Perancangan dan Implementasi Metode Kontrol Optimal LQR Untuk Pengendalian Frekuensi Pada Simulator Pembangkit Listrik Generator

Transkripsi

1 JURNAL EKNIK POMIS Vol., No., () -6 Prancangan dan Iplntasi Mtod Kontrol Optial LQR Untuk Pngndalian Pada Siulator Pbangkit Listrik Gnrator Ahad Roni Utoo, Mochaad Rali Jurusan knik Elktro, Fakultas knologi Industri, Institut knologi Spuluh Nopbr (IS) Jl. Arif Rahan Haki, Surabaya 6 E-ail: rali@.its.ac.id Abstrak Pnlitian ini bahas asalah pngaturan kluaran frkunsi sbuah pbangkit gnrator st (gnst) yang iliki pnggrak utaa sin bnsin 4- tak dngan sist bahan bakar nggunakan karburator dan kapasitas KVA. tgangan trbangkit brhubungan dngan kcpatan putar pnggrak utaa. Gnrator st (gn st) dirprsntasikan dngan odl atatis yang diprolh dari hasil idntifikasi. Mtod kontrol optial LQR (Linir Quadratic Rgulator) digunakan untuk ngontrol agar kluaran frkunsi gnrator slalu brada di nilai trtntu pada bban yang brubah - ubah. Kontrolr hasil dsain diaplikasikan pada sist pbangkit gnrator st (gnst). Hasil siulasi srta iplntasi tod kontrol optial LQR (Linir Quadratic Rgulator) pada sist pbangkit gnrator st (gnst) nunjukkan bahwa rspon apu ngikuti siyal rfrnsi yang dibrikan srta iliki indk prforansi inial. asalah kontinuitas subr daya, aka diprlukan tod kontrol yang dapat prtahankan nilai frkunsi kluaran trhadap pbbanan trtntu. Kontrolr yang digunakan dala pnlitian ini adalah jnis tod kontrol optial LQR (Linir Quadratic Rgulator). II. DASAR EORI A. Sist Pngaturan Pbangkit Listrik [] Pbangkit listrik brfungsi untuk brikan daya listrik kpada pngguna ssuai kbutuhan. Olh karna itu dibutuhkan sist pngaturan pbangkit listrik sprti trlihat pada gabar. Sist Pnggrak Utaa Sist Kontrol Pnggrak Utaa Kata Kunci kontrol, Gnrator st, LQR Daya Mkanik Snsor I. PENDAHULUAN naga listrik skarang ini sudah njadi suatu kwajiban dan bahkan akan njadi kbutuhan prir di asa yang akan datang trutaa didarah prkotaan. Sakin brkbang dan ningkat kbutuhan akan tnaga listrik, aka kstabilan pada sist tnaga listrik njadi hal yang sangat pnting dan harus diprhatikan. Salah satu pbangkit Listrik yang sring digunakan adalah gnrator. Salah satu aslah yang sring trjadi pada gnrator adalah bila suatu gnrator ndapatkan pbbanan yang yang brubah - ubah, aka dapat ngakibatkan gnrator trsbut tidak bkrja dngan baik (kluaran gnrator tidak ssuai dngan yang diinginkan). Sist pbangkit listrik diharapkan dapat bradaptasi dngan cpat trhadap bban yang brubah-ubah dan dngan prubahan yang cukup drastis. Hal ini dikarnakan, pralatan listrik yang bbani pbangkit listrik iliki abang batas trtntu pada frkunsi dan nilai tgangan trbangkit. rdapat dua standar kdua paratr ini, yaitu frkunsi 5 Hz dan tgangan volt srta frkunsi 6 Hz dan tgangan volt. Untuk ngatasi pngaruh prubahan bban yang dapat pngaruhi kluaran pada sist pbangkit listrik dan Sist Eksitasi Gnrator Bban Arus Mdan Sist Kontrol Eksitasi Gabar. Snsor gangan gangan Ska Pngaturan Kcpatan Gnrator[] rdapat dua sist kontrol utaa pada pbangkit listrik yaitu pngaturan pnggrak utaa srta pngaturan arus dan. tgangan trbangkit trgantung pada kcpatan putar gnrator. Sprti trlihat pada prsaaan. n.p f () Diana: f = frkunsi tgangan trbangkit(hrtz) n = Kcpatan putar gnrator (RPM) p = Julah pol gangan trbangkit trgantung pada kcpatan putar gnrator dan arus dan pada rotor. Sprti trlihat pada prsaaan. E c.n. () Diana: E = gangan trbangkit (Volt)

