 3500.
4.1 Hasil Simulasi Inverter Menggunakan SPWM
Hasil simulasi inverter menggunakan SPWM dapat dilihat dalam Gambar 10 dengan
output arus dan tegangan inverter menggunakan SPWM, dengan pengujian time running 1
second dan beban resistance 1 ohm, sedangkan hasil komperasi sinyal segitiga dengan sinyal
sinusoidal reference dapat dilihat dalam Gambar 11.
30
20
Arus(I)
10
0
-10
-20
-30
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Times
0.6
0.7
0.8
0.9
(a)
(b)
Gambar 10. Hasil arus (a) dan tegangan (b) inverter menggunakan SPWM
Carrier
Sin Reference
Gambar 11. Hasil komperasi sinyal segitiga dan gelombang sinyal sinusoidal
KINETIK Vol. 1, No. 1, Mei 2016 : 101 – 141
1
KINETIK
107
ISSN: xxxx-xxxx
4.2 Hasil Simulasi Inverter Menggunakan Kontrol Arus Hysterisis
Hasil simulasi inverter menggunakan kontrol arus hysterisis dapat dilihat dalam Gambar
12 dengan output arus dan tegangan inverter menggunakan kontrol arus hysterisis, dengan
pengujian time running 1 second dan beban resistance 1 ohm, sedangkan hasil simulasi upper
dan lower pada kontrol arus hysterisis dengan band (0.1) dapat dilihat dalam Gambar 13 dan
dalam Gambar 14 adalah hasil pengujian inverter dengan jaringan dalam satu sumbu.
10
8
6
4
Arus(I)
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Times
0.6
0.7
0.8
0.6
0.7
0.8
0.9
1
(a)
400
300
200
Voltage(V)
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Times
0.9
1
(b)
Gambar 12. Hasil arus (a) dan tegangan (b) inverter menggunakan kontrol arus hysterisis
Gambar 13. Hasil gelombang upper dan lower pada hysterisis band (0.1)
Judul Makalah, Penulis 1; Penulis 2
108
ISSN: xxxx-xxxx; E-ISSN: xxxx-xxxx
Gambar 14. Hasil keluaran tegangan jaringan dan tegangan inverter dalam satu sumbu
4.3 Perbandingan
4.3.1 Perbandingan Daya
Dari hasil pengujian kedua rangkaian simulasi inverter SPWM dan inverter menggunakan
kontrol arus dengan simulasi simulink MATLAB R2013a menggunakan pengukuran daya blok
power yang terdapat pada SimPowerSystem MATLAB didapatkan perbandingan antara daya
aktif (W), daya reaktif (VAr), degan mengacu pada nilai time running 1 second dan menggunakan
beban resistance 1 ohm pada masing-masing simulasi, maka didapatkan data sebagai berikut :
Tabel 1. Tabel perbandingan daya
SPWM
DAYA
Daya Aktif
(W)
232.25
Daya Reaktif
(VAr)
-110.78
Hysterisis
1607.83
29.45
Time
Running
Inverter
1 second
1 second
Dari hasil simulasi inverter menggunakan SPWM dan inverter menggunakan kontrol arus
hysterisis dapat diketahui nilai daya yang dihasilkan dari inverter menggunakan SPWM ketika
diukur dengan menggunakan block power nilai daya yang dihasilkan adalah 232.25 daya aktif, 110.78 daya reaktif, untuk inverter menggunakan kontrol arus hysterisis ketika dilakukan
pengukuran dengan menggunakan block power nilai daya yang dihasilkan adalah 1607.83 daya
aktif, 29.45 daya reaktif. Dengan hasil pengukuran dengan menggunakan block power tersebut
nilai daya aktif yang dihasilkan oleh inverter menggunakan kontrol arus lebih besar dari pada
inverter menggunakan SPWM satu fasa.
