TUGAS AKHIR PENGATURAN PITCH ANGLE TURBIN ANGIN BERBASIS KENDALI LOGIKA FUZZY (Aplikasi Pada Data Angin Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya) Diajukan untuk memenuhi persyaratan Menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh Emir Lutfi Pahlevi NIM: 110402041 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
Abstrak Perkembangan kebutuhan tenaga listrik terus meningkat. Hal ini meyebabkan perlunya pengembangan pemanfaatkan energi terbarukan. Salah satu sumber energi listrik ramah lingkungan adalah Turbin Angin. Terdapat beberapa metoda untuk meningkatkan efisiensi kerja turbin angin. Pitch Angle Control pada turbin angin (Wind Turbine) telah banyak digunakan untuk mengurangi torsi dan variasi daya keluaran saat kecepatan angin yang tinggi. Namun menggunakan kontrol ini untuk memaksimalkan daya yang terdapat pada energi angin juga merupakan pengaruh yang ditimbulkan dengan menambahkan kontrol pitch angle. Tulisan ini membahas tentang pengaturan pitch angle turbin angin dengan menggunakan Fuzzy Logic Controller (FLC) yang mana kontrol ini mempengaruhi koefisien performansi (Performance Coefficient) pada turbin angin. Penelitian ini menghasilkan dasar pengaturan kontrol yang mampu menghasilkan pembangkitan energi angin di Kota Medan khususnya daerah Tuntungan dan sekitarnya menjadi efektif dengan tetap menjaga keamanan kerja turbin angin. Hasil simulasi menunjukkan bahwa penambahan kendali logika fuzzy pada pengaturan sudut baling-baling turbin mampu meningkatkan efisiensi kerja turbin angin sebesar 11,9% dibandingkan saat menggunakan sudut tetap 10 o, dimana sudut tetap sebesar 10 o dianggap paling optimal untuk kondisi angin kota Medan. Kata kunci : Pitch Angle Control, Wind Turbine, FLC, Performance Coefficient i
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadiran Allah SWT, karena atas berkat rahmat dan ridho-nya Tugas Akhir ini dapat disusun dan diselesaikan. Tidak lupa juga shalawat beriring salam penulis haturkan kepada junjungan Nabi Besar Muhammad SAW. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah: PENGATURAN PITCH ANGLE TURBIN ANGIN BERBASIS KENDALI LOGIKA FUZZY Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa Ibunda (Prasetyanti Handayani) dan Ayahanda (Alm. Pahlevi Basyah) dan Abang tersayang (Mohammad Akbar Pahlevi) yang selalu memberikan semangat dan mendoakan penulis sepanjang hari dan mendukung penulis selama masa studi dan menyelesaikan Tugas Akhir ini. Selama masa kuliah hingga penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis juga banyak mendapatkan dukungan maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam kepada: 1. Ibu Syiska Yana, S.T., M.T., selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk selalu memberikan bantuan, bimbingan dan pengarahan kepada penulis selama perkuliahan hingga penyusunan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si., selaku Dosen Penguji Tugas Akhir, serta Dosen Wali penulis, dan selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir dan telah banyak memberikan motivasi dan pelajaran selama masa perkuliahan. ii
3. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T., selaku Dosen Penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir ini serta senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 4. Bapak Ir. Panusur S.M.L. Tobing, selaku Dosen Wali Penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 5. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik serta memberikan pengalaman hidup yang berharga selama masa perkuliahan kepada penulis. 6. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah membantu penulis dalam pengurusan administrasi. 7. Seluruh Keluarga Basyah dan Keluarga Senayan, khususnya Abua Sabri Basyah, Mami Asiah Basyah, Oom Youfi Basyah, Oom Ihsan, Aki Nies, Oom Wahyu, Oom Wawan, Tante Nina, Bang Haikal, Bang Irham dan Vita yang selalu memberikan bimbingan, motivasi dan doa kepada penulis untuk menjadi seorang yang bijak dan menjalani perkuliahan dari awal hingga selesai. 8. Abangnda Join Wanchanlin Sigalingging yang memberikan motivasi dan bantuan data dalam mengerjakan tugas akhir tentang turbin angin. 9. Sahabat-sahabat terbaik pemberi saran, motivasi, dukungan dan cerita yang sangat sering membantu penulis selama masa pengerjaan Tugas Akhir: Riko Pasaribu, Rizky Handalan, Yoshua Bangun, Canboy Doloksaribu, James Napitupulu, Alberth Sitorus, Josiah Suatan, Yosef Tarigan, Eric Khatio, Ferro Aritonang, Zein, Aspar, Bang Rio Gultom, Bang Sandy Simanjuntak, Bill Tarigan, Tidauccy, Sandro Panggabean. Dan teman-teman lama penulis: Rizqy Fauzi dan Rifqy Maulana. 10. Seluruh abang dan kakak senior serta adik-adik junior yang telah memberikan bantuan dan dukungan. 11. Semua pihak yang tidak dapat penulis tuliskan satu persatu. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih belum sempurna karena masih terdapat banyak kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya. Saran dan kritik dari pembaca untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. iii
Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat berguna bagi kita semua dan hanya kepada Allah SWT-lah penulis menyerahkan diri. Medan, November 2015 Penulis Emir Lutfi Pahlevi NIM: 110402041 iv
Daftar Isi Halaman Abstrak... i Kata Pengantar... ii Daftar Isi... v Daftar Gambar... vii Daftar Tabel... ix I. Pendahuluan... 1 I.1 Latar Belakang... 1 I.2 Tujuan... 5 I.3 Batasan Masalah... 5 I.4 Manfaat... 6 I.5 Luaran Tugas Akhir... 6 II. Tinjauan Pustaka... 7 2.1 Turbin Angin... 7 2.2 Pengontrolan Daya Turbin Angin... 17 2.2.1 Stall Control... 20 2.2.2 Pitch Control... 21 2.2.3 Active Stall Control... 22 2.3 Pitch Angle Control... 22 2.3.1 Proportional and Integral (PI) Controller... 26 2.3.2 Fuzzy Logic Controller... 28 III. Metode Penelitian... 33 3.1 Tempat dan Waktu... 33 3.2 Bahan dan Peralatan... 33 3.3 Variabel yang Diamati... 33 3.4 Prosedur Penelitian... 34 3.5 Metoda Kerja Kendali Pitch Angle Berbasis Logika Fuzzy... 37 v
IV. Simulasi Pengaturan Pitch Angle Turbin Angin Berbasis Kendali Logika Fuzzy... 40 4.1 Umum... 40 4.2 Pengaturan Pitch Angle Turbin Angin... 41 4.3 Rangkaian Simulasi... 51 4.4 Hasil Simulasi... 52 4.5 Perbandingan Kinerja Turbin Angin Dengan dan Tanpa Kendali Fuzzy... 55 4.6 Pengaturan Tegangan pada Turbin Angin... 59 V. Kesimpulan dan Saran... 67 3.1 Kesimpulan... 67 3.2 Saran... 68 Daftar Pustaka Lampiran vi
Daftar Gambar Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal... 9 Gambar 2.2 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Horizontal... 10 Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal... 15 Gambar 2.4 Skema Fixed-speed Wind Turbine... 16 Gambar 2.5 Skema Variable-Speed Wind Turbine... 17 Gambar 2.6 Karakteristik C p Vs dengan pitch angle... 19 Gambar 2.7 Pengaruh sudut pitch angle pada aerodinamika turbin... 23 Gambar 2.8 Cara kerja kontrol sudut baling-baling turbin angin... 23 Gambar 2.9 Diagram blok kontrol pitch angle... 27 Gambar 2.10 Strategi pengaturan pitch angle... 29 Gambar 2.11 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error)... 30 Gambar 2.12 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut)... 30 Gambar 2.13 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi P... 32 Gambar 2.14 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi... 32 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian... 34 Gambar 3.2 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy... 38 Gambar 3.3 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy... 38 Gambar 3.4 Diagram blok kontrol turbin angin berbasis logika fuzzy... 38 Gambar 3.5 Diagram alir kontrol turbin angin berbasis logika fuzzy... 39 Gambar 4.1 Blok diagram kontrol logika fuzzy pada turbin angin... 41 Gambar 4.2 Fungsi membership sinyal input pengendali fuzzy... 49 Gambar 4.3 Fungsi membership sinyal output pengendali fuzzy... 50 Gambar 4.4 Rangkaian simulasi kendali pitch angle turbin angin dengan logika fuzzy... 51 Gambar 4.5 Rangkaian simulasi sistem turbin angin secara keseluruhan dengan kendali logika fuzzy... 51 Gambar 4.6 Kecepatan Angin Simulasi... 52 Gambar 4.7 Pitch Angle turbin angin dengan kendali logika fuzzy... 52 Gambar 4.8 Daya mekanis turbin angin dengan kendali logika fuzzy... 53 vii
Gambar 4.9 Daya elektris generator turbin angin dengan kendali logika fuzzy... 53 Gambar 4.10 Tegangan output generator turbin dengan kendali logika fuzzy... 54 Gambar 4.11 Arus output generator turbin angin dengan kendali logika fuzzy... 54 Gambar 4.12 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 0 o... 55 Gambar 4.13 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 2 o... 56 Gambar 4.14 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 10 o... 57 Gambar 4.15 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 19 o... 58 Gambar 4.16 Tegangan dan arus keluaran generator turbin angin dengan kecepatan angin berubah dari 3 ke 4 dan 4 ke 5 m/s... 60 Gambar 4.17 Tegangan dan arus keluaran generator turbin angin dengan kecepatan angin berubah dari 5 ke 4 dan 4 ke 3 m/s... 61 Gambar 4.18 Hubungan antara tegangan keluaran generator turbin angin dan kecepatan angin... 61 Gambar 4.19 Kontrol tegangan pada sistem turbin angin... 62 Gambar 4.20 Rangkaian penyearah tegangan... 63 Gambar 4.21 Tegangan keluaran penyearah tegangan... 64 Gambar 4.22 Rangkaian buck-boost converter... 65 Gambar 4.23 Rangkaian inverter... 66 viii
Daftar Tabel Tabel 1.1 Kecepatan Angin Rata-Rata Daerah Medan Tuntungan... 1 Tabel 2.1 Dasar aturan untuk variasi besaran sudut... 30 Tabel 4.1 Hubungan Besaran Sudut Baling-Baling Turbin Angin dengan Kecepatan Angin... 49 Tabel 4.2 Peraturan-peraturan dasar kendali pitch angle turbin angin... 50 ix