2 JURNAL EKNIK POMIS Vol., No., () -6 n = Kcpatan putar gnrator (RPM) = Fluks dan(wb) c = Konstanta gnrator Pngaturan sist pbangkit brtujuan untuk njaga frkunsi tgangan trbangkit dan tgangan trbangkit agar slalu brada pada nilai ttap dngan kondisi bban brubah. B. Prsaaan Grak Gnrator [] Pada sist pbangkit listrik, trdapat dua torsi yang pngaruhi grak gnrator. Kdua torsi trsbut adalah torsi kanik dan torsi lktroagntik. orsi kanik dihasilkan olh pnggrak utaa sdangkan torsi lktroagntik diakibatkan olh kbradaan bban yang trsabung dngan trinal tgangan gnrator. Ska konsp pngaturan kcpatan pada sbuah unit pbangkit ditunjukkan olh Gabar. Ful Gabar. VALVE PRIME MOVER GOVERNOR P Spd Ska Pngaturan Kcpatan Gnrator GENERAOR P LOAD Kdua torsi trsbut ngakibatkan prcpatan gnrator. Hal ini ditunjukkan pada prsaaan 3. (3) a Diana a orsi akslrasi(n.) orsi Mkanik (N.) orsi lktroagntik (N.) Dala hal pngaturan frkunsi trhadap prubahan bban, dipilih prolhan hubungan antara daya kanik dan daya listrik daripada torsi. Hubungan antara daya dngan torsi ditunjukkan olh prsaaan 4. P r (4) Prubahan daya akan ngakibatkan prubahan kcpatan rotor dan torsi. Hal ini ditunjukkan olh prsaaan 5. P P r )( ) (5) ( Dngan ngabaikan ord yang lbih tinggi, didapatkan prsaaan 6. P r Hubungan prubahan daya lktroagntik dan daya kanik dngan anfaatkan prsaaan 5 ditunjukkan olh prsaaan 7. P P ) ( ) ( Pada kondisi stady stat, torsi lktroagntik dan kanik saa, dan kcpatan yang dirprsntasikan dngan pu,. Maka didapat prsaaan 8. P P (8) r (6) (7) Mlalui prsaaan 8 dapat digabarkan diagra blok yang nunjukkan prubahan daya dngan prubahan kcpatan pada Gabar 3. P r Hs P Gabar 3. Diagra Blok Hubungan daya dngan kcpatan A. Arsitktur Sist III. PERANCANGAN SISEM Sist trdiri dari gnrator st KVa, rangkaian koparator, sist iniu ikrokontrolr AMEGA 3, sist iniu ikrokontrolr AMEGA 3, rangkaian kounikasi srial, snsor arus dan otor srvo. Rangkaian koparator brfungsi untuk brikan sinyal upan balik brupa nilai frkunsi trbangkit gnrator. Sist iniu ikrokontrolr brfungsi untuk kontrol utaa sist dan pngirian data, rangkaian kounikasi srial brfungsi untuk pngirian data, snsor arus brfungsi sbagai pnanda prubahan bban, dan otor srvo sbagai aktuator yang brfungsi untuk nggrakkan throttl valv pada karburator. Nilai frkunsi hasil prhitungan ikrokontrolr akan diolah olh kontrolr LQR (Linir Quadratic Rgulator) yang trtana pada ikrokontrolr AMEGA 3. Kontrolr LQR (Linir Quadratic Rgulator) digunakan untuk brikan sinyal kontrol k aktuator ssuai dngan bban yang dibrikan pada gnrator st. Mikrokontrolr brikan sinyal kontrol pada otor srvo brupa sinyal PWM. Motor srvo nggrakkan throttl valv pada karburator yang akan pngaruhi kcpatan putar pri-ovr. B. Blok Diagra Sist Pada pnlitian ini frkunsi tgangan trbangkit dijaga ttap pada nilai nilai 6 Hz. Dngan nggunakan kontrolr aka kluaran frkunsi diharapkan slalu diskitar nilai 6 Hz skipun bban slalu brubah - ubah. Julah arus pada bban nandakan bban listrik yang dihubungkan dngan gnrator st, shingga nilai prubahan arus yang diolah olh ikrokontrolr nandakan adanya prubahan bban. Blok diagra sist scara ksluruhan ditunjukkan pada gabar.5. MIKROKONROLER AMEGA3 Rfrnsi Gabar Mtod Kontrol LQR Diagra Blok Sist Snsor Arus Motor Srvo Snsor arus Gnrator St Bban Aktuator pada gnrator st brupa otor srvo yang trhubung dngan karburator gnrator st. Karburator brfungsi untuk ngatur julah capuran bnsin dan udara pada silindr sin. Julah capuran bahan bakar dan udara

3 JURNAL EKNIK POMIS Vol., No., () -6 3 trsbut pngaruhi putaran sin yang pngaruhi frkunsi tgangan trbangkit. Snsor arus yang trpasang pada sist brfungsi untuk ngtahui prubahan prubahan bban, shingga dapat prudah untuk lihat pngaruh prubahan bban trhadap frkunsi. Julah bban yang dibrikan akan pngaruhi kcpatan putar gnrator shingga diprlukan kanis pngaturan kcpatan putar Gnrator untuk prtahankan frkunsi tgangan trbangkit. C. Gnrator St Gnrator St iliki pnggrak utaa brupa sin bnsin 4-langkah. Msin bnsin trsbut nggunakan sist bahan bakar karburator [5]. Brikut spsifikasi Gnrator st yang digunakan Kapasitas Daya Maksiu : VA gangan rata-rata : Volt rata-rata : 6 Hz Fasa : Fasa Julah pol : pol Kcpatan rata-rata : 3 RPM IL VL Sinyal Snsor Arus Sinyal Snsor Gabar 6. E. Snsor Atga3 Mastr Atga8 Slav PWM K otor srvo Ska Hubungan Mikrokontrolr Mastr Dan Slav Snsor frkunsi ini trdiri bbrapa koponn yaitu rangkaian lowpas filtr, Rangkaian koparator dan rangkaian grbang NO. Rangkaian koparator nggunakan IC LM339 yang dapat ngubah kluaran tgangan -5 volt dari gnst yang brbntuk sinyal sinus njadi sinyal kotak. Kluaran globang kotak dari rangkaian koparator yang brnilai untuk logika high dan untuk logika low akan diasukkan k rangkaian grbang NO yang nggunakan IC 74LS5 agar kluaran globang kotak njadi Volt dan 5 Volt. Globang kotak ini iliki priod trtntu, yang ana data priod ini dapat diolah di ikrokontrolr njadi frkunsi dngan ruus F, diana F adalah frkunsi dan adalah priod dari globang kotak. Rangkaian Snsor trdiri dari bbrapa bagian dan hubungan antar bagian ditunjukkan olh Gabar.7. IC VC Input - 5 VAC Sin Wav Fro Gnrator St ransforator Stp Down 6Volt Low Pass Filtr Coparator Not Gat Output /5 VDC Squar Wav o Mikrokontrolr AMEGA3 Gabar 5. Konstruksi Gnrator Sinkron Eksitasi Kapasitor[7] Jnis gnrator yaitu gnrator dngan sist ksitasi kapasitor. Ska konstruksi gnraor sist ksitasi kapasitor ditunjukkan olh gabar.6. Gnrator ini iliki karaktristik tgangan output brgantung kpada kcpatan gnrator. gangan gnrator brgantung pula pada julah arus yang ada pada bban pada kondisi frkunsi dijaga ttap. Stlah dilakukan ts tgangan output trhadap frkunsi gnrator. Didapatkan bahwa gnrator st nghasilkan tgangan volt pada frkunsi 6 Hz. Olh karna itu ditntukan nilai rfrnsi frkunsi tgangan trbangkit sbsar 6 Hz. D. Prangkat Kontrol Rangkaian kontrol yang digunakan pada tugas akhir ini trdiri dari dua bagian yaitu ikrokontrolr astr dan ikrokontrolr slav. Mikrokontrolr astr nggunakan AMEGA3. Mikrokontrolr slav nggunakan AMEGA8. Mikrokontrolr astr digunakan untuk ngolah sua data yang diprolh dari plant yaitu brupa prhitungan frkunsi tgangan trbangkit, prhitungan sinyal kontrol, dan kounikasi Srial. Mikrokontrolr slav digunakan untuk bangkitkan sinyal PWM yang digunakan untuk nggrakkan otor srvo. Data hasil prhitungan sinyal kontrol dari ikrokontrolr AMEGA3 dikiri scara parall k ikrokontrolr AMEGA8 data sinyal kontrol ini diolah olh AMEGA8 lalu dikir k pin data dari otor srvo. Ska hubungan antara ikrokontrolr astr dngan slav ditunujukkan olh gabar 3.3. Gabar 7. F. Snsor Arus Ska Snsor Snsor arus digunakan untuk ngtahui julah bban yang trpasang pada trinal gnrator st. Bntuk fisik pada gabar III.. Snsor arus ini brbntuk IC yang brukuran kcil dan dapat digunakan untuk pngukuran arus DC dan AC. Snsor Arus ACS 7ELCR-A- iliki spsifikasi sbagai brikut: gangan Supply : 5 V Rsolusi : V/A Arus Maksiu : A Kluaran saat Arus Nol :.5 V Gabar 8. G. Motor Srvo Snsor Arus ACS7 Motor srvo brfungsi sbagai actuator untuk nggrakkan throttl karburator pada gnrator st. Adapun spsifikasi otor srvo adalah sbagai brikut : gangan Krja Kcpatan putar orsi : V :.sc/6º : 3.3 Kg.c

4 JURNAL EKNIK POMIS Vol., No., () -6 4 Sudut putar : 8º Gabar 9. Motor Srvo H. Idntifikasi Sist [4] Idntifikasi dinais plant dilakukan dngan brikan st point yang brubah trhadap waktu. Sinyal PRBS yang dibrikan pada sist trdiri atas spuluh bit bilangan binr. Rspon yang dibrikan sist dapat digunakan sbagai acuan dala podlan plant. Sinyal PRBS rprsntasikan variasi bukaan throttl. Modl atatika yang didapatkan rupakan hubungan antara bukaan throttl valv dala drajat dngan frkunsi tgangan output. Idntifikasi dilakukan pada tiga kondisi bban yaitu pada kondisi bban inial, noinal dan aksial. Bban yang dibrikan pada gnrator st brupa lapu pijar watt dngan julah total 6 buah. Bban inial buah lapu, noinal 4 buah lapu, dan aksial 6 buah lapu. Pross podlan rspon hasil idntifikasi dinais trdiri atas tiga tahap, yaitu [3]:. Prhitungan paratr paratr ARMAX dngan tod standard last squar. Mlakukan ransforasi-z trhadap podlan ARMAX, dngan waktu sapling. dtik dan dngan tod zro-ordr hold 3. Mlakukan transforasi trhadap hasil transforasi Z pada poin k dala doain-s hingga diprolh fungsi alih sist. Pngabilan data pada tiap-tiap bban yang dibrikan dilakukan sbanyak lia kali. Dari klia data trsbut didapatkan odl atatika dngan nilai RMSE trkcil. ransfr function yang didapatkan pada tiap-tiap bban ditunjukkan pada tabl. abl : ransfr function drajat bukaan throttl dngan frkunsi gangan trbangkit Gnrator st Bban ransfr Function Rs Minial.8463s.7 G ( s).497 % ( watt) s.366s. 736 Noinal.9964s 4.98 (4 watt) G ( s) s.639s % Maksial.786s.87 G ( s).69 % (6 watt) s.53s I. Prancangan Kontrolr LQR [8] Pada pnlitian ini kontrolr optial LQR digunakan untuk ndapatkan sist yang stabil, yaitu ndkati st point, atriks pbobot Q dan R didapat dngan lakukan tuning (trial and rror), shingga diharapkan atriks pbobot