2. Tinjauan Pustaka. konversi dari energi kinetik angin. Turbin angin awalnya dibuat untuk

Transkripsi

1 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Turbin Angin Turbin angin adalah elemen utama dari sebuah pembangkit listrik tenaga angin dan digunakan untuk memproduksi energi listrik yang merupakan hasil konversi dari energi kinetik angin. Turbin angin awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan nama Windmill. Sejak awal maraknya penggunaan turbin angin secara komersial sebagai pembangkit tenaga listrik di tahun 1980, telah terjadi peningkatan yang pesat dalam hal karakteristik, efisiensi, kapasitas dan desain dari turbin angin. Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga angin ialah dengan memanfaatkan energi kinetik dari partikel angin bergerak dengan kecepatan tertentu yang ditangkap oleh turbin angin. Baling-baling turbin dirancang sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk menggerakkan poros rotor generator. Balingbaling memutar poros dari turbin yang akan menyebabkan rotor pada generator akan bergerak dan generator mengubah energi rotasi menjadi energi listrik [2]. Potensi dan inovasi baru dalam desain turbin angin secara terus menerus dieksploitasi dan terutama terkonsentrasi pada desain baling-baling yang lebih ringan dengan fitur aerodinamis yang lebih baik. Selain itu, sistem pengendalian pada turbin angin pun terus dikembangkan untuk mendapatkan tangkapan energi yang maksimal. Salah satu pengendalian yang utama untuk memaksimalkan 7

2 kinerja dari turbin angin ialah dengan mengendalikan sudut kerja baling-baling turbin angin. Secara keseluruhan, industri energi angin mencapai kemajuan besar dalam dua dekade terakhir dan hal ini akan memainkan peran penting dalam tujuannya untuk meningkatkan produksi listrik dari sumber energi terbarukan. yaitu: Berdasarkan arah sumbunya, turbin angin dibedakan menjadi dua jenis, a. Turbin Angin Sumbu Horizontal Turbin angin sumbu horizontal ialah turbin angin yang memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin yang berukuran kecil diarahkan oleh baling-baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya akan menggunakan sensor angin yang digandeng dengan sebuah servo motor. Kebanyakan turbin angin jenis ini memiliki gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat sebagai gaya masukan untuk memutar rotor pada generator [2]. Menara umumnya menghasilkan turbulensi di belakangnya, sehingga turbin harus diarahkan melawan arah angin yang datang padanya. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Adapun kelebihan turbin angin sumbu horizontal adalah: Dasar menara yang tinggi memungkinkan akses ke angin yang kuat di tempat yang memiliki besaran angin yang fluktuatif 8

3 Sedangkan kekurangan dari turbin angin sumbu horizontal adalah: Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilahbilah yang berat, gearbox dan generator. Turbin yang tinggi harus diletakkan pada daerah yang aman dari lokasi lintasan pesawat untuk menghindari kecelakaan Ukurannya yang tinggi akan merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu estetika pemandangan secara umum Membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal Turbin angin sumbu horizontal terdiri dari beberapa komponen yang dipasang utamanya pada bagian atas dari menara. Dalam menara turbin angin, umumnya hanya terdapat tangga yang digunakan untuk mengakses ruangan nasel pada bagian atas menara. Sedangkan perangkat-perangkat lainnya berada di dalam nasel turbin angin. Adapun komponen tersebut dapat dilihat pada gambar

4 Gambar 2.2 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Horizontal Secara umum, konfigurasi utama turbin angin poros datar terdiri dari; rotor (blade dan hub), nasel/nacelle, generator, transmisi gearbox, kopling dan rem, sistem orientasi (yaw system), menara, sistem kontrol dan pondasi, seperti diperlihatkan pada gambar atas. Adapun penjelasan dari masing-masing bagian tersebut adalah: 1. Sudu (Blade /Baling-baling) Rotor turbin angin yang terdiri dari baling-baling/ sudu dan hub merupakan bagian dari turbin angin yang berfungsi menerima energi kinetik dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak (mekanik) putar pada poros penggerak. Pada sebuah turbin angin, baling-baling rotor dapat berjumlah 1, 2, 3 atau lebih. 10

