ABSTRAK Sistem tenaga listrik yang baik merupakan suatu sistem yang dapat melayani permintaan beban secara berkelanjutan serta tegangan dan frekuensinya stabil. Kondisi sistem yang stabil sebenarnya tidak pernah ada. Adanya perubahan pemakaian tenaga listrik pasti terjadi dalam sistem. Perubahan pemakaian tenaga listrik yang selalu berubah dari waktu ke waktu dapat menyebabkan frekuensi listrik menjadi tidak stabil. Pengaturan frekuensi pada sistem pembangkit PLTG tergantung pada penyediaan daya aktif dalam sistem. Pengaturan daya aktif ini dilakukan dengan mengatur besarnya kopel penggerak generator. Pengaturan ini dilakukan dengan menambah atau mengurangi jumlah energi primer (bahan bakar) dan dilakukan pada governor. Governor yang digunakan pada setiap unit generator Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) berfungsi sebagai pengatur jumlah bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran (combuster). Hasil pembakaran pada combuster berupa gas yang digunakan sebagai pemutar turbin gas. Fungsi utama pengaturan putara turbin gas adalah untuk menjaga kestabilan sistem keseluruhan terhadap adanya variasi beban atau gangguan pada sistem. Simulasi dalam studi analisis governor sebagai load frequency control pada PLTG menggunakan fuzzy logic controller. Simulasi dilakukan dengan memberikan 4 jenis pembebanan, yaitu sebesar 0,1 pu, 0,2 pu, 0,3 pu dan 0,4 pu. Simulasi dilakukan untuk membandingkan output respon frekuensi dinamik dan waktu kestabilan yang dihasilkan menggunakan fuzzy logic controller dengan metode konvensional. Berdasarkan hasil analisis simulasi dengan menggunakan metode konvensional bila ada gangguan 0,1 pu menghasilkan output respon respon frekuensi dinamik dalam keadaan steady state yaitu 49,86 Hz, waktu kestabilan pada area 1 yaitu 8,5 detik dan pada area 2 yaitu 9 detik. Governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller bila ada gangguan 0,1 pu menghasilkan output respon frekuensi dinamik dalam keadaan steady state yaitu 49,89 Hz, waktu kestabilan pada area 1 yaitu 5,9 detik dan pada area 2 yaitu 7,1 detik. Hal ini membuktikan penggunaan fuzzy logic controller menghasilkan output respon frekuensi dinamik dalam keadaan steady state yang lebih baik dan waktu kestabilan yang lebih cepat dibandingkan metode konvensional. Kata kunci : Governor, load frequency control, fuzzy logic controller vi
ABSTRACT Good power systems is a system that can serve the load demand in a sustainable and stable voltage and frequency. Condition stable system that actually never existed. The change of power consumption must happen in the system. Changes in electric power consumption are always changing from time to time can cause electrical frequency becomes unstable. Setting the frequency of the power plant generating systems depend on the provision of active power in the system. Active power control is done by adjusting the amount of coupling drive the generator. This is done by adding or reducing the amount of primary energy (fuel) and performed on the governor. Governor used on each unit generator Gas Power Plant (power plant) to function as a regulator of the amount of fuel that goes into the combustion chamber (combustors). Combustion in combustors is a gas that is used as a gas turbine players. The main function of the gas turbine arrangement rounds is to maintain the stability of the entire system for the presence of load variations or disturbances in the system. Simulations in the study analysis governor as load frequency control in a power plant using fuzzy logic controller. Simulations done by providing four types of loading, load type is 0,1 pu, 0,2 pu, 0,3 pu and 0,4 pu. The simulation was performed to compare the output frequency response and dynamic stability of the resulting time using fuzzy logic controller with conventional methods. Based on the results of the simulation analysis using the conventional method when there is interference 0.1 pu produces output dynamic response of the frequency response in a steady state that is 49.86 Hz, the time stability of the area 1 is 8.5 seconds and the second area is 9 seconds. Governor as load frequency control using fuzzy logic controller when there is interference 0.1 pu generate dynamic output frequency response in a steady state that is 49.89 Hz, the time stability of the area 1 is 5.9 seconds and the second area is 7.1 seconds, This proves the use of fuzzy logic controller generates dynamic output frequency response in a steady state is better and more stability times faster than conventional methods. Keywords : Governor, load frequency control, fuzzy logic controller vii