yang didapat, apu lakukan pross optiasi. Bdasarkan hasil idntifikasi aka dipilih prsaaan fungsi alih plant sbagai brikut : F( s).9964s 4.98 ( s) s.639s.9 Dari prsaaan fungsi alih diatas aka diprolh prsaaan sat brikut : A B C D = Untuk ngubah prsaaan alih njadi prsaaan stat aka digunakan prsaaan yang nghubungkan antara frkunsi dan turunan frkunsi, brikut adalah prsaaan yang digunakan : X F () X F.9964 () Matrik A, B, C, D, prsaaan (3.) dan prsaaan (3.) digunakan untuk ndsain kontrolr LQR di softwar MALAB pada siulink untuk n-tuning nilai Q dan R. Brikut adalah progra siulink yang digunakan. Stp Signal Gnrator Masukan bban Gabar. -K- -K- Gain Gain u In Plant y Out3 Clock Display z Unit Dlay Siulasi tod kontrol LQR pada gnst MALAB Function Progra_LQR Pada blok MALAB FUNCION brisi listing algorita progra LQR (Linir Quadratic Rgulator) yang dibuat nggunakan ditor pada MALAB brupa.fil, brikut adalah listing progra yang dibuat : u=k*fk; u=k*((fk-fk)/ts-.9964*uk); uf=u+u; Nilai K dan K diprolh dari progra brikut ini : A=[ ; ] B=[.9964;.8854] C=[ ] D= R=(*tuning)...uning nilai R Q=(*tuning) *y()...uning nilai Q [K]=lqr(A,B,Q,R) Pada listing progra diatas nilai Q dan R dapat di-tuning dngan ngisi variabl pada (*tuning), hasil running progra diatas adalah ndapatkan nilai K (K dan K). J. Prancangan Algorita Kontrolr Iplntasi kontrolr LQR (Linir Quadratic Rgulator) pada ikrokontrolr nggunakan bahasa C dala (9) Scop

5 JURNAL EKNIK POMIS Vol., No., () -6 5 prograannya. Flowchart Pross pnalaan paratr PID ditunjukkan pada Gabar III.8. Start Dklarasi Variabl : F_gn;F_gn(k-); ADC_;ADC_;K; K;U;U;U_total;dt; ) Paratr dngan Q= dan R= st point 6 Hz. (Hz) Rspon Sist gnst (Hz) Grafik Prubahan Bban 3 g_snsor=radadc() Arus (A) Arus Bban(A) arus=(((g_snsor/ 3)*5)-.5)/ tanda=~tanda anda= N tanda=~tanda Y CN> startcn N Priod=CN- StartCN Y Priod=( StartCN)-CN Bukaan throttl(%) Sinyal Kontrol Gabar. Hasil rspon Q= dan R= Dngan ngguakan softwar MALAB, pada prcobaan ini kontrolr iliki indks prforansi J = 7.5. ) Paratr Q=.5 dan R= dngan st point 6 Hz. U = K*F_gn; U ={( F_gn-F_gn(k-))/dt} (.9964*u_total); U_total = U + U; U_total>67.75 U_total=U_total drajat =75-((float).6*U_total); Kiri data U_total; END N Y F_gn=/priod*.4 U_total=67.75 Gabar. Diagra Alir tod kontrol LQR pada pngaturan frkunsi Nilai K dan K yang digunakan dala progra didapat dari hasil prhitungan siulasi nggunakan MALAB. Dngan ngubah nilai Q dan R aka diprolh K dan K yang brbda bda. IV. PENGUJIAN DAN ANALISA Pngujian kontrolr dilakukan dngan brikan prubahan bban pada sist. Diharapkan kontrolr dapat brikan aksi kontrol trhadap prubahan bban yang trjadi. Pngujian dilakukan pada saat sist dala kondisi stady stat. Pada pngujian dilakukan 3 kali prcobaan dngan nilai Q dan R yang brbda bda. Pada bagian ini akan ditunjukkan rspon sist ktika dibri bban inial ( Watt), noinal (4 Watt) dan aksial (6 Watt). Brikut adalah grafik hasil iplntasi : (Hz) bukaan throttl (%) Rspon Sist Grafik Prubahan Bban 3 arus (A) Grafik Sinyal Kontrol 4 Gnst (Hz) Arus Bban (A) Sinyal Kontrol Gabar 4. Hasil rspon Q=.5 dan