1 Desain dan Simulasi Average Model Voltage Source Inverter pada Generator Induksi Siti Aisyah, Dedet Candra Riawan, dan Arif Musthofa Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: dedet@ee.its.ac.id, arif@ee.its.ac.id Simulasi sebuah sistem berbasis switching pada Voltage Source Inverter (VSI) membutuhkan waktu yang lama. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah metode untuk menyederhanakan sistem tersebut. Salah satu metode yang digunakan untuk mempersingkat waktu simulasi adalah dengan menggunakan metode average model. Metode ini mengambil frekuensi rata-rata switching yang telah dimodelkan melalui persamaan matematis yang telah diturunkan menjadi persamaan state space. Metode permodelan yang hanya mengambil respon sistem yang dominan ini disebut dengan metode average model. Pada tugas akhir ini, dilakukan simulasi average model VSI untuk mengatur frekuensi dan tegangan keluaran generator induksi. Dump load dipasang pada sisi tegangan DC untuk mengatur kelebihan daya yang diserap oleh inverter. Kata Kunci : Average Model, Generator induksi, Voltage source inverter, dump load I. PENDAHULUAN Pulse Width Modulation (PWM) merupakan metode yang cukup banyak digunakan untuk pensaklaran pada sistem pengubahan daya listrik, salah satunya adalah inverter. Inverter 3 fasa sendiri memiliki beberapa jenis antara lain Voltage Source Inverter (VSI) dan Current Source Inverter (CSI). Perbedaan mendasar dari kedua rangkaian ini adalah penggunaan kapasitor pada VSI dan induktor pada CSI sebagai media untuk menghubungkan dengan pensaklaran. VSI lebih banyak digunakan karena lebih efisien dan lebih terjangkau harganya. VSI merubah sinyal listrik searah menjadi sinyal listrik bolak balik dengan menggunakan kapasitor sebagai media penyimpanan. Aplikasi inverter khususnya VSI digunakan untuk menggerakkan motor AC, sebagai pengatur tegangan keluaran generator induksi dan lain sebagainya. Dalam kenyatannya, bila rangkaian VSI dihubungkan dengan sistem dengan rangkaian yang membutuhkan frekuensi switching yang tinggi maka waktu yang dibutuhkan untuk simulasi akan lebih lama pula. Penyederhanaan model dari rangkaian VSI perlu dilakukan agar jika rangkaian VSI di hubungkan dengan rangkain yang memiliki kompleksitas yang tinggi atau rangkaian dengan pensaklaran yang tinggi maka waktu yang dibutuhkan menjadi lebih singkat. Salah satu metode untuk mempersingkat waktu simulasi adalah dengan merepresentasikan fenomena fisik dalam bentuk persamaan matematis yang disebut dengan permodelan. Dengan melihat tingkah laku dari elemen yang dominan adalah dasar pemikiran yang digunakan untuk membentuk model dari rangkaian VSI. Dari pemodelan ini kemudian dibentuklah average model dalam bentuk persamaan state space. Persamaan ini yang kemudian disebut average model dari VSI. Waktu simulasi yang lama diakibatkan oleh ripple dari pensaklaran maupun pada arus induktor dan gelombang tegangan keluaran VSI. Sehingga pada rangkain average model ripple pada pensaklaran dihilangkan dengan cara mengambil rata-rata setelah satu periode pensaklaran. Tujuan dari penggantian rangkaian VSI menjadi average model VSI adalah untuk mempersingkat waktu yang dibutuhkan untuk simulasi. Dalam tugas akhir ini akan dilakukan simulasi average model dari VSI yang dihubungkan dengan generator induksi. Kemudian akan dilakukan analisis pengaruh average model pada waktu yang digunakan untuk simulasi. II. AVERAGE MODEL VOLTAGE SOURCE INVERTER A. Voltage Source Inverter Berdasarkan media penyimpanan sementara inverter terbagi menjadi Voltage Source Inverter (VSI) dan Current Source Inverter (CSI). VSI menggunakan kapasitor sebagai media penyimpanan sebelum dihubungkan dengan rangkaian pensaklarannya sedangkan CSI menggunakan induktor sebagai media penyimpanan sementaranya. Salah satu aplikasi VSI adalah sebagai pengatur tegangan dan frekuensi pada generator induksi jenis SEIG. VSI dipasang paralel dengan generator dan beban. Fungsi lain dari VSI juga menyediakan daya reaktif yang digunakan untuk eksitasi pada generator induksi. Gambar 1. Voltage source inverter (VSI) B. Average Model Voltage Source Inverter Untuk membangun sebuah average model VSI adalah dengan membagi VSI menjadi beberapa bagian sesuai dengan fungsinya. Pembagian ini bertujuan agar batas antara rangkaian yang satu dengan yang lainnya lebih jelas dan sederhana. Perlu diperhatikan bahwa hanya variabel dengan independent state yang dicantumkan. Selain itu, persamaan dasar yang digunakan hanyalah KVL dan KCL.