DAFTAR ISI JUDUL... i LEMBAR PERSYARATAN GELAR... ii LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS... iii LEMBAR PENGESAHAN... iv UCAPAN TERIMAKASIH... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR SINGKATAN... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan... 2 1.4 Manfaat... 3 1.5 Batasan Masalah... 3 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Mutakhir... 4 2.2 Tinjauan Pustaka... 6 2.2.1 Pembangkit Tenaga Listrik Gas (PLTG)... 6 2.2.2 Governor... 6 2.2.3 Kestabilan Sistem Tenaga Listrik... 7 2.2.3.1 Kestabilan Keadaan Tetap (Steady State Stability). 8 2.2.3.2 Kestabilan Dinamis (Dynamic Stability)... 9 2.2.3.3 Kestabilan Peralihan (Transient Stability)... 10 2.2.4 Sistem Pengendalian Daya Akitif dan Frekuensi... 11 2.2.5 Model Pengendalian Daya Aktif dan Frekuensi... 12 viii
2.2.5.1 Persamaan Ayunan... 13 2.2.5.2 Model Generator... 17 2.2.5.3 Model Beban... 18 2.2.5.4 Model Penggerak Mula... 20 2.2.5.5 Pemodelan Governor... 20 2.2.6 Logika Fuzzy (Fuzzy Logic)... 22 2.2.6.1 Penggunaan Fuzzy Logic... 22 2.2.6.2 Himpunan Logika Fuzzy (Fuzzy Logic)... 23 2.2.6.3 Fuzzy Set Operation... 25 2.2.6.4 Fungsi Keanggotaan (Membership Function)... 26 2.2.6.5 Cara Kerja Kontrol Logika Fuzzy (Fuzzy Logic)... 29 2.2.6.6 Metode Mamdani... 30 2.2.7 Load Frequency Control (LFC) Interkoneksi Dua Area... 32 2.2.8 Karakteristik Respon Waktu... 35 2.2.9 Single Machine Infinite Bus (SMIB)... 36 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 38 3.2 Data Penelitian... 38 3.2.1 Sumber Data... 38 3.2.2 Jenis Data... 38 3.3 Tahapan Penelitian... 39 3.4 Pemodelan... 40 3.5 Alur Penelitian... 42 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Governor sebagai Load Frequency Control pada PLTG... 43 4.2 Pemodelan Governor sebagai Load Frequency Control pada PLTG... 44 4.2.1 Pemodelan Governor sebagai Load Frequency Control pada PLTG menggunakan Metode Konvensional... 44 4.2.1.1 Penambahan Beban 0.2 pu... 49 4.2.1.2 Penambahan Beban 0.3 pu... 54 ix
4.2.1.3 Penambahan Beban 0.4 pu... 59 4.2.2 Pemodelan Governor sebagai Load Frequency Control pada PLTG menggunakan Fuzzy Logic Controller... 64 4.2.3 Membership Function Governor sebagai Load Frequency Control... 65 4.2.4 Rule Base Governor sebagai Load Frequency Control... 68 4.2.5 Fuzzy Inference Governor sebagai Load Frequency Control... 71 4.2.6 Defuzzifikasi Governor sebagai Load Frequency Control... 72 4.2.7 Simulasi Governor sebagai Load Frequency Control... 73 4.2.7.1 Penambahan Beban 0.2 pu... 78 4.2.7.2 Penambahan Beban 0.3 pu... 83 4.2.7.3 Penambahan Beban 0.4 pu... 88 4.3 Perbandingan Respon Dinamik... 93 BAB IV PENUTUP 5.1 Simpulan... 100 5.2 Saran... 101 DAFTAR PUSTAKA... 103 x
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Membership function input area control error (ACE)... 67 Tabel 4.2 Membership function input deviasi area control error ( ACE)... 68 Tabel 4.3 Membership function output nilai frekuensi... 69 Tabel 4.4 Rule base governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller... 73 Tabel 4.5 Perbandingan respon dinamik load frequency control Area 1... 95 Tabel 4.6 Perbandingan respon dinamik load frequency control Area 2... 98 xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Diagram Blok Load Frekuensi Control pada Sebuah Generator... 12 Gambar 2.2 Representasi Suatu Rotor Mesin yang Membandingkan Arah Perputaran Serta Momen Putar Mekanis dan Ektrisis Untuk (a) Generator dan (b) Motor... 14 Gambar 2.3 Representasi Sudut Rotor Generator Terhadap Refrensi Sinkron... 15 Gambar 2.4 Diagram Blok Model Generator... 18 Gambar 2.5 Diagram Blok Beban (Load)... 19 Gambar 2.6 Diagram Blok Penggerak Mula... 20 Gambar 2.7 Diagram Blok Model Governor... 21 Gambar 2.8 Kurva Representasi Linier Naik... 27 Gambar 2.9 Kurva Representasi Linier Turun... 27 Gambar 2.10 Kurva Representasi Segitiga... 28 Gambar 2.11 Kurva Representasi Trapesium... 28 Gambar 2.12 Proses Fuzzy Inference System... 30 Gambar 2.13 Model Linier Sistem Interkoneksi Dua Area... 32 Gambar 2.14 Kurva Respon Karakteristik Waktu... 36 Gambar 2.15 Single machine terhubung ke sistem besar melalui jalur transmisi... 37 Gambar 3.1 Pemodelan Governor... 40 Gambar 3.2 Pemodelan Turbine... 40 Gambar 3.3 Pemodelan Generator dan Pemodelan Beban (Load)... 41 Gambar 3.4 Pemodelan Fuzzy Logic Controller... 41 Gambar 3.5 Pemodelan Governor sebagai Load Frequency Control menggunakan Fuzzy Logic Controller... 41 Gambar 3.6 Diagram Alir Alur Penelitian... 42 Gambar 4.1 Blok Diagram Governor sebagai Load Frequency Control pada PLTG... 43 xii