4.3.2 Perbandingan Daya Referensi
Dari hasil pengujian pada inverter menggunakan kontrol arus hysterisis dengan simulasi
simulink MATLAB R2013Ra menggunakan block step didapatkan perbandingan ketika nilai daya
referensi diberi nilai berubah-ubah akan tetapi dengan step time yang sama, menggunakan
pengukuran daya pada block power didapatkan data sebagai berikut :
Tabel 2. Tabel perbandingan daya referensi
KINETIK Vol. 1, No. 1, Mei 2016 : 101 – 141
KINETIK
109
ISSN: xxxx-xxxx
Value
Daya
Aktif
(Watt)
Daya
Reaktif
(Var)
1000
1500
1607.83
29.45
0.5
1500
2000
2154.02
55.77
0.5
2000
2500
2694.50
67.21
1 Second
0.5
2500
3000
3253.17
100.74
1 Second
0.5
3000
3500
3813.78
161.74
Step
Initial
Final
Time
Running
Time
Value
1 Second
0.5
1 Second
1 Second
4.4 Pembahasan
Pada simulasi inverter satu fasa terhubung dengan jaringan distribusi menggunakan
sinusoidal pulse width modulation menghasilkan daya aktif = 232.25 W dan daya reaktif = -110.78
VAr, maka dalam hal ini menyuplai daya aktif dan menyerap daya reaktif, sedangkan pada
simulasi hasil inverter satu fasa menggunakan kontrol arus hysterisis current control
menghasilkan daya aktif = 1607.83 W dan daya reaktif = 29.45 VAr, maka ketika menggunakan
inverter satu fasa dengan kontrol arus inverter dapat menyumbangkan daya aktif maupun daya
reaktif
Pada pengujian sinkronisasi inverter satu fasa dengan jaringan distribusi menggunakan
kontrol arus hysterisis current control, dilakukan untuk mengetahui seberapa besar inverter dapat
menyumbangkan daya kedalam jaringan distribusi sehingga inverter ini nantinya akan menjadi
pembangkit energi terbarukan yang dapat menanmbahkan daya kedalam jaringan distribusi,
dengan diberi nilai daya referensi yang berubah-ubah tetapi dengan step time yang sama,
menunjukkan hasil yang sesuai dengan yang diharapkan, dengan nilai paramater daya referensi
yang telah di atur sebelumnya, dalam Gambar 4.10 juga telah menunjukkan bahwa sistem telah
dapat bekerja sesuai dengan apa yang diinginkan, yaitu hasil kondisi keluaran tegangan inverter
memiliki bentuk gelombang dan sudut fasa yang sama dengan jaringan distribusi. Akan tetapi
dalam hal keperluan praktis bentuk gelombang inverter tidak sinusuida murni dan mengandung
harmonisa dimana hampir semua aplikasi inverter tegangan harmonik mempengaruhi
performance sistem.
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisa dan simulasi pada inverter konvensional satu fasa dan juga
sinkronisasi inverter dengan jaringan distribusi satu fasa dengan kontrol arus hystrisis current
control dapat disimpulkan :
1. Daya aktif yang dihasilkan oleh inverter satu fasa dengan menggunakan kontrol arus
hysteresis current control lebih besar dibandingkan inverter konvensional dengan
menggunakan kontrol SPWM.
2. Metode kontrol arus hysterisis current control sesuai dalam sistem kontrol arus yang
terhubung dengan jaringan distribusi satu fasa, dengan rangkaian kontrol yang sederhana
dan juga memiliki respon yang baik ketika mendapat perubahan nilai pada daya referensi.
3. Dengan menggunakan metode PLL sebagai pengambil data informasi tegangan
sinusoidal pada jaringan, untuk digunakan dalam pengendalian inverter konvensional dan
juga inverter menggunakan kontrol arus, berhasil diperoleh amplitudo dan frekuensi yang
sesuai dengan tegangan pada jaringan.
Referensi
[1] Blaabjerg F, Teodorescu R, Liserre M, Timbus AV. Overview of Control and Grid
Synchronization for Distributed Power Generation Systems. IEEE Transactions on Industrial
Electronics. 2006; 53(5): 1398-1409.
[2] Andri Helly. Inverter Satu Fasa Sinkron Berbasis Digital Phase Locked Loop. Thesis. Depok.
Universitas Indonesia ; 2012.
[3] Widodo, Prasetya. (2010).” Rancang Bangun Inverter Tiga Fasa Dengan Insulated Gate
Bipolar Transistor (IGBT) Menggunakan Metode Natural PWM Berbasis Mikrokontroler
AT90PWM3” (Skripsi). Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
[4] Mochammad salman, “Perancangan Inverter Satu Fasa Yang Terhubung Dengan Jaringan
Distribusi Menggunakan Metode Hysterisis Current Control,” Jurusan Teknik Elektro,
Judul Makalah, Penulis 1; Penulis 2
110
ISSN: xxxx-xxxx; E-ISSN: xxxx-xxxx
Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Februari
2012.
[5] Nazif Hazlif, ”Pemodelan dan Simulasi PV-Inverter Terintegrasi Ke Grid Dengan Kontrol Arus
Ramp Comparison Of Current Control,” Fakultas Teknik, Universitas Andalas, Vol: 4, No.2,
September 2015.
KINETIK Vol. 1, No. 1, Mei 2016 : 101 – 141