2 3) Desain Rangkaian Induktor Persamaan 2 dan 4 yang telah didapatkan kemudian direpresentasikan dalam bentuk rangkaian permodelan yang ditunjukkan pada gambar 3. Dari gambar tersebut didapatkan persamaan tegangan berdasarkan KVL dengan arah loop dari arah kiri menuju arah kanan. Gambar 2. VSI tiga fasa dengan PWM sebagai pensaklaran Pembagian dari VSI ini dapat dilihat pada gambar 2 dimana VSI dibagi menjadi empat bagian berdasarkan fungsinya yaitu sumber DC, pensaklaran, induktor, dan beban. 1) Desain Sumber DC Sumbe DC memberikan daya yang mengalir menuju pensaklaran. Arus DC yang mengalir tersebut didefinisikan menjadi persamaan 1. dari persamaan tersebut didapatkan : [ ] [ ] = [ ] [ ] [ ] [ ] (1) Dimana S a, S b,dan S c adalah fungsi pensaklaran daria fasa a, fasa b, dan fasa c. Switching per fasa ini kemudian dirubah menjadi switching fasa-fasa yaitu S ab dan S bc. Dengan mengacu pada persamaan KCL yaitu penjumlahan i A, i B dan i C selalu nol. Dengan kata lain i A dan i B dikatakan dapat memenuhi informasi yang dibutuhkan oleh tiga variabel. 2) Desain Pensaklaran Persamaan model pensaklaran tiga fasa dengan PWM dapat didefinisikan sebagai persamaan tegangan. Sumber tegangan ini dihubungkan Δ sehingga persamaan matematika dapat didefinisikan sebagai berikut : [ ] [ ] [ ] [ ] (2) Berdasarkan persamaan dasar KCL dan KVL maka penjumlahan persamaan pensaklaran dan persamaan tegangan sama dengan nol. Pada gambar 2 terdapat tiga titik terminal yaitu a,b, dan c. Dengan mengambil titik terminal c sebagai titik referensi sehingga persamaan pensaklaran dapat diganti hanya dengan S ac.v dc (sama dengan S ac.v dc ) dan S bc.v dc. (3) Gambar 3. Rangkaian pemodelan dari arus induktor Sehingga didapatkan persamaan tegangan dari rangkaian pemodelan induktor sebagai berikut : (6) Dengan menerapkan persamaan arus sehingga didapatkan persamaan 7. [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] (7) Dengan diasumsikan bahwa { Sehingga persamaan 7 menjadi [ ] - [ - - ] [ ] - [ - - ] [ ] (8) Persamaan pemodelan matematis yang telah didapatkan dirubah menjadi persamaan average model dengan merubah persamaan yang telah ada dengan persamaan 9. ( ) ( ) (9) Dimana T adalah periode pensaklaran. Sehingga didapatkan persamaan arverage model untuk persamaan induktor adalah sebagai berikut : [ ] [ [ ] [ ] [ ] [ ] ] (10) Dengan hanya menggunakan pensaklarana line-to line sehingga persamaan matematis pada pensaklaran menjadi : [ ] [ ] (4) Dengan menerapkan hal yang sama pada rangakaian yang dihubungkan dengan beban yaitu dengan hanya menggunakan 2 persamaan line-to line pula, maka persamaan tegangan pada beban didapatkan persamaan 5. (5) Gambar 4. Model rangkaian induktor dari VSI
3 Arus i c yang pada awalnya dihilangkan karena diasumsikan bahwa dua arus saja sudah bisa mewakili dari informasi dari ketiga arus. Arus i A dan i B dimasukkan kembali kedalam persamaan 4. Sehingga didapatkan persamaan tegangan dari gambar 10 adalah sebagai berikut : [ ] [ ] (11) [ ] Dimana pemodelan matematis untuk d x, d y, dan d z adalah :[ ] [ ] [ ] (12) III. PENGATURAN KELUARAN GENERATOR INDUKSI DENGAN AVERAGE MODEL VOLTAGE SOURCE INVERTER A. Skematik Total Sistem VSI dipasang paralel dengan generator induksi. Sistem ini memiliki prime mover sebagai penggerak turbin generator. Prime mover ini dapat berupa turbin dari pembangkit listrik mikrohidro atau turbin pembangkit listrik lainnya dimana kecepatan yang dihasilkan selalu konstan. (13) P gen = Daya akif yang dihasilkan oleh generator P inv = Daya aktif yang dialirkan menuju inverter P L = Daya aktif yang dialirkan menuju beban Daya output total yang dihasilkan