Gambar 4.2 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan metode konvensional PI Kontroler... 45 Gambar 4.3 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1... 46 Gambar 4.4 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 47 Gambar 4.5 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2... 48 Gambar 4.6 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 49 Gambar 4.7 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan metode konvensional PI Kontroler dengan beban 0.2 pu... 49 Gambar 4.8 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan beban 0.2 pu... 51 Gambar 4.9 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 51 Gambar 4.10 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan beban 0.2 pu... 52 Gambar 4.11 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 53 Gambar 4.12 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan metode konvensional PI Kontroler dengan beban 0.3 pu... 54 Gambar 4.13 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan beban 0.3 pu... 56 Gambar 4.14 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 56 Gambar 4.15 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan beban 0.3 pu... 57 Gambar 4.16 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 58 Gambar 4.17 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan metode konvensional PI Kontroler dengan beban 0.4 pu... 59 Gambar 4.18 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan beban 0.4 pu... 61 Gambar 4.19 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 61 xiii
Gambar 4.20 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan beban 0.4 pu... 62 Gambar 4.21 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 63 Gambar 4.22 Blok Diagram Fuzzy Logic Controller pada Load Frequency Control... 64 Gambar 4.23 Membership Function Load Frequency Control... 64 Gambar 4.24 Membership Function Input 1 Area Control Error (ACE)... 66 Gambar 4.25 Membership Function Input 2 Deviasi Area Control Error ( ACE)... 67 Gambar 4.26 Membershp Function Output Hasil Frekuensi... 68 Gambar 4.27 Rule Base 5 Membership Function Governor sebagai Load Frequency Control menggunakan Fuzzy Logic Controller... 71 Gambar 4.28 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan Fuzzy Logic Controller... 73 Gambar 4.29 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1... 75 Gambar 4.30 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 75 Gambar 4.31 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2... 76 Gambar 4.32 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 77 Gambar 4.33 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan Fuzzy Logic Controller dengan beban 0.2 pu... 78 Gambar 4.34 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan beban 0.2 pu... 80 Gambar 4.35 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 80 Gambar 4.36 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan beban 0.2 pu... 81 Gambar 4.37 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 82 Gambar 4.38 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan Fuzzy Logic xiv
Controller dengan beban 0.3 pu... 83 Gambar 4.39 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan beban 0.3 pu... 85 Gambar 4.40 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 85 Gambar 4.41 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan beban 0.3 pu... 86 Gambar 4.42 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 87 Gambar 4.43 Hasil Running Simulasi Governor sebagai load frequency control menggunakan Fuzzy Logic Controller dengan beban 0.4 pu... 88 Gambar 4.44 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan beban 0.4 pu... 90 Gambar 4.45 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 1. 90 Gambar 4.46 Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan beban 0.4 pu... 91 Gambar 4.47 Peak time, Overshoot, dan %Error Steady State Area 2. 92 Gambar 4.48 Perbandingan Respon Dinamik Load Frequency Control Area 1 dengan gangguan beban (a) 0.1 pu (b) 0.2 pu (c) 0.3 pu (d) 0.4 pu... 93 Gambar 4.49 Perbandingan Respon Dinamik Load Frequency Control Area 2 dengan gangguan beban (a) 0.1 pu (b) 0.2 pu (c) 0.3 pu (d) 0.4 pu... 97 xv
DAFTAR SINGKATAN ACE AI AVR CoA FLC I D K LFC N NB NM P P PLN PLTG PB PM SMIB ZE = Area Control Error = Artificial Intelegence = Automatic Voltage Regulator = Centre of Area = Fuzzy Logic Controller = Integral = Derivactive = Konvensional = Load Frequency Control = Negative = Negative Big = Negative Medium = Positive = Proposional = Perusahaan Listrik Negara = Pembangkit Listrik Tenaga Gas = Positive Big = Positive Medium = Single Machine infinite Bus = Zero xvi