R= Dngan ngguakan softwar MALAB, pada prcobaan ini kontrolr iliki indks prforansi J = ) Paratr Q=.5 dan R=.5dngan st point 6 Hz. (Hz) Rspon Sist Grafik Prubahan Bban Arus (A) Bukaan throttl (%) Grafik Sinyal Kontrol 4 gnst (Hz) Arus Bban (A) Sinyal Kontrol Gabar 5. Hasil rspon Q=.5 dan R=.5 Dngan ngguakan softwar MALAB, pada prcobaan ini kontrolr iliki indks prforansi J =.3. Dari ktiga prcobaan yang dilakukan hasil yang paling optiu adalah ktika nilai Q=.5 dan R=, rspon sist

6 JURNAL EKNIK POMIS Vol., No., () -6 6 stabil pada st point yang diinginkan yaitu 6 Hz dan sinyal kontrol yang dihasilkan tidak trlalu bsar dibandingkan dngan dua prcobaan yang lainnya. Hasil rspon sist ktika nilai Q= dan R= iliki nilai ksalahan stady stat paling kcil tapi sinyal kontrol yang dihasilkan cukup bsar, sdangkan ktika nilai Q=.5 dan R=.5 nilai sinyal kontrolnya paling kcil ttapi ksalahan stdy stat cukup bsar. V. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari pngujian dan analisa yang tlah dilakukan pada pngrjaan ugas Akhir ini diprolh bbrapa ksipulan.. Disain LQR dirancang bukan untuk untuk pross rgulasi pada saat sist ncapai stdy stat.. Dari ktiga prcobaan rspon yang paling baik adalah ktika nilai Q=.5 dan R=. 3. Saat plant dibri bban trtntu, dngan kontrolr LQR aka rspon akan ngjar stpoint. UCAPAN ERIMA KASIH Pnulis ngucapkan tria kasih kpada orang tua pnulis yang slalu brikan doa srta dukungan tulus tiada hnti, Bapak Dr. Ir. Moch Rali dan Bapak Ir. Rusdhianto Effndi A.K., M.. srta dosn dosn sist pngaturan yang lain atas sgala bibingan ilu, oral, dan spiritual dari awal hingga trslsaikannya pnlitian ini. Pnulis juga ngucapkan banyak tria kasih kpada angkatan -48, LJ, ta.a. di BAPD, Sluruh ahasiswa bidang studi sist pngaturan, Hiatktro IS, dan sua pihak yang tlah bantu baik scara langsung aupun tidak langsung. RIWAYA PENULIS Ahad Roni Utoo dilahirkan di Klatn Jawa ngah. Pnulis naatkan pndidikan skolah dasar di SD Ngri Prabanan Klatn, kudian lanjutkan k SMP Ngri Prabanan Klatn. Untuk jnjang SMA pnulis nylsaikan skolahnya di SMA Ngri Klatn. Stlah naatkan SMA, pnulis lanjutkan studinya di Diploa 3 Univrsitas Gadjah Mada Jogjakarta Jurusan knik Elktro pada tahun 7 sapai. Lalu lanjutkan k Institut knologi Spuluh Nopbr padatahun. Spsialisasi bidang studi yang ditkuni olh pnulis adalah knik Sist Pngaturan. Slaa kuliah di IS, pnulis aktif njadi asistn di Laboratoriu knik Pngaturan. Pada bulan Juni pnulis ngikuti sinar dan ujian ugas Akhir di Bidang Studi Sist Pngaturan Jurusan knik Elktro FI IS Surabaya sbagai salah satu syarat untuk prolh glar Sarjana knik Elktro. DAFAR PUSAKA [] Elgrd L. O, Elctric nrgy systs thory: an Introduction, McGraw-Hill, Nw dlhi, 983 [] Kundur P., Powr Syst Stability and Control, McGraw-Hill, USA, 994 [3] Ljug L., Glad., Modlling of Dynaic Systs, Prntic Hall, USA, 994 [4] Ogata, K., Modrn Control Enginring, Prntic Hall, USA, [5] NSW, Srvic Ptrol Ful Systs, 8 [6] Darawan Aria.. ugas Akhir : Prancangan Ebddd Kontrolr Lqr Adaptiv Mnggunakan Mikrokontrolr Untuk Pngaturan Kcpatan Motor Dc. Prodi knik Elktro FI-IS : Surabaya.