oleh generator adalah daya total yang dialirkan menuju beban dan daya yang dialirkan menuju inverter untuk diserap. Seri No 001321 IP 55 Hz 50 Rpm 1380 Tabel 2. Parameter mesin induksi Parameter Definisi Nilai Rs Resistansi stator 10.8 Ω Ls Induktansi stator 95.56 mh Rr Resistansi rotor 10.08 Ω Lr Induktansi rotor 95.56 mh Lm Induktansi Magnetisasi 0.61 H P Kutub 4 D. Pegaturan Tegangan pada Generator Induksi Pengaturan tegangan keluaran pada generator induksi menggunakan outer loop dan inner loop. Kedua controller ini berfungsi untuk mempertahankan tegangan keluaran generator yang stabil dengan menginjeksikan arus. Selain mengatur tegangan pada VSI,pengaturan tegangan ini juga mengatur pensaklaran pada inverter agar frekuensi yang dihasilkan adalah 50 Hz. 1. Outer Loop Untuk mendapatkan tegangan output yang konstan, maka arus yang diinjeksikan pada inverter harus diatur sedemikian rupa dengan controller agar tetap konstan. Metode yang digunakan oleh controller ini adalah membandingkan tegangan keluaran yang diinginkan (Vref) dengan tegangan actual(vact) dimana tegangan actual adalah tegangan output pada generator induksi. Dari perbandingan tersebut didapatkan error yang kemudian akan diproses oleh PI sehingga keluaran dari perbandingan ini akan dijadikan sebagai arus referensi pada outer loop. Gambar 6. Outer loop pengaturan tegangan generator induksi Gambar 5. Skematik pemasangan VSI pada generator induksi B. Prime Mover Agar generator berputar sehingga menghasilkan kecepatan maka dibutuhkan prime mover. Prime mover pada sistem ini adalah beban dengan kecepatan konstan. Prime mover bisa diasumsikan sebagai turbin pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro ataupun turbin pada pembangkit listrik lainnya yang memiliki kecepatan konstan. C. Parameter Generator Induksi Tabel 1. Rating Mesin Induksi Parameter Nilai Type EM802-4 Kw/HP 0,75/1 V 220/380 A 3,6/2,1 2. Inner Loop Tujuan utama dari controller ini adalah menghasilkan sinyal arus yang berbeda 120 0. Sinyal arus ini didapatkan dari perbandingan arus referensi dengan arus actual yang diukur dari output generator induksi. Sinyal referensi yang telah diperoleh dari inner loop kemudian dikalikan dengan sinyal sinusoidal yang berbeda fasa 120 0 satu sama lain. Sinyal sinusoidal ini akan mempengaruhi frekuensi dari generator induksi sehingga frekuensi dari sinyal sinusoidal ini diatur selalu 50Hz. Hasil dari perkalian antara sinyal sinusoidal dengan arus referensi ini kemudian dibandingkan dengan arus actual. Perbandingan ini menghasilkan error yang kemudian dikelola oleh PI sehingga menghasilkan sinyal pensaklaran yang mengatur agar frekuensi yang dihasilkan sistem selalu bernilai 50Hz. Gambar 7. Inner loop pengaturan tegangan generator induksi
4 2. Load Dump Bila daya yang dialirkan menuju beban lebih dari kebutuhan beban maka kelebihan daya akan disalurkan melalui inverter. Kelebihan daya ini kemudian akan dibuang melalui load dump. Kenaikan beban resistif mengakibatkan daya yang disalurkan menuju beban akan turun sehingga daya yang disalurkan menuju inverter akan naik. Pembuangan daya ini berupa pengaturan tegangan pada kapasitor di sisi DC sehingga tegangan yang dihasilkan oleh kapasitor akan selalu konstan. naik sedangkan arus sistem akan turun. Karena sistem ini diberi pengaturan arus sehingga tegangan generator akan tetap, maka tegangan akan berubah sesaat kemudian akan menyesuaikan kembali sesuai dengan tegangan referensi yang diberikan. Gambar 10 memperlihatkan tegangan dan arus mengalami kenaikan dan penurunan pada saat pengurangan beban yaitu ketika saat 1.5 detik kemudian akan kembali steady state. Gambar 8. Load dump di sisi DC IV. SIMULASI DAN ANALISIS 1) Parameter Simulasi Tabel 3. Parameter simulasi Outer Loop Current Control Inner Loop Current Control Parameter Pengaturan Load Dump PARAMETER NILAI K pact 0.006 K iact 0.01 V reff 380 V K pcc 4 K icc 0.001 I reff 1.44 Frekuensi sinyal 50 Hz sinusoidal V L-L Sinyal Sinusoidal 1 volt K pdc 1 K idc 0.05 V dcreff 450 Gambar 9. Hasil simulasi dengan beban konstan 2) Simulasi dengan Beban Konstan Pada bab ini dilakukan simulasi dengan beban resistif sebesar 500Ω yang dipasang paralel dengan sistem. Adapun yang dapat diamatii dari simulasi ini adalah tegangan di sisi DC bus, tegangan output generator dan arus yang mengalir di sisi inverter dan di sisi beban. 3) Simulasi dengan Beban Berkurang Dalam simulasi ini akan dilakukan analisis sistem terhadap perubahan beban. Perubahan beban dilakukan dengan cara menambahkan beban berupa beban resisitif yang dipasang seri sebesar 300Ω pada saat 1.5 detik. Sehingga beban total menjadi 800Ω. Adapun parameter yang dapat diamati adalah arus dan tegangan keluaran generator, tegangan DC bus yang terukur pada kapasitor, torsi dan daya aktif sistem. Perubahan beban akan berakibat pada perubahan arus pula. Bilabeban resistif dinaikkan, maka arus yang mengalir menuju beban akan berkurang. Seiring dengan turunnya arus maka daya yang mengalir menuju beban akan berkurang pula. Berkebalikan dengan arus yang mengalir pada beban, arus yang mengalir menuju inverter justru akan naik bila beban resistif dinaikkan. Pada gambar 10 terlihat pengurangan beban pada sistem dapat berakibat pada tegangan keluaran dari generator induksi. Ketik beban berkurang maka tegangan sistem akan Gambar 10. Hasil simulasi dengan beban berkurang 4) Simulasi dengan Beban Bertambah Gambar 11. Tegangan dan arus hasil simulasi dengan beban bertambah
5 Gambar 12. Daya dan tegangan pada kapasitor dengan beban bertambah Berkebalikan dengan ketika saat pengurangan beban, saat penambahan beban, daya yang mengalir menuju beban akan bertambah dan daya yang mengalir menuju inverter akan berkurang dengan syarat utama bahwa daya output dari generator konstan. Pada hasil simulasi menunjukkan tegangan DC awal sebesar 450 Volt. Kemudian saat 1.5 detik ketika terjadi penambahan beban, tegangan kapasitor pada sisi DC bus akan turun untuk sementara waktu sebelum pengontrol tegangan di sisi load dump bekerja dan menjadikan tegangan di DC bus kembali stabil sebesar 450 Volt. 4) Perbandingan Model Average model dan Model Detail Kelebihan dari sistem dengan average model adalah waktu yang ditempuh untuk simulasi lebih cepat dibandingkan dengan sistem yang menggunakan pemodelan detail. Pada simulasi ini dilakukan perbandingan dengan mensimulasikan 2 sistem yang sama dengan VSI yang berbeda. Pada sistem yang pertama, pengaturan tegangan dilakukan dengan permodelan detail dari VSI, sedangkan pada sistem yang kedua mengguanakan VSI yang telah dibentuk menjadi average model. Kedua sistem ini disimulasikan dengan beban yang sama yaitu sebesar 500Ω dan total time = 4.5 Detik. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software yang sama dan dengan komputer yang sama pula. Hasil simulasi pada gambar 12 menunjukkan arus yang terukur pada keluaran inverter. Arus yang terukur pada keluaran VSI tidak memiliki ripple arus sebesar yang dimiliki oleh sistem dengan pemodelan detail. Hal ini dikarenakan pensaklaran pada kedua sistem yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada gambar 13. Hal yang sama terjadi pada tegangan keluaran dari inverter. Pada gambar 13 terlihat bahwa arus keluaran dari inverter memiliki ripple sedangkan pada average model tidak ditemukan ripple tegangan meskipun tegangan yang dihasilkan sama senilan 380 Volt dengan frekuensi 50Hz. Gambar 12. Arus keluaran inverter dengan averge model pada saat beban konstan Gambar 13. Arus keluaran inverter pada sistem dengan pemodelan detail Hasil dari sistem dengan pemodelan detail memiliki ripple dari hasil pensaklaran yang berpengaruh terhadap waktu yang dibutuhkan simulasi. Dengan adanya average model ini waktu yang dibutuhkan untuk simulasi menjadi lebih singkat karena average model hanya mengambil rararata sebuah gelombang tanpa menyertakan ripple dari gelombang tersebut. Perbandingan waktu antara kedua sistem ini ditunjukkan pada tabel 4. detail saat beban konstan Tabel 4. Perbandingan waktu antara sistem dengan pemodelan detail dengan average model VSI WAKTU SIMULASI BEBAN Average Pemodelan Selisih Model Detail waktu Beban Konstan 1 menit 7 12 detik 55 detik (R = 500Ω) detik Beban Berkurang 1 menit 17 36 detik 41 detik (R 1 = 500Ω;R 2 = 800Ω) detik Beban Bertambah 1 menit 15 26 detik 49 detik (R 1 = 800Ω;R 2 = 500Ω) detik Dari perbandingan waktu antara simulasi dengan average model VSI dengan permodelan detail VSI didapatkan bahwa simulasi dengan average model lebih cepat dibandingkan dengan permodelan detail dengan selisih waktu rata-rata sebesar 47 detik. V. KESIMPULAN Dari simulasi dan analisis data yang telah dilakukan, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa : 1. Dengan menggunakan average model dari VSI, respon dinamika dari sistem dapat diamati, tetapi respon transien dalam sistem tidak dapat diamati karena average model menghilangkan respon transien dari sistem. 2. Simulasi dengan rangkaian average model membutuhkan waktu yang lebih singkat. Selisih waktu antara simulasi average model dengan pemodelan detail adalah sebesar 47 detik. VI. SARAN 1. Rangkaian average model ini digunakan untuk rangkaian beban seimbang saja. Untuk analisis selanjutnya dapat dilakukan simulasi untuk beban tidak seimbang pula. 2. Untuk kedepannya rangkaian dengan average model dapat pula diterapkan untuk beban non-linear. 3. Sistem ini dapat digunakan untuk sistem yang lebih kompleks seperti DFIG dengan input yang berubahubah.
6 DAFTAR PUSTAKA [1] Bambang Sujanarko., Metode Sinkronisasi Inverter Satu Fase Dengan Jaringan Listrik Yang Terdistorsi,TELKOMNIKA Vol. 8, No. 1, April 2010. [2] W. Hart, Daniel. Power Electronics, Valparaiso University, 2011. [3] Azmi,S.A., Ahmed,K.H, Finney,S.J. and Williams,B.W. Comparative Analysis Between Voltage And Current Source Inverters In Grid-Connected Application. IEEE. [4] Mohan, Ned,. Uneland.Tore. M, Robins.P, William., Power Electronics - Converter,Apllications and Design.,John Willey and Sons Inc. [5] Dong,Dong., Modeling and Control Design of a Bidirectional PWM Converter for Single-phase Energy Systems, Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University,May 6, 2009. [6] Boroyevi,Dushan., Modeling and Control of Three-Phase PWM Converter,The 2ndIEEE International Power & Energy Conference Johor Bahru, MALAYSIA,30 November 2008. [7] Wang,Runxin. Liu, Jinjun., Redefining a New-Formed Average Model for Three-Phase Boost Rectifiers/Voltage Source Inverters, IEEE, 2009. [8] Runxin Wang, Tianhao Tang, Jinjun Liu., Development and Validation of a Modularized Average Model for Three-Phase VSIs, IEEE,2009. [9] http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/22338/3/chapter%20i I.pdf [10] the staf f of Lab-Volt Ltd.2011., Principles Of Doubly-Fed Induction Generators (Dfig) Courseware Sample. Canada [11] http://abdoelrauf.blogspot.com/2012/05/pembangkit-listrik-tenagagelombang.html