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Jadwal Kegiatan... 104 Lampiran 2 Simulink governor sebagai load frequency control menggunakan metode konvensional PI controller... 105 Lampiran 3 Simulink governor debagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller... 106 xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sistem tenaga listrik yang baik merupakan suatu sistem yang dapat melayani permintaan beban secara berkelanjutan serta tegangan dan frekuensinya stabil. Kondisi sistem yang stabil sebenarnya tidak pernah ada. Adanya perubahan pemakaian tenaga listrik pasti terjadi dalam sistem. Perubahan pemakaian tenaga listrik yang selalu berubah dari waktu ke waktu dapat menyebabkan frekuensi listrik menjadi tidak stabil. Frekuensi listrik yang tidak stabil akan mengakibatkan perputaran motor listrik sebagai penggerak mesin-mesin produksi di industri manufaktur juga tidak stabil, dimana hal ini akan mengganggu proses produksi. Terutama pada industri tekstil yang mengharuskan agar frekuensi listrik selalu dalam keadaan stabil. Maka untuk mempertahankan frekuensi tetap dalam batas toleransi yang diijinkan yaitu ±2% dari frekuensi nominal 50 Hz (Buku aturan jaringan PLN Jawa- Madura-Bali 2007) dilakukan dengan cara penyediaan daya aktif dalam sistem harus disesuaikan dengan kebutuhan beban. Penyesuaian daya aktif ini dilakukan dengan mengatur besarnya kopel penggerak generator. Pengaturan ini dilakukan dengan menambah atau mengurangi jumlah energi primer (bahan bakar) dan dilakukan pada governor. Governor yang digunakan pada setiap unit generator Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) berfungsi sebagai pengatur frekuensi dengan cara mengatur jumlah bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran (combuster) yang menerima sinyal dari perubahan frekuensi listrik. Bila beban listrik naik maka frekuensi akan turun, sehingga governor harus memperbesar masukan bahan bakar ke mesin penggerak utama untuk menaikan frekuensinya sampai dengan frekuensi listrik kembali ke normalnya. Sebaliknya bila beban listrik turun maka frekuensi akan naik, governor mesin-mesin pembangkit harus mengurangi masukan bahan bakar ke mesin penggerak utama untuk menurunkan frekuensinya sampai dengan frekuensi listrik kembali ke normalnya. 1
2 Saat ini berbagai usaha dan metode telah digunakan oleh para ahli untuk menjaga kestabilan khususnya terkait dengan masalah perubahan frekuensi yang tergantung kebutuhan beban listrik yang selalu berubah dari waktu ke waktu. Berbagai usaha ini dimulai dari desain kontroler metode konvensional dalam load frequency control. Penggunaan metode konvensional pada load frequency control dapat menambah kontoler P (proposional), I (integral), dan D (derivactive) dalam sistem. Berkembangnya pemodelan modern terdapat metode kecerdasan buatan atau Artificial Intelegence (AI), metode ini meliputi fuzzy logic, neural network, genetic algorithm, dan lain sebagainya. Metode yang akan digunakan penulis pada skripsi ini adalah fuzzy logic untuk menganalisis governor sebagai load frequency control yang bertujuan menampilkan hasil simulasi kerja governor untuk menjaga variasi frekuensi pada pengoperasian pembangkit listrik tenaga gas (PLTG). 1.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang yang telah dipaparkan di atas, permasalahan yang diperoleh pada skripsi ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana membuat pemodelan governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller? 2. Bagaimana mensimulasikan fungsi governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller? 3. Bagaimana menganalisis unjuk kerja governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller? 1.3 Tujuan Dari rumusan masalah di atas, tujuan penulisan pada pembuatan skripsi ini adalah sebagai berikut: 1. Untuk membuat pemodelan governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller. 2. Untuk mensimulasikan fungsi governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller.
3 3. Untuk menganalisis unjuk kerja governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller. 1.4 Manfaat Manfaat penulisan skripsi ini adalah dapat mengetahui tentang pemodelan dan simulasi governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller. Diharapkan dari hasil simulasi governor sebagai load frequency control menggunakan fuzzy logic controller ini dapat diperlihatkan unjuk kerja dari governor untuk menjaga variasi frekuensi pada pengoperasian pembangkit listrik tenaga gas (PLTG). 1.5 Batasan Masalah Batasan masalah yang dibuat penulis dalam membuat skripsi ini adalah : 1. Mesin ini diasumsikan sebagai Single Machine Infinity Bus (SMIB). 2. Simulasi sistem menggunakan Matlab. 3. Pemodelan hanya menggunakan dua unit pembangkit PLTG. 4. Pemodelan ini diasumsikan sistem dalam keadaan stabilitas dinamis. 5. Simulasi ini akan diberikan beban sebesar 0.1 pu, 0.2 pu, 0.3 pu dan 0.4 pu.