5 2. Rotor Hub Hub merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan sudu dengan shaft (poros) utama. 3. Kontrol Pitch Sudu Salah satu tipe rotor adalah dengan sudu terpasang variabel yang dapat dirubah sudut serangnya dengan mengatur posisi sudut serang sudu terhadap arah angin bertiup. Rotor dengan mekanisme demikian disebut dengan rotor dengan pitch sudu variabel. Tidak semua turbin angin menggunakan tipe rotor dengan sudut sudu variabel. 4. Rem Rem berfungsi untuk menghentikan putaran poros rotor yang bertujuan untuk keamanan atau pada saat dilakukan perbaikan. 5. Poros Rotor Putaran Rendah Poros rotor berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator, dapat secara langsung maupun melalui mekanisme transmisi gearbox. 6. Gearbox Pada umumnya transmisi di turbin angin berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator dengan dipercepat putarannya. Hal ini diperlukan karena umumnya putaran rotor berotasi pada putaran rendah, sementara generatornya bekerja pada putaran tinggi. 11

6 7. Generator Generator merupakan komponen terpenting dalam sistem turbin angin, dimana fungsinya adalah merubah energi gerak (mekanik) putar pada poros penggerak menjadi energi listrik. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator dapat berupa alternating current (AC) maupun direct current (DC) dan tegangan keluarannya dapat dari tegangan rendah (12 volt) atau sampai tegangan 680 volt atau lebih. 8. Kontrol Arah Pada turbin angin yang relatif besar, umumnya sudah menggunakan sistem geleng aktif (active yawing system), yang digerakkan oleh motor servo. Kontrol yawing disini berfungsi menerima input dari sensor anemometer (mendeteksi kecepatan angin) dan wind direction ( mendeteksi perubahan arah angin), dan memberikan komando kepada motor servo untuk membelokkan arah poros turbin angin dan juga memberikan masukan kepada kontrol pitch. 9. Anemometer Sensor Anemometer berfungsi untuk mendeteksi/mengukur kecepatan angin, sebagai masukan kepada sistem kontrol untuk mengendalikan operasional pada kondisi optimum. 10. Tail Vane Salah satu sistem orientasi yang pasif (passive yawing) adalah menggunakan ekor pengarah. Fungsi dari ekor pengarah (tail vane) adalah untuk membelokan posisi rotor terhadap arah datangnya angin. 12

7 11. Nasel (Nacelle) Fungsi nasel adalah untuk menempatkan dan melindungi komponenkomponen turbin angin, yaitu : generator, gearbox, kopling, rem, kontrol, sistem geleng (yawing system). 12. Poros Rotor putaran tinggi Poros rotor putaran tinggi berfungsi untuk memindahkan daya dari girboks ke generator. 13. Roda gigi sistem geleng (Yaw drive) Fungsi yaw drive adalah untuk menempatkan komponen turbin angin yang berada diatas menara menghadap optimal terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan arah angin. 14. Motor servo (Yaw motor) Fungsi motor yaw adalah untuk menggerakan yaw drive untuk menempatkan komponen turbin angin yang berada diatas menara menghadap optimal terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan arah angin. 15. Menara / Tower Menara merupakan tiang penyangga yang fungsi utamanya adalah untuk menopang rotor, nasel dan semua komponen turbin angin yang berada di atasnya. 13

8 b. Turbin Angin Sumbu Vertikal Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar bekerja secara efektif. Kelebihan ini sangat berguna untuk lokasi penempatan yang arah anginnya bervariasi. Turbin angin jenis ini mampu untuk memanfaatkan angin dari berbagai arah [2]. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, sehingga menara tidak perlu menyokong dan lebih mudah untuk diakses ketika akan dilakukan perawatan. Sehingga biaya perawatannya dari sisi ini akan menjadi lebih efisien dan rendah. Namun demikian, karena sulit untuk dipasang diatas menara, maka turbin angin jenis ini dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Dimana hal ini akan menyebabkan kecepatan angin yang akan dimanfaatkan menjadi lebih rendah, sehingga energi angin yang tersedia akan menjadi lebih kecil. Aliran udara yang dekat tanah dan obyek yang menghalagi datangnya angin juga dapat menyebabkan permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan untuk mengatasi masalah ini dan memungkinkan umur turbin angin yang lebih singkat. Secara umum, adapun kelebihan daru turbin angin sumbu vertikal adalah: Karena bilah rotornya vertikal, maka tidak dibutukan mekanisme yaw 14

