BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Meningkatnya penggunaan power electronic pada sitem tenaga listrik telah menimbulkan permasalahan kualitas daya. Komponen power electronic tersebut seperti dioda, thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Mosfet sebagai perangkat switching yang banyak digunakan aplikasinya pada beban elektronik seperti: mesin cuci, personal komputer dan laptop, handphone, pengatur kecepatan motor listrik pada sistem saluran tegangan rendah. Beban yang bersifat tidak linier dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang, baik arus maupun tegangan. Distorsi gelombang ini biasa disebut harmonisa, yang merupakan salah satu parameter dalam menentukan kualitas dari sistem tenaga. Adanya harmonisa dapat menimbulkan permasalahan antara lain adalah faktor daya rendah, overheating, dan dapat meningkatkan rugi-rugi energi [1]. Harmonisa juga dapat menurunkan kualitas sistem tenaga listrik yang dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan lain pada instalasi. Banyak usaha yang telah dilakukan untuk menyelesaikan masalah yang diakibatkan adanya harmonisa. Cara yang paling sederhana dan sering dilakukan adalah dengan menggunakan filter pasif. Filter pasif tersebut paling sering digunakan karena biaya pembuatan yang rendah dan strukturnya yang sederhana. Namun, filter ini tidak dapat menyelesaikan masalah yang ditimbulkan oleh variasi acak dari bentuk 1
2 gelombang pada beban karena filter ini biasanya ditala pada frekuensi tertentu. Selain itu ada permasalahan yang sangat mendasar dalam filter pasif karena filter ini dapat menghasilkan resonansi seri dan paralel dengan impedansi sumber [2]. Penggunaan filter pasif tidak memandang kondisi beban, artinya dalam kondisi apapun, rangkaian filter pasif menjadi bagian dari sistem itu sendiri. Untuk memecahkan masalah ini, maka telah dikembangkan penggunaan filter aktif. Filter akan bekerja ketika kondisi beban dirasakan sudah mulai mengganggu. Ketika beban tidak cukup mengganggu maka filter tidak bekerja atau bernilai nol. Peralatan penalaan yang berasal dari filter aktif ini pada dasarnya haruslah memiliki dua jenis karakteristik, yaitu mampu ditala dengan frekuensi tinggi dan kemampuan untuk bekerja pada rating daya tinggi. Parameter penting yang memerlukan perhatian yaitu proses kontrol, karena di sinilah yang akan menentukan filter aktif tersebut bisa berjalan dengan efektif atau tidak. Sistem kontrol merupakan sebuah sistem yang terdiri atas satu atau beberapa peralatan yang berfungsi untuk mengendalikan sistem lain yang berhubungan dengan sebuah proses. Dalam sistem kontrol, semua variabel, baik masukan maupun keluaran dari suatu proses harus dapat dimonitor dan diolah setiap saat. Semua variabel tersebut dikontrol sesuai dengan tujuan yang diharapkan. Dalam perkembangannya, filter aktif dengan metode kontrol yang bermacammacam masih terus dikembangkan, akan tetapi masih terdapat banyak kerumitan pada rangkaian. Karena kemampuan metode kontrol ini yang akan sangat mempengaruhi kinerja dari performansi filter aktif yang akan di desain. Pada awalnya yang cukup
3 populer, dikenal sistem kontrol yaitu kontroller PI (Proportional Integral), fungsi kontrol yang melakukan penalaan penguatannya secara manual. Untuk mengatasi kelemahan tersebut dikenal kontroller seperti logika fuzzy, robust, adaptif, Neural network, algoritma genetika, optimal dan controller lain yang bisa berupa gabungan [3]. Banyak penelitian sebelumnya seperti Tabel 1.1 yang telah dilakukan berkaitan dengan filter aktif dengan menggunakan fuzzy logic [4-11]. Tetapi mengingat konsep dari logika fuzzy sendiri yang tidak memerlukan perhitungan matematis yang rumit, sehingga masing-masing peneliti bebas membentuk fungsi keanggotaan dari sistem fuzzy. Hal ini mengakibatkan penelitian tentang logika fuzzy masih cukup relevan untuk dilakukan sebagai alternatif dari sistem PI (Proportional Integral) ataupun PID (Proportional Integral Derivative). Perbedaan dengan penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya adalah implementasi inverter filter aktif. Kalau sebelumnya yang digunakan adalah inverter konvensional (dua tingkat) dengan metode PWM (Pulse Width Modulation), pada tesis ini implementasi filter aktif menggunakan multilevel inverter. Metode filter aktif dengan PWM memang cukup diketahui kehandalannya, tetapi untuk daya yang cukup besar dan frekuensi yang tinggi mengakibatkan potensi loss dari peralatan elektronik juga cukup besar. Untuk mengatasi hal tersebut dikembangkan metode Cascade Multilevel Inverter (CMI) sebagai alternatif pengganti dari metode kontrol yang konvensional.