9 Karena penempatannya yang dekat dengan dasar lokasi penempatannya, maka pemeliharaannya akan menjadi lebih mudah Memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju angin sebenarnya) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus kencang Namun, jenis turbin ini juga memiliki kekurangan, yaitu: Umunya jenis turbin ini hanya memproduksi 50% energi listrik yang dapat dibangkitkan oleh turbin angin sumbu horizontal Kebanyakan turbin jenis ini memiliki torsi awal yang rendah, sehingga membutuhkan dorongan eksternal untuk memulai operasi Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal Perbedaan lainnya antara jenis turbin angin adalah dengan membedakan apakah rotor dapat bekerja dengan kecepatan variabel atau terpaku pada kecepatan konstan saja dengan penjelasan sebagai berikut: 15

10 a. Fixed-Speed Wind Turbines Jenis turbin angin ini adalah yang paling dasar pada operasi turbin angin. Menggunakan hanya sedikit perubahan kecepatan turbin rotor dan menggunakan mesin induksi dengan rotor sangkar yang langsung terhubung ke jaringan listrik. Bantuan daya reaktif eksternal dibutuhkan untuk mengompensasi daya reaktif yang terpakai oleh mesin induksi. Turbin angin jenis ini menggunakan stall regulation dan blade pitch regulation untuk mengatur daya yang dibangkitkan saat kecepatan angin sedang tinggi [3]. Gambar 2.4 Skema Fixed-speed Wind Turbine b. Variable-Speed Wind Turbine Variable-Speed Wind Turbine didesain untuk bekerja dengan kecepatan rotor yang variatif. Turbin ini umumnya menggunakan blade pitching sebagai pengatur daya keluaran. Kontrol kecepatan dan daya memungkinkan turbin untuk menghasilkan daya keluaran yang lebih besar daripada Fixed-speed Wind Turbine. Turbin angin jenis ini menggunakan mesin induksi dengan rotor belitan dengan penambahan konverter AC/DC. Turbin angin jenis ini menggunakan jenis kontrol yang sama dengan Fixed-speed Wind Turbine [3]. 16

11 Gambar 2.5 Skema Variable-Speed Wind Turbine 2.2 Pengontrolan Daya Turbin Angin Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin angin, angin akan mengalami pengurangan energi kinetik yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin. Energi kinetik yang hilang ini akan dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini akan terhubung dengan rotor dari generator. Generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik [1]. Besar daya mekanik ( ) yang dihasilkan oleh turbin angin didefenisikan dalam persamaan di bawah ini [1]: =.... (2.1) Dimana: adalah massa jenis angin (kg/m 3 ) C p adalah koefisien performansi turbin angin A adalah luas daerah sapuan turbin (m 2 ) V w adalah kecepatan angin sebelum melewati turbin angin (m/s) 17

12 Koefisien performansi, C p, dinyatakan sebagai perbandingan antara energi yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut [2]. Tip speed ratio,, adalah rasio perbandingan antara kecepatan pada ujung baling-baling turbin angin dan kecepatan angin [2]. Hal ini dapat dijelaskan bahwa dengan bentuk baling-baling turbin yang baik, maka kecepatan putaran baling-baling dapat ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan angin yang sedang mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari balingbaling turbin. Besaran berbeda-beda untuk tiap jenis turbin. Adapun turbin angin sumbu horizontal seperti pada penelitian ini memiliki besaran konstan sebesar 8,1. Sedangkan untuk menghitung besaran aktual dari rasio ini dapat dilihat pada persamaan (2.2). = =. (2.2) Besaran nilai C p tergantung pada tip speed ratio ( ) dan sudut pitch balingbaling ( ) dengan hubungan sebagai berikut [5]: (, ) = + (2.3) dimana =.. (2.4) Koefisien c 1 hingga c 6 merepresentasikan diameter rotor, konstanta bahan turbin, besar sumbu rotor, rasio gardan kecepatan rendah, rasio gardan kecepatan 18

13 tinggi dan tingkat kelenturan bahan, secara berurutan. Koefisien ini berbeda-beda besarannya untuk jenis turbin yang berlainan. Tiap jenis turbin memiliki standar besaran koefisien masing-masing yang berbeda satu dengan lainnya. Pada turbin angin sumbu horizontal seperti yang digunakan pada penelitian, besaran yang digunakan adalah c 1 = , c 2 = 116, c 3 = 0.4, c 4 = 5, c 5 = 21 dan c 6 = [4]. Hubungan antara Koefisien performansi (C p ) dan Tip speed ratio ( ) dapat dinyatakan dengan kurva pada gambar 2.6 [4]. Gambar 2.6 Karakteristik C p Vs dengan pitch angle Umumnya dalam perancangan turbin angin, terdapat beberapa parameter yang harus diperhitungkan, yaitu kecepatan cut-in (V cut ), kecepatan rating (V rated ), dan kecepatan cut-off yang merupakan kecepatan dimana turbin angin harus berhenti beroperasi untuk menghindari kerusakan akibat kecepatan angin yang melewati turbin angin melebihi batas ketahanan turbin [1]. Melalui persamaan (2.1), daya yang didapat dari angin adalah fungsi kubik dari kecepatan angin. Dimana hal ini akan berarti ketika kecepatan angin menjadi 19

14 dua kali lipat lebih besar, maka daya yang akan dihasilkan menjadi delapan kali lebih besar. Sehingga turbin angin harus didesain agar mampu menahan beban angin yang lebih tinggi dibanding besaran daya yang bisa dibangkitkan untuk menghindari kerusakan [2]. Kecepatan angin yang tinggi hanya berlangsung singkat dan hanya mempengaruhi sedikit dalam proses pembangkitan daya, namun bila tidak dikontrol, maka desain dan biaya pembuatan generator angin akan meningkat hanya untuk memastikan turbin angin mampu menahan besaran angin tersebut [2]. Dengan demikian, maka sangat diperlukan kontrol daya pada turbin angin. Hal ini tidak lain untuk mendapatkan pembangkit angin yang efisien dan efektif baik dari segi daya yang dibangkitkan maupun dari segi biaya yang akan dikeluarkan sebagai investasi yang tepat guna. Saat ini terdapat tiga pilihan kontrol daya keluaran turbin angin yang umum digunakan Stall Control Stall control adalah metode kontrol yang paling mudah, kuat dan murah. Metode kontrol ini digunakan untuk turbin angin ukuran kecil dan sedang, dikenal juga sebagai kontrol pasif karena tidak ada komponen bergerak sebagai pengatur. Aerodinamika baling-baling menentukan besaran daya keluaran. Lengkungan dan ketebalan baling-baling rotor yang dibentuk sedemikian rupa akan menyebabkan turbulensi pada baling-baling ketika kecepatan angin melebihi batas kecepatan yang ditentukan. Turbulensi ini akan menyebabkan energi angin yang ditransfer menjadi kecil saat kecepatan angin tinggi. Dengan kata lain, desain dari 20

15 aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya saat kecepatan angin melebihi batas tertentu [2]. Adapun kekurangan dari kontrol jenis ini adalah rendahnya efisiensi saat kecepatan angin rendah dan tidak membantu saat melakukan start mula turbin dari keadaan berhenti. Selain itu, jenis kontrol ini hanya dapat diaplikasikan pada turbin angin dengan kecepatan konstan, dimana turbin angin jenis ini menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin dengan kecepatan yang berubah-ubah [2] Pitch Control Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat berubah posisi menjauhi atau mendekati arah datangnya angin saat daya keluaran sangat tinggi ataupun sangat rendah, berurutan. Sudut baling-baling rotor dapat diatur secara aktif oleh sistem kontrol untuk menghindari daya yang tidak diharapkan. Pitch control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk membatasi kecepatan rotor dengan mengatur aerodinamika aliran daya. Pada saat kecepatan angin rendah dan sedang, sudut baling-baling diatur untuk memungkinkan turbin angin bekerja pada kondisi optimumnya. Sedangkan saat kecepatan angin sedang tinggi, sudut baling-baling akan dinaikkan agar daya aerodinamika berkurang dan menjaga kecepatan putaran rotor agar tetap dalam batas yang dapat dikontrol [2]. Keuntungan utama kontrol jenis ini adalah kontrol daya menjadi sangat baik (daya yang dibangkitkan sangat mendekati daya maksimal saat kecepatan angin sedang tinggi), dapat membantu start mula turbin, dan bisa memberhentikan 21

16 kerja turbin saat keadaan bahaya. Ketika turbin harus berhenti bekerja ketika kecepatan angin melebihi batasnya, maka turbin dengan pitch control dapat mengatur sudut baling-baling untuk mengurangi gaya aerodinamika yang ditimbulkan oleh energi angin [2]. Sedangkan kekurangannya yang harus diwaspadai adalah kesukaran dalam mekanisme pengaturan sudut pada baling-baling itu sendiri [2] Active Stall Control Seperti yang ditunjukkan oleh namanya, maka kontrol ini adalah kombinasi dari dua teknik kontrol yang telah dijelaskan sebelumnya. Pada saat kecepatan angin rendah dan sedang, maka baling-baling akan diatur sudutnya serupa dengan turbin yang diatur dengan pitch control. Kemudian ketika turbin angin mencapai batas kapasitasnya, maka baling-baling akan mengarahkan sudutnya ke arah berlawanan untuk menjaga daya keluaran agar tetap beroperasi dengan efektif [2]. 2.3 Pitch Angle Control Kontrol sudut baling-baling turbin angin adalah kontrol yang mengubah besaran sudut baling-baling dalam menghadapi arah datangnya angin. Dengan merubah besaran sudut serangan pada arah datang angin, maka tingkat aerodinamika turbin akan berubah dan menyebabkan turbin memiliki sifat pengereman secara sintetis dengan memanfaatkan arah serangan sudut turbin. 22

17 Gambar 2.7 Pengaruh sudut pitch angle pada aerodinamika turbin Pengaturan pitch angle akan merubah sudut baling-baling dengan memutar leher baling-baling yang terlekat pada rotor turbin. Putaran pada leher rotor ini dibantu oleh sebuah servo motor dimana servo motor akan mendapatkan perintah dari pengendali. Pengendali akan memantau kecepatan angin yang sedang mengalir di udara dengan memanfaatkan anemometer yang terpasang pada ekor turbin. Anemometer kemudian akan terhubung pada sensor untuk mengetahui berapa kecepatan angin yang sedang mengalir dan memberikan sinyal pada pengendali. Pengendali akan memroses data angin yang diterima untuk kemudian menghasilkan besar geseran sudut yang harus diberikan pada servomotor. Adapun geseran pada baling-baling dapat dilihat pada gambar 2.8. Gambar 2.8 Cara kerja kontrol sudut baling-baling turbin angin 23

18 Koefisien performasi turbin angin (C p ) menentukan proporsi dari energi angin yang dapat dimanfaatkan oleh turbin angin untuk dikonversi menjadi energi listrik. Besaran ini sangat tergantung pula pada pitch angle baling-baling turbin. Memutar tiap baling-baling pada sisi longitudinalnya akan merubah pitch angle yang akan menyebabkan berubahnya besaran C p yang selanjutnya akan merubah besaran daya yang dihasilkan dari angin. Pengaturan sudut ini dapat dilakukan dengan tepat dan cepat dengan menggunakan kontrol servo motor elektrik, dimana penggunaan perangkat ini memungkinkan kontrol yang halus pada daya keluaran turbin. Umumnya turbin angin dengan daya lebih dari 0.5 MW menggunakan kontrol ini sebagai pengatur daya. Tujuan lain dari penggunaan kontrol ini adalah untuk menghindari daya masukan aerodinamis dan torsi yang melebihi kemampuan elektris dan mekanis dari perangkat turbin angin dimana hal ini dapat disebabkan oleh kecepatan angin yang melebihi batas toleransi kecepatan angin yang dapat diterima turbin [2]. Kontrol diagram secara skematis dapat dilihat pada gambar 2.9 [5]. Gambar 2.9 Diagram blok kontrol pitch angle 24

19 Torsi generator (Q e ) dan pitch angle ( ) mengontrol turbin angin. Sistem kontrol ini menggunakan besaran daya yang dibangkitkan (P e ) dan kecepatan generator ( r), dan dibandingkan dengan torsi generator referensi (Q e ref ) dan pitch angle referensi ( ref ), dengan menggunakan dua tahapan kontrol [5]. Aplikasi kontrol ini memungkinkan energi yang yang ditangkap turbin menjadi maksimal saat kecepatan angin rendah dengan memanfaatkan efek tip speed ratio yang konstan akibat penambahan kontrol tersebut. Pada saat kecepatan angin rendah, maka pitch angle akan diatur pada besaran yang konstan yaitu pada pitch angle yang menghasilkan daya terbesar. Sedangkan pada saat kecepatan angin tinggi, maka torsi dan daya akan dibatasi pada Q rate dan P rate yang memiliki besaran yang konstan [5]. Pengaturan pitch angle dibutuhkan pada kondisi dimana kecepatan angin yang sedang bekerja lebih tinggi daripada kecepatan angin yang menjadi dasar kerja (rated wind speed) turbin angin tersebut. Sedikit perubahan pada pitch angle akan memiliki pengaruh yang signifikan pada daya yang dihasilkan. Adapun beberapa tujuan dari penggunaan kontrol pitch angle adalah [6]: Memaksimalkan daya keluaran pada turbin angin, dimana saat kecepatan angin dibawah rata-rata maka pengaturan sudut balingbaling harus pada titik optimumnya agar menghasilkan daya maksimal. Menghindari masukan daya mekanis dari angin yang melebihi kemampuan dari turbin angin itu sendiri. Saat kecepatan angin diatas rata-rata, kontrol pitch angle akan memberikan pengaturan 25

20 agar daya yang dihasilkan dan daya aerodinamika yang diterima turbin tetap dalam keadaan efektif. Pitch control memiliki dua strategi pengerjaan, yaitu dengan cara konvensional dimana menggunakan proportional and integral (PI) controller yang membutuhkan pengetahuan tentang dinamika sistem yang baik. Sedangkan cara lainnya adalah dengan menggunakan logika fuzzy dimana tidak diperlukan dinamika sistem yang sangat dikenali dan ketika data yang digunakan tidak linear, misalnya seperti tenaga angin yang kecepatannya terus berubah-ubah (tidak konstan) [6] Proportional and Integral (PI) Controller Pengaturan pitch angle berfungsi untuk mencari sudut kerja optimal dari baling-baling turbin angin pada kecepatan angin tertentu. Pengaturan pitch angle umumnya menggunakan proportional and integral (PI) controller. Kinerja yang baik dari turbin angin tergantung pada pilihan gain pengendali, namun pemilihan gain yang terbaik untuk jenis kontrol ini sangatlah sulit dan umumnya hanya berdasarkan pada trial and error [7]. Pengaturan pitch angle dari baling-baling turbin angin digunakan untuk menjaga pengaturan dan membatasi kerja turbin angin saat kecepatan angin melebihi kecepatan kerja turbin. Untuk menempatkan baling-baling pada posisi yang tepat, dibutuhkan servo motor hidrolik ataupun elektronik. Pada saat bekerja, pitch angle akan mengatur sudut yang efektif dengan kecepatan 5-10 o /s [6]. Beberapa strategi dalam pengontrolan turbin angin jenis ini dapat dilihat pada gambar 2.10 [6]. 26

21 (a) (b) (c) Gambar 2.10 Strategi pengaturan pitch angle. (a) kecepatan angin; (b) kecepatan rotor generator; (c) daya dibangkitkan berupa [6]: Pitch angle referensi ( ref ) dikendalikan oleh masukan-masukan yang 1) Kecepatan angin, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (a). Strategi kontrol ini hanya mengukur kecepatan angin yang datang kepada turbin. 27

22 2) Kecepatan rotor generator, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (b). Kecepatan rotor akan dibandingkan dengan referensinya. Sinyal error akan dikirimkan ke PI control dan menghasilkan nilai pitch angle referensi ( ref ). 3) Daya generator, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (c). Sinyal error dari daya generator akan dikirimkan ke PI controller dan menghasilkan nilai pitch angle referensi ( ref ). Saat kecepatan angin dekat besarannya dengan kecepatan kerja turbin, maka gain pengendali yang lebih besar diperlukan dibandingkan saat kecepatan angin lebih tinggi dari kecepatan kerja turbin meskipun saat kecepatan angin lebih tinggi, sedikit saja perubahan pada sudut baling-baling akan besar pengaruhnya pada torsi. Proportional and integral (PI) controller dengan penjadwalan pengaturan gain hanya bekerja dengan baik saat dinamika sistem tidak kuat, dimana hal ini menyebabkan dibutuhkannya pengaturan gain yang lebih lanjut untuk menjamin kinerja yang maksimal pada turbin angin pada tiap kecepatan angin yang ada. Hal ini menyebabkan kontrol turbin angin jenis ini menjadi sangat sulit dan tidak efektif. Sehingga diperlukan kontrol jenis lain untuk menutupi kekurangan yang ada pada kontrol PI Fuzzy Logic Controller Logika fuzzy pertama kali diajukan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi. Menggunakan metoda menerjemahkan bahasa verbal yang tidak presisi dan 28

23 bersifat kualitatif yang umunya digunakan pada komunikasi antara manusia. Keuntungan utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem yang dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang bersamaan untuk mendapat performa optimal. [7]. Kontrol logika fuzzy sangat bermanfaat ketika dinamika sistem tidak diketahui dengan baik atau ketika mengandung data yang tidak linear, seperti kecepatan angin yang terus berubah-ubah besarnya dan berpotensi menimbulkan turbulensi pada turbin angin [6]. Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah [6]: i. Menentukan input, ii. iii. Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai, Mendesain metode konversi hasil logika fuzzy dengan hasil sinyal keluaran yang dikenal dengan defuzzyfikasi. Pada pengontrolan turbin angin ini, logika fuzzy dapat memproses masukan berupa kecepatan rotor generator ataupun daya yang dibangkitkan. Hal ini sangat serupa dengan PI controller sehingga hasil kerja dari kedua jenis kontrol ini akan serupa. Namun, logika fuzzy dapat mempermudah kerja saat desain sistem kontrol karena proses pengerjaannya yang lebih mudah dan tidak membutuhkan model matematika yang rumit. Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy (untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel yang dinyatakan yang bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada simulasi. Bentuk segitiga dan trapesium dari fungsi membership digunakan untuk 29

24 masukan dan keluaran fuzzy pada error daya seperti pada gambar 2.11 dan 2.12 [7]. Gambar 2.11 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error) Gambar 2.12 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut) Peraturan pada kontrol fuzzy dinyatakan pada tabel 2.1 yang diatur untuk dipilih berdasarkan logika fuzzy yang umumnya digunakan. Peraturan ini akan menjadi dasar dalam menentukan besaran sudut yang berubah sesuai error daya. Tabel 2.1 Dasar aturan untuk variasi besaran sudut 30

25 Dimana: NL = Negative Large NM = Negative Medium NS = Negative Small PM = Positive Medium PS = Positive Small ZE =Zero PL = Positive Large Sistem dapat diilustrasikan seperti berikut: IF P = NL THEN var = NL. NL akan diberikan nilai berdasarkan fungsi membership dengan besaran input dan output yang tidak presisi besaran angkanya. Sebagai interpretasi peraturan ini, dimisalkan dengan: jika error daya yang dibangkitkan sangat rendah maka sudut harus diturunkan akibat daya yang dibangkitkan sangat rendah, sehingga var dikurangi untuk pengaturan. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa pada kontrol pitch angle dengan basis logika fuzzy, apabila daya output dibawah besaran nominal, maka sudut akan dikurangi besarannya. Namun, apabila daya output diatas besaran nominal, maka besar sudut akan dinaikkan [7]. Kontrol logika fuzzy yang berdasarkan deviasi daya dari nilai error P yang dapat dirumuskan sebagai berikut: = (2.5) Dimana P ref adalah daya yang dinyatakan pada sistem dan P g adalah daya yang diukur pada generator. Adapun strategi pengontrolan dengan logika fuzzy ini dapat digambarkan dengan diagram blok seperti pada gambar 2.13 [6]. 31

26 Gambar 2.13 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi Selain dengan referensi daya, pengaturan pitch angle juga bisa dilakukan dengan menggunakan referensi kecepatan putaran turbin angin. Kecepatan putaran rotor turbin angin ( measured) yang dinyatakan dalam rpm akan dibandingkan dengan kecepatan putaran rotor yang diharapkan ( ref). Kendali logika fuzzy akan memproses error dan data kecepatan angin dimana error tersebut akan dinyatakan dalam persamaan 2.6 [8]. = (2.6) Dengan referensi kecepatan putaran rotor ini, maka strategi yang akan digunakan ialah apabila kecepatan rotor berputar lebih besar dari referensi, atau error positif, maka sudut baling-baling turbin angin harus ditambahkan. Namun, apabila kecepatan putaran rotor yang diukur lebih rendah dari referensi atau error negatif, maka sudut baling-baling turbin angin harus dikurangi. Gambar 2.14 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi 32