4 Tabel 1.1 Data penelitian pendukung Peneliti Judul Penelitian Metode Hasil Yang dicapai Jayakrishna, G, Anjaneyulu,K.S.R [4] Fuzzy Logic Control Based Three Phase Shunt Active Filter for Voltage Regulation and Harmonic Reduction, International Journal of Computer Application (0975-8887) Volume 10 - No.5. November 2010 Filter Aktif: PWM Converter, fuzzy subset sebanyak 7, membership metode Simulasi: Setelah menggunakan SAF baik THD arus dan THD tegangan mengalamai penurunan dari 26,35% menjadi 3.56% dan 25% menjadi 3,9% dibandingkan sebelum pemasangan filter Sarasvathi, K, Rajalakshmi, R [6] Performance Analysis Of Shunt Active Filter Using Different Controllers,International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Volume 4 Issue 5 - May 2013 Membandingkan metode PI dan FLC, PWM VSI Inverter, FLC: Fuzzy Subset 7, Metode Load (R, DC Motor, Motor Induksi), Simulasi Hasil simulasi untuk semua jenis beban APF dengan FLC menghasilkan hasil yang lebih baik. Dimana bebant Motor Induksi menghasilkan THD terbesar yaitu 10,6% Zellouma, L. S Saad, H. Djeghloud [8] Fuzzy Logic Controller of Three Level Series Active Power Filter, International Symposium on Environment Friendly Energies in Electrical Applications, 2010 APF terpasang secara seri, PWM 3 tingkat, Metode Tringular, Fuzzy Set 5, Simulasi: Dari hasil simulasi filter aktif bisa mereduksi THD i sampai dibawah 2 persen dan respon transient sekitar 0.01 detik
5 Tabel 1.1 Data penelitian pendukung (lanjutan) Peneliti Judul Penelitian Metode Hasil Yang dicapai Agrawal S, Bhuria V [9] Shunt Active Power Filter for Harmonic Mitigation by Using Fuzzy Logic Controller, International Journey of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET) Volume 2, Issue 6, Juni 2013 PWM VSI Inverter, FLC: Fuzzy Subset 7, Metode Simulasi Dengan menggunakan FLC, THD menurun dari 28,61 menjadi 3,85% Reddy, N T, Subramanyam, MV [10] Fuzzy Logic Controlled Shunt Active Power Filter for Mitigation of Harmonics with Different Membership Function, International Conference on Advances in Computing, Control, and Telecommunication Technologies, 2009 Filter Aktif: Metode PWM, FLC: Metode Trapezoid, Gbell, Gauss, membership 7, Simulasi: Semua metode FLC menghasilkan THD dibawah standar IEEE, dimana fungsi keanggotaan dengan menggunakan metode Gauss dan Triangular memberikan hasil terbaik untuk mereduksi harmonisa orde 3 ke level 4,29% dan 4,54% Bentria, Hamza [11] A shunt Active Power Filter Controlled by Fuzzy Logic Controller for Current Harmonic Compensation and Power Factor Improvement, Journal of Theoretical and Applied Information Technology, Vol 32 No 1 2012 PWM, Metode membangkitkan arus harmonisa menggunakan sychronous dan noth filter, fuzzy subset Dengan menggunakan algoritma FLC THD menjadi 1,82% dibawah standart IEEE
6 Tabel 1.1 Data penelitian pendukung (lanjutan) Peneliti Judul Penelitian Metode Hasil Yang dicapai Bangia, Sakshi [12] Simulation of Fuzzy Logic Based Shunt Hybrid Active Filter for Power Quality Improvement, I.J. Intelligent System and Application, 2013, 02, 96-104 Hybrid PWM dan Pasif yang dipasang untuk reduksi harmonisa ke lima, Fuzzy Subset 3, Metode Simulasi: Harmonisa arus dari ke lima sampai ke 19 dibawah standar IEEE sebesar 5% Mesbahi, N, Ouari, A [13] A Fuzzy Logic Control For Three Level Shunt Active Power Filter, International Conference On Industrial Engineering and Manufacturing ICIEM'10, May 9-10, 2010 PWM VSI Inverter, FLC: Fuzzy Subset 5, Metode Simulasi THD tereduksi dari level 22.70% menjadi level 3% 1.2 PERUMUSAN MASALAH Salah satu bidang dalam tenaga listrik yang mengalami perkembangan sangat pesat adalah bidang elektronika. Di satu sisi hal ini telah memberikan peluang lahirnya banyak sekali aplikasi teknologi, tetapi di sisi yang lain komponen elektronika tersebut yang sebagian besar bersifat tidak linier juga memunculkan permasalahan harmonisa. Permasalahan dalam tesis ini terkait dengan: a. Harmonisa yang ada di dalam suatu sistem tenaga listrik dan pengaruhnya terhadap kualitas daya
7 b. Efektifitas pemasangan filter aktif shunt yang dipasang mampu mereduksi level THD (Total Harmonic Distortion) sesuai standar IEEE 519-1992 c. Perbandingan sistem tanpa filter dan filter dengan menggunakan algoritma fuzzy logic dengan beberapa macam fungsi keanggotaan 1.3 TUJUAN PENELITIAN Tujuan penelitian ini untuk melihat performansi sistem filter aktif dengan menggunakan FLC (fuzzy logic controller) untuk mereduksi harmonisa yang disebabkan oleh adanya beban yang tidak linier. 1.4 BATASAN MASALAH Dalam tesis ini, ada beberapa batasan masalah yang digunakan antara lain: a. Inverter yang digunakan adalah Multilevel Inverter Tiga Tingkat dengan topologi Diode Clamp Inverter b. Fungsi keanggotaan pada FLC terdiri dari lima fungsi keanggotaan dan tujuh fungsi keanggotaan c. Beban untuk ketiga fasa seimbang d. Beban dalam kondisi steady state
8 1.5 MANFAAT PENELITIAN Ada beberapa manfaat yang bisa didapatkan dari penelitian ini, antara lain: a. Hasil penelitian ini dapat memberikan alternatif solusi yang dapat digunakan untuk mengatasi masalah harmonisa b. Menjadi pemodelan sistem filter aktif yang dapat diimplementasikan c. Sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya 1.6 SISTEMATIKA PENULISAN Sistematika penulisan tesis adalah sebagai berikut: BAB I Pendahuluan Pada bab ini akan dibahas mengenai Latar Belakang Masalah, Perumusan Masalah, Tujuan Penelitian, Batasan Masalah, Manfaat Penelitan dan Sistematika Penulisan. BAB II Tinjauan Pustaka Bab ini akan membahas tinjauan pustaka sebagai landasan teori dari beberapa hal yang mendukung, antara lain: Harmonisa, Total Harmonic Distortion, Filter Aktif, Inverter Tiga Tingkat, Transformasi pq, Fuzzy Logic Control.
9 BAB III Metode Penelitian Bab III akan membahas metodologi penelitian dan pemodelan dari sistem, secara garis besar akan dibahas Pemodelan Sistem tanpa Filter beserta komponen yang menyusun, serta pemodelan sistem dengan menggunakan filter aktif paralel beserta komponen penyusunnya. BAB IV Hasil dan Pembahasan Bab ini akan membahas dari hasil simulasi, untuk sistem tanpa filter serta filter dengan menggunakan filter aktif paralel. Hasilnya akan dianalisa apakah sesuai dengan standar yang diijinkan. BAB V Kesimpulan dan Saran dilakukan. Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah