Desain Filter Aktif dengan Skema Fuzzy Logic Controller Untuk Mereduksi Harmonisa

DESAIN FILTER AKTIF DENGAN SKEMA FUZZY LOGIC

CONTROLLER UNTUK MEREDUKSI HARMONISA

OLEH

IRFANDI NU’MAN DANI

127034014

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2014

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

Irfandi Nu’man Dani

127034014/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Telah diuji Pada

Tanggal : 09 Juni 2014

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si

2. Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D 3. Dr. Eng Ariadi Hazmi

Judul Tesis : DESAIN FILTER AKTIF DENGAN SKEMA FUZZY LOGIC CONTROLLER UNTUK MEREDUKSI HARMONISA

Nama Mahasiswa : Irfandi Nu’man Dani Nomor Induk : 127034014

Program Studi : Magister (S2) Teknik Elektro

Bidang Keahlian : Teknik Energi Listrik / Kualitas Daya

Menyetujui,

Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai) Ketua

(Dr. Marwan Ramli,M,Si) Anggota

Sekretaris Program Studi,

(Drs. Hasdari Helmi, MT)

Dekan Fakultas Teknik,

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Program Studi : Magister (S2) Tenik Elektro

ABSTRAK

Desain filter aktif paralel menggunakan inverter tiga tingkat dengan skema fuzzy logic controller (FLC) untuk meredam harmonisa. Penggunaan Multilevel Inverter (MLI) tiga tingkat pada filter aktif shunt mempunyai keuntungan pada distorsi harmonisa yang rendah dan mengurangi stress switching. Dari hasil simulasi diperoleh filter aktif shunt tiga tingkat mampu mereduksi harmonisa arus dan tegangan di sisi sumber, THDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar 26,16% dan

dapat diturunkan menjadi 2,42%. Sedangkan THDv berhasil di reduksi dari 0,45%

menjadi 0,17%. Harmonisa orde ke lima merupakan komponen harmonisa yang paling mengganggu, dimana nilai IHDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar

21,44% menjadi 1,2% setelah pemasangan filter aktif. Kata Kunci: MLI, FLC, THDi, THDv, IHDi

active filter has its own advantage in the distortion of low harmonics and reduces the current and voltage of harmonics in the side of the source. THDi in the prior of filter

installment is 26,16% and can be reduced to 2,42%. Meanwhile, THDv can be

reduced from 0,45% to 0,17%. The fifth order harmonics is the most disturbing harmonics component in which the value of IHDi prior to filter installment, is 21,44%

and becomes 1,2% after the installment of active filter.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada kehadirat Allah SWT, atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis ini. Penulisan tesis ini dilakukan untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan. Tesis ini

berjudul ”Desain Filter Aktif dengan Skema Fuzzy Logic Controller Untuk

Mereduksi Harmonisa”.

Penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga dan perhargaan setinggi-tingginya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si sebagai Pembimbing atas segala bimbingan, saran dan nasehatnya selama penelitian dan selama penulisan tesis ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang memberi kesempatan menjadi mahasiswa Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

Sekretaris dan Sekretariat serta seluruh Staf Pengajar Program Studi Magister Teknik Elektro atas bantuan dan kontribusinya dalam peneyelesaian tesis ini. Semua teman kuliah Teknik Elektro bidang Kualitas Daya Program Pascasarjana terutama angkatan 2012, yang memberi masukan kepada peneliti sejak awal kuliah sampai selesainya penelitian untuk tesis ini. Orang tua di Malang dan Tegal, Istri tercinta dan

Harapan penulis kiranya tesis dapat bermanfaat bagi banyak pihak. Dengan menyadari bahwa penulisan tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat kontsruktif dalam rangka penyempurnaan tesis ini

Pematang Siantar, Juni 2014 Penulis,

DAFTAR ISI ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... i ii iii

DAFTAR ISI... v

DAFTAR GAMBAR... vii

DAFTAR TABEL... x

DAFTAR SINGKATAN... xi

BAB I PENDAHULUAN... 1

1.1 Latar belakang... 1

1.2 Perumusan masalah... 6

1.3 Tujuan penelitian... 7

1.4 Batasan masalah... 7

1.5 Manfaat penelitian... 8

1.6 Sistematika penulisan... 8

BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 10

2.1 Harmonisa... 10

2.2 Total Harmonic Distortion... 13

2.3 Filter pasif... 14

2.4 Filter aktif... 15

2.4.1 Inverter... 17

2.4.2 Controller... 18

2.5 Multilevel Inverter... 18

2.6 Transformasi p-q... 26

2.6.1 Low Pass Filter... 26

2.6.2 Implementasi transformasi Park... 28

2.7 Fuzzy Logic Control... 30

2.7.1 Proses fuzzifikasi ... 32

2.9.4 Blok FLC Controller... 45

2.9.5 Transformasi pq... 51

2.9.6 Hysteresis Controller... 53

2.9.7 Multilevel Inverter... 54

BAB III METODE PENELITIAN... 55

3.1 Parameter simulasi... 56

3.2 Hasil simulasi sebelum dipasang filter... 59

3.3 Hasil simulasi setelah dipasang filter... 63

3.3.1 Skenario FLC 5 fungsi keanggotaan... 64

3.3.2 Skenario FLC 7 fungsi keanggotaan... 70

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 75

4.1 Sebelum dipasang filter... 75

4.2 Setelah dipasang filter... 78

4.2.1 Skenario FLC 5 Fungsi Keanggotaan... 78

4.2.2 Skenario FLC 7 Fungsi Keanggotaan... 83

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 89

5.1 Kesimpulan... 89

5.2 Saran... 90

DAFTAR GAMBAR

Nomor Penjelasan Halaman

2.1 Distorsi gelombang harmonisa ... 8

2.2 Konfigurasi inverter VSI... 17

2.3 Konfigurasi inverter CSI... 18

2.4 Inverter dua level satu fasa (kiri) dan gelombang keluaran (kanan)... 19

2.5 Tegangan keluaran PWM (hijau), gelombang referensi (berwarna biru) ... 19

2.6 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 3 tingkat ... 20

2.7 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 5 tingkat ... 20

2.8 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 7 tingkat ... 21

2.9 Klasifikasi topologi Cascade Multilevel Inverter ... 22

2.10 Topologi Multilevel Inverter Diode-Clamped... 23

2.11 Topologi Multilevel Inverter Flying-Capacitor……... 25

2.12 Respon magnitude LPF... 27

2.13 Proses transformasi pq... 29

2.14 Diagram Fuzzy untuk pemodelan controller pada filter ... 31

2.15 Representasi linier naik... 33

2.16 Representasi linier turun... 34

2.17 Kurva segitiga... 35

2.22 Pemodelan impedansi saluran... 44

2.23 Pemodelan beban... 45

2.24 Feature Fuzzy Inference System pada Matlab... 46

2.25 Matlab FIS Editor... 48

2.26 Lima membership function FIS Editor... 49

2.27 Tujuh membership function FIS Editor... 51

2.28 Diagram blok untuk transformasi pq ... 52

2.29 Diagram blok untuk histeresis controll ... 53

2.30 Implementasi Multilevel Inverter tiga tingkat topologi Dioda-Clamp... 54

3.1 Diagram garis sistem dengan filter aktif paralel ... 55

3.2 Arus sebelum pemasangan filter aktif (a) fasa R (b) fasa S dan (c) fasa T... 60

3.3 THDi sebelum pemasangan filter aktif... 60

3.4 Tegangan sebelum pemasangan filter (a) Fasa R (b) Fasa S (c) Fasa T... 61

3.5 THDv sebelum pemasangan filter aktif... 62

3.6 (a) Tegangan di sisi beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi sumber... 63

3.7 Gelombang arus dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan (a) Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T... 64

3.8 THDi dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 65

3.9 Gelombang tegangan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan

(a)Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T... 66 3.10 THDv dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 67

3.11 (a) Tegangan beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi

sumber…... 68 3.12 (a) Arus harmonisa (b) Arus APF FLC 5 Fungsi

Keanggotaan... 69 3.13 Gelombang arus dengan filter aktif FLC 7 fungsi keanggotaan

(a) Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T... 70 3.14 THDi dengan filter aktif FLC 7 fungsi

keanggotaan... 71 3.15 Gelombang tegangan filter aktif FLC 7 fungsi keanggotaan (a)

Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T... 72 3.16 THDv dengan filter aktif FLC 7 fungsi

keanggotaan... 73 3.17 (a) Tegangan beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi

sumber... 74 3.18 (a) Arus harmonisa (b) Arus APF FLC 7 fungsi

keanggotaan... 74 4.1 Perbandingan nilai IHDV sebelum dan sesudah pemasangan

filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 80 4.2 Perbandingan nilai IHDI sebelum dan sesudah pemasangan

filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan... 82 4.3 Perbandingan nilai IHDv sebelum dan sesudah pemasangan

filter aktif... 84 4.4 Perbandingan nilai IHDI sebelum dan sesudah pemasangan

2.1 Batas harmonisa tegangan sesuai standar IEEE 519-1992... 13

2.2 Batas harmonisa arus sesuai standar IEEE519-1992... 14

2.3 Aplikasi filter aktif tergantung pada permasalahan kualitas daya... 16

2.4 Kombinasi switch untuk menghasilkan variasi tegangan keluaran 24 2.5 Aturan set fuzzy untuk 5 fungsi keanggotaan... 47

2.6 Aturan set fuzzy untuk 7 fungsi keanggotaan... 50

3.1 Parameter simulasi dengan Matlab... 56

4.1 IHDV sebelum pemasangan filter aktif`... 76

4.2 IHDI sebelum pemasangan filter aktif... 77

4.3 Hasil simulasi beban sebelum pemasangan filter... 78

4.4 IHDV setelah pemasangan filter aktif FLC 5 Level... 79

4.5 IHDI setelah pemasangan filter aktif FLC 5 Level... 81

4.6 Hasil simulasi filter FLC 5 dengan Multilevel Inverter... 82

4.7 IHDV setelah pemasangan filter aktif FLC 7 Level... 83

4.8 IHDI setelah pemasangan filter aktif FLC 7 Level... 85

4.9 Hasil simulasi filter FLC 7 dengan Multilevel Inverter... 87

DAFTAR SINGKATAN

CSI : Current Source Inverter FIS : Fuzzy Inference System FFT : Fast Fourier Transform FLC : Fuzzy Logic Controller

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor

IHD : Individual Harmonic Distortion PI : Proportional Integral

PCC : Point Common Coupling

PID : Proportional Integral Derivative

PWM : Pulse Width Modulation

THDv : Total Harmonic Distortion Voltage

THDi : Total Harmonic Distortion Current

Inverter (MLI) tiga tingkat pada filter aktif shunt mempunyai keuntungan pada distorsi harmonisa yang rendah dan mengurangi stress switching. Dari hasil simulasi diperoleh filter aktif shunt tiga tingkat mampu mereduksi harmonisa arus dan tegangan di sisi sumber, THDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar 26,16% dan

dapat diturunkan menjadi 2,42%. Sedangkan THDv berhasil di reduksi dari 0,45%

menjadi 0,17%. Harmonisa orde ke lima merupakan komponen harmonisa yang paling mengganggu, dimana nilai IHDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar

21,44% menjadi 1,2% setelah pemasangan filter aktif. Kata Kunci: MLI, FLC, THDi, THDv, IHDi

ABSTRACT

The design for shunt active filter with Multi Level Inverter (MLI) using Fuzzy Logic Controller (FLC) to reduce harmonics. The use of three level inverter shunt active filter has its own advantage in the distortion of low harmonics and reduces the current and voltage of harmonics in the side of the source. THDi in the prior of filter

installment is 26,16% and can be reduced to 2,42%. Meanwhile, THDv can be

reduced from 0,45% to 0,17%. The fifth order harmonics is the most disturbing harmonics component in which the value of IHDi prior to filter installment, is 21,44%

and becomes 1,2% after the installment of active filter.

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

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 bermacam-macam masih terus dikembangkan, akan tetapi masih terdapat banyak kerumitan pada rangkaian. Karena kemampuan metode kontrol ini yang akan sangat mempengaruhi

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 triangular, Simulasi: Matlab/Simulink 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

triangular, Load (R, DC Motor, Motor Induksi), Simulasi

Matlab/Simulink

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: Matlab/Simulink

Dari hasil simulasi filter aktif bisa mereduksi THDi

sampai dibawah 2 persen dan respon transient sekitar 0.01 detik

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 triangular, Simulasi Matlab/Simulink 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 triangular, Trapezoid, Gbell, Gauss, membership 7, Simulasi: Matlab/Simulink

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 triangular, Simulasi:

Matlab/Simulink

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

triangular, Simulasi

Matlab/Simulink

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

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.

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

Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah dilakukan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban tidak linier. Bentuk gelombang keluaran beban linier memiliki arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Pada beban tidak linier, bentuk gelombang keluaran tidak sebanding dengan tegangan masuk sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya.

2.1 Harmonisa

Beban tidak linier sekarang ini sudah tidak bisa dihindari lagi pemakaiannya dalam sistem tenaga listrik. Banyak industri yang memanfaatkan konverter dengan thyristor dan rectifier, ataupun peralatan rumah tangga yang memanfaatkan komponen seperti dioda, thyristor dan sebagainya. Beban-beban tersebut dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang arus maupun tegangan. Distorsi gelombang ini biasa disebut dengan harmonisa yang dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Adanya harmonisa dapat menimbulkan permasalahan antara lain faktor daya rendah, overheating, dan dapat meningkatkan rugi-rugi energi [1,2]. Harmonisa juga dapat menurunkan kualitas sistem tenaga listrik yang dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan lain pada instalasi. Oleh karena itu, pemakaian filter sedapat mungkin dapat mereduksi harmonisa masuk ke dalam jaringan.

Gambar 2.1 Distorsi gelombang harmonisa

Banyak usaha telah dilakukan untuk menyelesaikan masalah peredaman harmonisa, antara lain menggunakan filter pasif dan filter aktif. Filter pasif sering digunakan karena biaya pembuatan yang rendah dan strukturnya yang sederhana. Kelemahan filter ini tidak dapat menyelesaikan masalah yang ditimbulkan oleh variasi acak dari bentuk gelombang pada beban karena filter ini biasanya ditala pada frekuensi tertentu. Filter ini menghasilkan resonansi seri dan paralel dengan impedansi sumber [1].

Parameter untuk mengukur harmonisa ada dua yaitu, THDv (dalam persen)

menunjukkan persentase jumlah total tegangan yang terdistrosi oleh harmonisa, dan THDi (dalam persen) menunjukkan prosentase jumlah total arus yang terdistrosi oleh

harmonisa. Untuk menghitung kedua hal tersebut dapat menggunakan Persamaan (2.1) dan (2.2).

12

... (2.1)

...(2.2) Dengan:

Vh : Tegangan harmonisa. Vs : Tegangan sistem Ih : Arus harmonisa Isc : Arus hubung singkat h : Harmonisa ke-n Ii : Arus beban tidak linier

Total Harmonic Distortion (THDi) untuk arus didefinisikan dengan Persamaan (2.3):

√∑ ...,... (2.3)

Dengan:

Ih = Komponen harmonisa arus ke-h I1= Arus frekuensi fundamental (rms)

THDv untuk tegangan didefinisikan dengan Persamaan (2.4):

√∑

... (2.4)

Dengan:

Vh = Komponen harmonisa tegangan ke-h V1= Tegangan frekuensi fundamental (rms)

Standar THD Arus dan THD Tegangan yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan standar IEEE 519 - 1992.

2.2 Total Harmonic Distortion

Menurut Standar IEEE 519 – 1992, untuk total harmonic distortion tegangan diperlihatkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Batas harmonisa tegangan sesuai standar IEEE 519-1992

Bus Voltage at PCC Individual Voltage Distortion (%) THD (%)

Kurang dari 69 kV 3,0 5,0

69,001 kV s/d 161 kV 1,5 2,5

Lebih dari 161,001 kV 1,0 1,5

Sementara itu, untuk harmonisa arus dapat dilihat pada Tabel 2.2. Semua peralatan sistam tenaga dibatasi sesuai dengan besar distorsi arus tersebut. Dengan ISC

14

adalah arus maksimum hubung singkat PCC (Point Common Coupling) dan IL adalah arus maksimum permintaan beban (komponen frekuensi fundamental) di PCC.

Tabel 2.2 Batas harmonisa arus sesuai standar IEEE519-1992

Maximun Harmonic Current Distortion in Percent of IL

ISC/IL

Individual Harmonic Order (Odd Harmonic)

< 11 11 ≤ h ≤ 17 17 ≤ h ≤ 23 23 ≤ h ≤ 35 35 ≤ h THD (%)

< 20 4 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

20 – 50 7 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0

50 – 100 10 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0

100 –

1000 12 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

>1000 15 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

2.3 Filter Pasif

Efek distorsi gelombang sinusoidal pada sistem menyebabkan terjadinya resonansi. Adanya kapasitor pada jaringan sistem tegangan rendah yang biasanya dipakai untuk memperbaiki faktor daya, dapat menimbulkan resonansi pada sistem lokal yang diikuti dengan naiknya arus yang sangat besar yang merugikan kapasitor itu sendiri. Resonansi pada sistem dibagi 2 yaitu resonansi paralel dan resonansi seri.

a. Resonansi Seri

Impedansi total pada frekuensi resonansi sangat kecil sehingga komponen sirkuit hanya mengandung resistansi dan harga arus akan sangat besar pada frekuensi tersebut. Pada kondisi resonansi seri, arus kapasitor yang tinggi dapat mengalir untuk tegangan harmonisa yang relatif kecil.

b. Resonansi Paralel

Impedansi total pada frekuensi resonansi sangat besar (secara teoritis cenderung tidak terhingga). Kondisi ini dapat menghasilkan tegangan lebih yang besar di antara elemen hubungan paralel walaupun pada arus harmonisa kecil. Resonansi paralel dapat terjadi pada beberapa kondisi seperti ketika sebuah kapasitor dihubungkan pada busbar yang sama dengan sumber harmonisa. Dengan asumsi bahwa sumber harmonisa bersifat induktif.

Untuk menentukan keluaran filter pasif, inverter terlebih dahulu ditala pada salah satu frekuensi biasanya pada frekuensi harmonisa ketiga atau harmonisa kelima (tergantung orde mana yang dominan) untuk menentukan kualitas dari filter (Q).

2.4 Filter Aktif

Filter aktif adalah perangkat elektronik yang bisa memperbaiki kualitas daya yang dikirimkan dari sumber ke beban. Konsep filter aktif shunt adalah bekerja

16

dengan menyuntikan arus yang berlawanan fasanya dengan arus harmonisa pada sistem sehingga mengurangi distorsi harmonisa pada sistem tenaga listrik. Tabel 2.3 menunjukkan beberapa aplikasi filter aktif sesuai dengan permasalahan kualitas daya.

Tabel 2.3 Aplikasi filter aktif tergantung pada permasalahan kualitas daya Konfigurasi

Filter

Efek Beban terhadap Suplai Arus Bolak Balik

Efek Suplai Arus Bolak-Balik terhadap Beban

Shunt

- Memfilter Arus Harmonisa - Kompensasi Arus Reaktif - Arus Tak Seimbang - Flicker Tegangan

Seri

- Memfilter Arus Harmonisa - Kompensasi Arus Reaktif - Arus Tak Seimbang - Tegangan Flicker - Tegangan tak seimbang

- Tegangan Sag/Swell - Tegangan Tak Seimbang - Distorsi Tegangan - Tegangan Notching - Tegangan Flicker

Seri –Shunt

- Filter Arus Harmonisa - Kompensasi Arus Reaktif

- Arus Tak Seimbang - Tegangan Flicker - Tegangan tak seimbang

- Tegangan Sag/Swell - Tegangan Tak Seimbang

- Distorsi Tegangan - Notching Tegangan - Tegangan Flicker

Sekurang-kurangnya komponen utama yang terdapat pada filter aktif adalah inverter dan controller [3].

2.4.1 Inverter

Definisi secara umum dari inverter adalah peralatan elektronika daya yang berfungsi mengubah tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Tipe inverter ada dua jenis yaitu inverter sumber tegangan (VSI) dan inverter sumber arus (CSI). Pada konfigurasi inverter VSI terdapat tegangan sumber Vs dan kapasitor Cd yang digunakan sebagai sumber dari thyristor seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2.

a

n

Vs

Cd

1

3

4

2

+

-Gambar 2.2 Konfigurasi inverter VSI

Tipe VSI ini sering digunakan karena implementasinya yang mudah dan murah serta memiliki performansi yang cukup baik. Sementara itu, untuk inverter CSI pada dc bus dilengkapi dengan induktor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.3.

18

a

n

Vs

1

3

4

2

+

-Gambar 2.3 Konfigurasi inverter CSI

2.4.1 Controller

Controller digunakan dalam rangkaian filter aktif sebagai pembangkit sinyal yang dipakai untuk menyalakan atau mematikan inverter. Komponen ini memegang peranan sangat penting di dalam implementasi filter aktif, karena ketika fungsi controll ini tidak bekerja dengan baik maka otomatis performansi filter aktif menjadi tidak maksimal. Kemungkinan terburuk adalah filter justru menambah masalah.

2.5 Multilevel Inverter

Pada awalnya inverter konvensional memiliki konfigurasi dua tingkat untuk menghasilkan tegangan AC dari tegangan DC seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4. Dua tingkat inverter hanya bisa membangkitkan dua level tegangan output untuk beban, yaitu Vdc/2 atau -Vdc/2.

Gambar 2.4 Inverter dua level satu fasa (kiri) dan gelombang keluaran (kanan)

Untuk membangkitkan keluaran tegangan AC dua tingkat seperti pada Gambar 2.5, biasanya dilakukan dengan memodulasi lebar pulsa atau lebih dikenal dengan PWM (Pulse Width Modulation). Metode ini efektif dalam menghasilkan gelombang keluaran tetapi terdapat distorsi harmonik pada tegangan keuarannya. Hal ini mungkin tidak selalu menjadi masalah, tetapi untuk beberapa aplikasi tertentu dibutuhkan distorsi rendah dalam output tegangan [12].

20

Konsep Multilevel Inverter (MLI) untuk menghasilkan sinyal AC tidak hanya bergantung pada dua tingkat tegangan. Beberapa tingkat tegangan dapat ditambahkan untuk menciptakan gelombang yang semakin halus, dengan menghasilkan distorsi harmonisa yang rendah. Gambar 2.6 menunjukkan tegangan keluaran untuk tiga tingkat, dan Gambar 2.7 untuk lima tingkat.

Gambar 2.6 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 3 tingkat

Pada Gambar 2.8 yang merupakan tegangan untuk level tujuh tingkat, terlihat semakin banyak level tegangan yang dihasilkan maka gelombang akan semakin mendekati sinusoidal. Akan tetapi dengan berbagai tingkatan tersebut desain akan menjadi lebih rumit, lebih banyak komponen dan metode kontrol lebih sulit.

Gambar 2.8 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 7 tingkat

Ada beberapa fitur menarik dalam multilevel inverter yaitu dengan tingkat frekuensi yang lebih rendah maka tingkat stress komponen juga bisa dihindari.. Berikut keuntungan menggunakan multilevel inverter [12,13]:

1. Multilevel Inverter dapat menghasilkan tegangan keluaran dengan distorsi yang sangat rendah

2. Multilevel Inverter dapat menghasilkan arus masukan dengan distorsi yang sangat rendah.

3. Multilevel Inverter menghasilkan lebih kecil tegangan common-mode (CM), sehingga mengurangi stres.

22

4. Multilevel Inverter dapat beroperasi dengan frekuensi switching yang lebih rendah

Ada berbagai topologi multilevel inverter yang telah diusulkan beberapa tahun terakhir seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9 [13]. Berikutnya akan lebih difokuskan pembahasan untuk Multilevel Inverter dengan sumber DC yang simetris, sesuai dengan yang digunakan pada tesis ini.

A. Diode Clamped Connected

Topologi multilevel inverter yang paling umum digunakan adalah

“diode clamped connected”, yaitu dioda digunakan sebagai perangkat untuk menjepit tegangan bus DC sehingga mencapai level output voltage.

Gambar 2.9 Klasifikasi topologi Cascade Multilevel Inverter Cascade Multilevel Inverter Berdasarkan Koneksi H-Bridges Koneksi

Bintang Koneksi Delta

Berdasarkan Sumber DC Sumber DC Asimetris Sumber DC Simetris H-Bridge Connected Flying Capacitor Connected Diode Clamped Connected

Beberapa kebutuhan komponen inverter tingkat n adalah:

a. Sumber tegangan (bisa berupa kapasitor) = (n - 1)

b. Perangkat switching (berupa relay) = 2 (n - 1)

c. Dioda = (n - 1) (n - 2)

Dengan meningkatnya jumlah level tegangan, kualitas tegangan keluaran menjadi lebih dekat dengan gelombang sinusoidal. Gambar 2.10 menunjukkan topologi diode-clamped tiga tingkat (a) dimana bus DC terdiri dari dua kapasitor, yaitu C1 dan C2. Tegangan di setiap kapasitor terpasang sebesar VDC / 2.

Gambar 2.10 Topologi Multilevel InverterDiode-Clamped

Untuk menjelaskan bagaimana level tegangan dibangkitkan, titik netral n dianggap sebagai keluaran fasa titik referensi tegangan. Kombinasi komponen switch bisa dilihat pada Tabel 2.4.

24

Tabel 2.4 Kombinasi switch untuk menghasilkan variasi tegangan keluaran Level Voutput S1 S2 S1’ S2’

1 Vdc/2 1 1 0 1

0 0 0 1 1 0

-1 -Vdc/2 0 0 1 1

Untuk menentukan nilai dari VD bisa digunakan Persamaan 2.5 [14].

...(2.5)

Dengan:

m = nilai tingkat inverter

k = konstanta dari 1 sampai (m-1) Vdc = Tegangan DC link

B. H-Bridge Cascaded Multilevel Inverter

Konsep inverter ini adalah menghubungkan inverter H-bridge secara seri untuk mendapatkan tegangan keluaran. Tegangan keluaran adalah jumlah dari tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing tingkat. Jumlah tersebut merupakan tegangan output tingkat 2n +1, dengan n adalah jumlah tingkat.

Salah satu keuntungan dari jenis inverter multilevel ini adalah

mengurangi jumlah komponen dibandingkan dengan diode-clamp maupun

C. Multilevel Inverter Flying Capacitor

Struktur inverter ini mirip dengan diode-clamped, bedanya adalah komponen dioda digantikan oleh kapasitor seperti pada Gambar 2.11. Inverter n-level akan membutuhkan:

a. Kapasitor untuk masing-masing fasa = (n - 1) × (n - 2) / 2

b. Kapasitor utama = (n - 1)

Jika dibandingkan dengan metode diode clamp, jumlah kapasitor pada type ini jauh lebih banyak karena komponen untuk dioda digantikan oleh kapasitor. Lain halnya untuk sumber tegangan membutuhkan jumlah komponen yang sama yaitu sebesar n-1.

26

2.6 Transformasi p-q

Filtering merupakan suatu proses untuk mendapatkan sinyal arus harmonisa dengan cara memfilter sinyal arus dan tegangan pada sistem. Sinyal arus dan tegangan pada sistem memiliki dua komponen yaitu sinyal fundamental pada frekuensi 50 Hz dan sinyal harmonisa dengan frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental sistem. Untuk mengidentifikasi harmonisa arus digunakan p-q theory [8,9,15].

2.6.1 Low Pass Filter

Filter adalah adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi tertentu dan pada saat yang bersamaan melemahkan sinyal yang diluar frekuensi tersebut. Pengertian lain dari filter adalah rangkaian pemilih frekuensi agar dapat melewatkan frekuensi yang diinginkan dan menahan atau membuang (by pass) frekuensi lainnya. Adapun jenis filter antara lain adalah Low Pass Filter (LPF), jenis filter yang melewatkan frekuensi rendah serta meredam/menahan frekuensi tinggi. Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan Gambar 2.12.

Selain LPF masih ada beberapa tipe dari filter tergantung dari kebutuhan dan fungsi masing-masing filter, misalnya High Pass Filter (melewatkan frekuensi tinggi dan meredam frekuensi yang rendah), Band Pass Filter, atau Band Stop Filter. Pemilihan konfigurasi filter tersebut

Gambar 2.12 Respon magnitudo LPF

LPF digunakan untuk membatasi frekuensi paling tinggi dari suatu sinyal. LPF akan melewatkan frekuensi rendah atau dengan kata lain LPF akan memberikan tegangan keluaran yang konstan dari DC hingga frekuensi cutoff (frekuensi 0,707 atau frekuensi -3dB). Area frekuensi LPF dapat dibagi menjadi tiga. Pertama, area perpanjangan passband dari 0 sampai frekuensi tepi passband nya (fpass). Kedua, area perpanjangan stopband dari frekuensi tepi stopband (fstop) sampai tak terbatas. Kemudian yang ketiga adalah daerah transisi antara keduanya, antara fpass dan fstop.

Pada tesis ini digunakan LPF dengan frekuensi yang dilewatkan adalah sebesar 50Hz, sedangkan frekuensi yang lebih tinggi (harmonisanya) di tahan. Sedangkan orde yang digunakan adalah bernilai 5, orde ini berkaitan dengan

28

tingkat kecuraman dari filter. Semakin kecil nilainya (misalnya satu) maka filter akan semakin curam dan semakin besar nilainya akan semakin landai.

2.6.2 Implementasi transformasi Park

Tranformasi Park secara matematik biasanya digunakan pada mesin sinkron 3 fasa yaitu untuk menyerderhanakan transformasi variabel tertentu dari sistem 3 fasa abc ke sumbu dq0. Variabel tersebut biasanya berupa arus, tegangan atau fluks linkage dalam bentuk variabel aktual kumparan stator. Kuantitas baru didapatkan dari proyeksi variabel aktual pada ketiga sumbu sepanjang sumbu direct kumparan rotor yang disebut sumbu direct (d), dan sepanjang sumbu netral kumparan medan yang disebut sumbu quadrature atau disebut sumbu stasioner. Untuk memudahkan biasanya sumbu fasa a dianggap sebagai fasa referensi dan pergeseran sudut fasa referensi disebut θ.

Park transformasi (dq) adalah untuk menyederhanakan transformasi semua kuantitas stator dari sumbu abc yang diubah kedalam referensi variabel baru yang disebut rotor. Jika kita mempunyai 3 variabel ia, ib dan ic maka kita perlu menggunakan 3 variabel baru sehingga dengan transformasi Park menjadi 2 variabel baru yaitu variabel komponen id dan iq dan variabel komponen ketiganya atau i0 adalah arus stationer yang sebanding dengan arus urutan nol. Untuk ketiga fasa yang seimbang sumbu nol biasanya dianggap nol. Gambar 2.13 adalah pemodelan persamaan untuk proyeksi perkalian

Perhitungan p dan q Perhitungan Arus Referensi Low Pass Filter

ic1 ic2 ic3 vs1 vs2 vs3 i_ref1 i_ref2 i_ref3

p q qh ph

Gambar 2.13 Proses transformasi pq

Tegangan sumber (Vs1, Vs2, Vs3) dan arus sumber (ic1, ic2, ic3) ditransformasikan menjadi sistem bi-phase menurut Persamaan (2.6):

[ _{] √} [ _{√ √} ] [ ]

...(2.6)

Daya aktif dan daya reaktif sesaat pada sistem dihitung berdasarkan Persamaan (2.7):

30

Setelah itu, untuk mendapatkan arus referensi harmonisa dilakukan transformasi sesuai dengan Persamaan (2.8):

[ _] [ _{] [} ̃ _̃] ... (2.8)

Untuk mendapatkan arus referensi harmonisa yang sesungguhnya, maka arus harmonisa dalam sistem biphase harus ditransformasikan dengan invers dari transformasi α-β, dimana ditunjukkan pada Persamaan (2.9):

[ ] √

[

√ √

]

[ _] ...(2.9)

2.7 Fuzzy Logic Control

Gambar 2.14 merupakan Fuzzy Logic Controller (FLC) sebagai alternatif sistem kendali modern yang mudah karena tidak perlu dicari model matematis dari suatu sistem, tetapi tetap efektif karena memiliki respon sistem yang stabil. Logika fuzzy berfungsi untuk mewakili sesuatu yang tidak pasti dan tidak tepat dari sistem, sedangkan kontrol fuzzy memungkinkan untuk mengambil keputusan walaupun input atau output dari sistem tidak pasti dan tidak dapat diperkirakan.

Gambar 2.14 Diagram Fuzzy untuk pemodelan controller pada filter

Beberapa alasan penggunaan logika fuzzy antara lain [16,17] : a. Konsep logika fuzzy mudah dimengerti.

b. Logika fuzzy sangat fleksibel.

c. Logika fuzzy memiliki toleransi terhadap data yang tidak tepat. d. Logika fuzzy mampu memodelkan fungsi tidak linier yang kompleks.

e. Logika fuzzy dapat bekerjasama dengan teknik-teknik kendali secara konvensional.

Fuzzy logic controll adalah evaluasi seperangkat aturan linguistic sederhana untuk menentukan aksi controll. Untuk mengembangkan aturan logika fuzzy, diperlukan pemahaman yang baik pada pengendalian proses dan keluaran. Logika fuzzy tidak memerlukan pemodelan matematis yang rumit, yang diperlukan hanya pemetaan dari masukan dan keluaran.

32

2.7.1 Proses Fuzzifikasi

Sebelum dilakukan proses fuzzifikasi, perlu diketahui beberapa istilah untuk mempermudah memahami sistem fuzzy.

a. Fungsi Keanggotaan

Fungsi keanggotaan adalah suatu kurva yang menunjukkan pemetaan titik-titik input data ke dalam nilai keanggotaannya (sering juga disebut derajat keanggotaan) yang memiliki interval antara 0 sampai 1.

b. Tinggi Himpunan Fuzzy dan Normalisasi

Tinggi himpunan fuzzy adalah derajat keanggotaan maksimumnya dan terikat pada konsep normalisasi. Dengan adanya konsep normalisasi ini didapatkan nilai maksimal untuk derajat keanggotaannya bernilai satu, dan derajat paling kecil bernilai nol.

c. Domain Himpunan Fuzzy

Merupakan keseluruhan nilai yang diijinkan dalam semesta pembicaraan. Domain merupakan himpunan bilangan real yang senantiasa naik (bertambah) secara monoton dari kiri ke kenan. Nilai domain dapat berupa bilangan positif maupun negatif.

d. Himpunan Penyokong

Terkadang bagian tidak nol dari suatu himpunan fuzzy tidak ditampilkan dalam domain, himpunan ini sering disebut dengan himpunan

Setelah kita mengetahui himpunan fuzzy, maka kita juga harus tahu bagaimana himpunan fuzzy tersebut merepresentasikan pengetahuan. Ada beberapa model yang bisa digunakan dalam pembentukan proses fuzzifikasi

1. Representasi Linier

Pada representasi linier seperti pada Gambar 2.15, pemetaan input ke derajat keanggotaannya digambarkan sebagai suatu garis lurus. Bentuk ini paling sederhana dan menjadi pilihan yang baik untuk mendekati suatu konsep yang kurang jelas.

Ada 2 keadaan himpunan fuzzy yang linier. Pertama, kenaikan himpunan dimulai pada nilai domain yang memiliki derajat keanggotaan nol (0) bergerak ke kanan menuju ke nilai domain yang memiliki derajat keanggotaan lebih tinggi.

34

Fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Persamaan (2.10):

... (2.10)

Himpunan fuzzy yang linier kedua merupakan kebalikan dari yang pertama seperti terlihat pada Gambar 2.16. Garis lurus dimulai dari nilai domain dengan derajat keanggotaan tertinggi pada sisi kiri, kemudian bergerak menurun ke nilai domain yang memiliki derajat keanggotaan lebih rendah.

.

Gambar 2.16 Representasi linier turun Fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Persamaan (2.11):

2. Representasi Kurva Segitiga

Kurva segitiga pada dasarnya adalah gabungan antara 2 garis (linier) seperti terlihat pada Gambar 2.17.

Gambar 2.17 Kurva segitiga

Fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Persamaan (2.12):

... (2.12)

3. Representasi Kurva Trapesium

Gambar 2.18 adalah kurva trapesium, yang pada dasarnya seperti bentuk segitiga, hanya saja ada titik yang memiliki nilai keanggotaan satu. Oleh sebab itu, ada beberapa fungsi keanggotaan yang bernilai satu, tidak

36

seperti pada kurva segitiga yang hanya mempunyai satu titik yang bernilai satu.

Gambar 2.18 Kurva trapesium

2.7.2 Pembentukan aturan

Setiap aturan (proposisi) pada basis pengetahuan fuzzy akan berhubungan dengan suatu relasi fuzzy. Ada 2 jenis proposisi fuzzy, yaitu:

a. Conditional Fuzzy Proposition

Jenis ini ditandai dengan penggunaan pernyataan IF. Secara umum dapat diekspresikan

IF x is A THEN y is B

Dengan x dan y adalah skalar, sedangkan A dan B adalah variable linguistic. Proposisi yang mengikuti IF disebut sebagai anteseden, sedangkan proposisi yang mengikuti THEN disebut konsekuen.

Proposisi ini dapat diperluas dengan menggunakan penghubung fuzzy, seperti:

IF (x1 is A1) • (x2 is A2) • …… • (xN is AN) THEN y is B

Dengan (•) adalah operator (misal: OR atau AND)

Apabila suatu proposisi menggunakan bentuk terkondisi, maka ada 2 fungsi implikasi yang dapat digunakan, yaitu:

1. Min (minimum). Fungsi ini akan memotong keluaran himpunan fuzzy.

2. Dot (product). Fungsi ini akan menskala keluaran himpunan fuzzy.

b. Unconditional Fuzzy Proposition

Jenis ini ditandai dengan tidak digunakannya pernyataan IF. Secara umum dapat diekspresikan:

x is A

Dengan x adalah skalar, dan A adalah variable linguistic.

Proposisi yang tidak terkondisi selalu diaplikasikan dengan model AND, tergantung pada bagaimana proposisi tersebut diaplikasikan, bisa membatasi daerah output, bisa juga mendefinisikan default daerah solusi (jika tidak ada aturan terkondisi yang dieksekusi).

38

Apabila sistem terdiri dari beberapa aturan, maka inferensi diperoleh dari kumpulan dan korelasi antar aturan. Ada 3 metode yang digunakan dalam melakukan inferensi sistem fuzzy, yaitu: max (maximum), additive dan probabilistic-OR (probor).

1. Metode Max (maximum)

Pada metode ini, solusi himpunan fuzzy diperoleh dengan cara mengambil nilai maksimum aturan, kemudian menggunakannya untuk memodifikasi daerah fuzzy, dan mengaplikasikannya ke keluaran dengan menggunakan operator OR (union). Jika semua proposisi telah dievaluasi, maka keluaran akan berisi suatu himpunan fuzzy yang merefleksikan kontribusi dari tiap-tiap proposisi. Secara umum dapat dituliskan:

[ ] [ ] [ ]

Dengan:

[ ] nilai keanggotaan solusi fuzzy sampai aturan ke –i; [ ] nilai keanggotaan konsekuen fuzzy aturan ke –i ;

2. Metode Additive (sum)

Pada metode ini, solusi himpunan fuzzy diperoleh dengan cara melakukan bounded-sum terhadap semua output daerah fuzzy. Secara umum persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut:

[ ] [ ] [ ]

Dengan:

[ ] nilai keanggotaan solusi fuzzy sampai aturan ke – i; [ ] nilai keanggotan konsekuen fuzzy aturan ke – i ;

3. Metode Probabilistik-OR

Pada metode ini, solusi himpunan fuzzy diperoleh dengan cara melakukan product terhadap semua output daerah fuzzy. Secara umum dituliskan sebagai berikut:

[ ] ( [ ] [ ]) [ ] [ ]

Dengan:

[ ] nilai keanggotaan solusi fuzzy sampai aturan ke –i; [ ] nilai keanggotan konsekuen fuzzy aturan ke –i ;

2.7.3 Proses Defuzzifikasi

Input dari proses defuzzifikasi adalah suatu himpunan fuzzy yang diperoleh dari komposisi aturan fuzzy, sedangkan output yang dihasilkan merupakan suatu bilangan pada domain himpunan fuzzy tersebut. Apabila

40

diberikan suatu himpunan fuzzy dalam range tertentu, maka harus dapat diambil suatu nilai crisp tertentu sebagai keluaran.

Ada beberapa metode defuzzifikasi pada komposisi aturan MAMDANI, antara lain:

a. Metode Centroid (Composite Moment)

Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil titik pusat daerah fuzzy. Secara umum dirumuskan pada Persamaan (2.13) dan (2.14):

∫

∫ ... (2.13)

Atau:

∑

∑ ... (2.14)

Ada 2 keuntungan menggunakan metode centroid, yaitu:

1. Nilai defuzzy akan bergerak secara halus sehingga perubahan dari suatu topologi himpunan fuzzy juga akan berjalan dengan halus

2. Perhitungan yang sederhana dan mudah

b. Metode Bisektor

Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai pada domain fuzzy yang memiliki nilai keanggotaan setengah dari

jumlah total nilai keanggotaan pada daerah fuzzy. Secara umum dapat dituliskan seperti pada Persamaan (2.15):

∫ ∫ ...(2.15) c. Metode Mean of Maximum

Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai rata-rata domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal.

d. Metode Largest of Maximum

Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai terbesar dari domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal. e. Metode Smallest of Maximum

Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai terkecil dari domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal.

2.8 Desain Sistem

Pada Gambar 2.19, sumber yang dibebani oleh sistem baik yang linier maupun tidak linier terdiri dari arus fundamental dan harmonisa, yaitu IS_A, IS_B, IS_C.

Gelombang tersebut akan diproses dengan menggunakan transformasi pq, sehingga akan didapatkan komponen fundamental dan juga komponen harmonisanya. Setelah didapatkan komponen harmonisanya, kemudian diproses dengan menjumlahkan arus yang diinjeksikan oleh filter (closed loop). Fuzzy logic controller sendiri digunakan untuk mempertahankan nilai tegangan yang berubah, dimana output dari fuzzy ini

42

akan diolah oleh blok hysteresis controll untuk menghasilkan pulsa. Pulsa ini yang berfungsi untuk menyalakan atau mematikan switch dari inverter 3 tingkat.

TRANSFORMASI pq

HISTERESIS INVERTER TIGA TINGKAT IS_A IS_B IS_C

Ih_A Ih_B Ih_C

Pulse eI_C

eI_B

eI_A

Iinj_B

Iinj_A Iinj_C

SUMBER + + + BEBAN LINEAR BEBAN NON LINEAR - - -FUZZY LOGIC CONTROLLER

Gambar 2.19 Prinsip algoritma filter aktif

Arus yang dihasilkan dari inverter tiga tingkat besarnya sama dengan arus harmonisa tetapi berlawanan fasa, sehingga nantinya bisa saling menghilangkan. Kalau tidak ada arus harmonisa yang timbul, error yang dihasilkan juga akan bernilai nol. Sehingga arus yang di injeksikan juga akan bernilai nol.

a. Pemodelan Sistem Menggunakan Matlab

Simulasi sistem dengan menggunakan Software Matlab. Berikut adalah pemodelan simulasi seperti pada Gambar 2.20.

Gambar 2.20 Pemodelan simulasi tanpa filter

2.9.1 Sumber

Gambar 2.21 merupakan model dari sumber 3 fasa yang merupakan sumber dari beban yang akan di supply. Frekuensi 50 Hz dengan nilai RMS (root mean square) tegangan sebesar 400 Volt. Dimana kondisi dianggap setimbang untuk masing-masing fasa dengan beban dalam kondisi steady state. Untuk beban nya sendiri diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu beban yang sifatnya linier dan beban yang tidak linier. Pemodelan dari masing-masing beban tersebut diambil dari data-data yang ada di jurnal referensi, bukan dari hasil pengukuran.

44

Gambar 2.21 Pemodelan sumber 3 fasa

2.9.2 Impedansi saluran

Gambar 2.22 merupakan pemodelan impedansi saluran, dimana parameter yang harus diisikan adalah resistansi (Ohm) dan induktansi (H).

2.9.3 Pemodelan Beban Tidak Linier

Gambar 2.23 adalah pemodelan beban tidak linier yang diwakili dengan komponen dioda. Parameter beban tidak linear diambil dari referensi [18].

Gambar 2.23 Pemodelan beban

2.9.4 Blok FLC Controller

Matlab sendiri menyediakan block untuk membuat sistem inferensi fuzzy (FIS) bernama Fuzzy Logic Toolbox (FLT) seperti pada Gambar 2.24. FLT memiliki 5 jenis GUI (Graphic User Interface) untuk merancang FIS:

1. FIS Editor merupakan jendela bagi sistem fuzzy yang akan dibuat. 2. Membership Function Editor berfungsi untuk membentuk variabel

dari masukan yang akan kita konversi ke himpunan fuzzy.

I_load 2 V _load 1 c 3 b 2 a 1 Zt A B C A B C

V-I meas .1 Vabc Iabc A B C a b c v + -v + -v + -V M v + -A B C a b c A B C a b c Id 1 i + -Ic 3 i + -Ib 3 i + -Ia 3 i + -Id

46

Gambar 2.24 FeatureFuzzy Inference System pada Matlab

3. Rule Editor digunakan untuk membentuk aturan dari masukan dan keluaran yang diinginkan.

4. Rule Viewer berguna untuk membentuk visualisasi dari aturan yang sudah kita buat pada rule editor.

5. Surface Viewer adalah gambaran berbentuk 3 dimensi yang bisa menunjukkan aturan dan fungsi keanggotaan yang sudah dibuat.

Fuzzy logic controller yang digunakan menggunakan beberapa mekanisme sebagi berikut:

b. Fungsi keanggotaan menggunakan metode segitiga dan trapesium sebagai himpunan penyokong

c. Inferensi fuzzy menggunakan mekanisme Mamdani d. Proses defuzifikasi menggunakan metode centroid

Tabel 2.5 menunjukkan aturan yang digunakan untuk mengolah sinyal masukan dan sinyal keluaran FLC pada tesis ini. Pada sistem MISO (Multi Input Single Output) jumlah aturan yang dihasilkan adalah 5x5 = 25 untuk 5 set fuzzy dan 7x7 =49 untuk 7 set fuzzy.

Tabel 2.5 Aturan set fuzzy untuk 5 fungsi keanggotaan

d_error Error

NL NS ZE PL PS

NL BN N P P BP

NS BN N P P BP

ZE BN N ZE P BP

PL BN N N P BP

PS BN N N P BP

Keteranga:

NL : Negative Large NS : Negative Small

ZE : Zero PS : Positif Small

PL : Positif Large BN : Big Negative

N : Negative ZE : Zero

48

Tabel 2.5 adalah variabel linguistic yang dibentuk dalam lima fungsi keanggotaan. Dimana masing-masing himpunan pada error dan delta error dibagi menjadi lima fungsi keanggotaan. Fungsi keanggotaan yang digunakan menggunakan metode segitiga, dengan bagian ujung merupakan himpunan penyokong menggunakan metode trapesium.

Gambar 2.25 merupakan jendela pada matlab yang muncul ketika kita

menuliskan command “fuzzy” pada command window. Berikutnya dibuat masukan berupa himpunan dan aturan yang sesuai dengan desain.

Pada Gambar 2.26 di bawah ini terlihat fungsi keanggotaannya berbentuk kurva segitiga dan himpunan porosnya berbentuk kurva trapesium. Mengingat dalam algoritma fuzzy ini kita melakukan normalisasi terhadap nilai bilangan sehingga didapatkan nila amplitudo maksimal bernilai 1. Dimana nilai tersebut adalah nilai yang tertinggi, atau bisa juga disebut fungsi keanggotaan yang bersifat mutlak.

50

Selain menggunakan 5 fungsi keanggotaan, dibuat juga 7 fungsi keanggotaan seperti Tabel 2.6. Tujuannya untuk melihat pengaruh perubahan fungsi keanggotaan terhadap performansi filter aktif. Dengan menggunakan cara yang sama, tetapi dengan jumlah anggota himpunan yang lebih banyak, yang ditambahkan adalah “negatif medium” dan “positif medium”. Secara teoritis semakin banyak jumlah fungsi keanggotaan maka output yang akan dihasilkan juga lebih baik, karena dengan banyaknya fungsi berarti himpunan masukan dan keluaran menjadi lebih presisi.

Tabel 2.6 Aturan set fuzzy untuk 7 fungsi keanggotaan

d_error Error

NL NM NS ZE PS PM PL

NL NL NL NL NL NM NS ZE

NM NL NL NL NM NS ZE PS

NS NL NL NM NS ZE PS PM

ZE NL NM NS ZE PS PM PL

PS NM NS ZE PS PM PL PL

PM NS ZE PS PM PL PL PL

PL NL NM NS ZE PS PM PL

Keterangan:

NL : Negative Large NM : Negative Medium NS : Negative Small ZE : Zero

PS : Positif Small PM : Positif Medium PL : Positif Large

Gambar 2.27 adalah gambar fungsi keanggotaan yang metodenya sama dengan yang digunakan pada FLC 5 fungsi keanggotaan. Yaitu dengan menggunakan metode tringular, dengan kombinasi himpunan penyokong menggunakan metode trapesium.

Gambar 2.27 Tujuh membership function FIS Editor

2.9.5 Transformasi pq

Dalam implementasi transformasi pq ini digunakan tools Matlab embedded function untuk implementasi persamaan yang sudah disebutkan di Bab 2. Gambar 2.28 menunjukkan proses dari transformasi pq. Pada awalnya

52

tegangan dan sumber akan diproses di blok “clarke”. Di blok ini akan di

konversi dari 3 fasa menjadi 2 variabel output, baik tegangan maupun arus dengan menggunakan persamaan [2.6]. Kemudian berikutnya baru akan digabungkan dan dikonversikan dengan menggunakan persamaan [2.7]. Setelah itu akan dilakukan proses filter dengan LPF untuk mendapatkan komponen fundamental dan harmonisanya. Setelah itu di bagian akhir dilakukan konversi lagi dari 2 variabel menjadi 3 variabel.

Gambar 2.28 Diagram blok untuk transformasi pq

ICabc 1 2 ICabc 1 Scope 4 Scope 3 Scope 2 Scope 1 PQ calculation x1 x2 y 1 y 2 P Q Valpha Vbeta PQ LPF butter Goto1 [Ic2] Goto [Ic1] Gain 1 1 Gain -1 From 1 [Ic2] From [Ic1] Compensation current Ic1 Ic2 ICa ICb ICc Ical CLARKE V u v w x y VCT CLARKE I u v w x y ICT

Alpha Beta current

Posc q V1 V2 Ic 1 Ic 2 ICOM Ploss 3 Iabc 2 Vs 1

2.9.6 Hysteresis Controller

Hysteresis controller seperti Gambar 2.29 ini digunakan untuk membangkitkan pulsa sebagai masukan dari inverter, yaitu dengan cara membandingkan nilai dari arus referensi dan arus yang terukur.

Gambar 2.29 Diagram blok untuk histeresis controll

Keluaran dari blok ini adalah berupa pulsa yang akan membangkitkan inverter apakah harus ON atau OFF. Kalau arus yang terukur lebih besar dari arus referensi, maka switch akan diperintahkan untuk ON, demikian juga sebaliknya. Kalau arus yang terukur lebih kecil dari arus referensi maka switch akan diperintahkan untuk OFF.

g 1

>= >= >=

Logical Operator 3

NOT Logical Operator 2

NOT Logical Operator 1

NOT

I_meas 2 I_ref

54

2.9.7 Multilevel Inverter

Penggunaan multilevel inverter yang berkembang sangat pesat, bisa digunakan pada block three-level bridge di Matlab dapat dilihat pada Gambar 2.30.

Gambar 2.30 Implementasi Multilevel Inverter tiga tingkat

Dimana untuk menentukan nilai dari kapasitor dan tegangan Vdc referensi memanfaatkan Persamaan (2.16) [14]

...(2.16)

Dengan:

VD = Sumber tegangan inverter (bisa berupa kapasitor) m = Level tegangan

k = Konstanta dari 1 sampai dengan (m-1) Vdc = Total dc link voltage (tegangan referensi)

Metode penelitian dalam merancang model menggunakan Software MATLAB/Simulink. Filter aktif paralel dalam penelitian ini dipasangkan pada tegangan 380V yaitu pada sisi sekunder transformator yang mengandung arus harmonisa dengan THD arus yang tinggi. Saluran bus tegangan rendah 380 V dapat diwakili dengan rangkaian impedansi saluran R dan L, dengan parameter saluran tergantung pada panjang dan diameter saluran. Gambar 3.1 menunjukkan diagram satu baris dari sistem dengan menggunakan filter aktif paralel [19].

56

3.1 Parameter simulasi

Tabel 3.1 adalah parameter yang digunakan di dalam simulasi menggunakan Matlab/Simulink.

Tabel 3.1 Parameter yang digunakan dalam simulasi

Parameter Nilai Satuan

Tegangan sumber (V-V) 380 Volt

Frekuensi sumber 50 Hz

Impedansi saluran R = 0.01

L = 1e-6

Ohm H

Beban Linear

Fasa A = Fasa B = Fasa C R = 10 L = 80e-3

Ohm H Beban Tidak Linear

Diode Resistance Ron Forward Voltage Snubber Resistance Snubber Capacitance Resistor Induktansi 1e-1 0.8 1000 0.1e-6 1 70e-6 Ohm Volt Ohm F Ohm H Filter Aktif Kapasitansi Cdc Vdc referensi

40e-6 2000

F Volt

a. Data saluran: Panjang impedansi kabel (R dan L)

Pemodelan data saluran menggunakan data sebagai berikut: Tegangan Sumber (fasa ke fasa) = 380 Volt

Frekuensi Sumber = 50 Hz

Impedansi Saluran: R = 0,01 Ohm L = 1 x 10-6 H

b. Data beban

Data beban dimodelkan menjadi dua, yaitu beban linier dan beban tidak linier. Untuk beban linier data input yang digunakan [18] tegangan fasa ke fasa 380V, dengan frekuensi sebesar 50 Hz. Nilai variabel beban linier adalah sebagai berikut:

R = 10 Ohm L = 80 mH Parameter beban tidak linier:

1) Resistance Ron = 1e-1 Ohm 2) Forward Voltage = 0,8 V 3) Snubber Resistance = 1000 Ohm 4) Snubber Capacitance = 0,1e-6 F

5) Resistor = 1 Ohm

58

c. Data untuk filter aktif paralel

Dalam perhitungan desain filter aktif, setidaknya ada dua komponen utama yang perlu dilakukan perhitungan yaitu kapasitansi kapasitor dan tegangan VDC. Nilai dari VDC sendiri setidaknya dua kali lebih besar dari nilai VAC, yang dalam hal ini adalah sebesar 380 V, jadi dalam hal ini nilai Vdc_ref > 760 V.

Dalam penentuan nilai kapasitor, ada beberapa hal yang hanya bisa dilakukan dengan pemodelan, misalnya dari sisi ripple tegangan (biasanya menggunakan nilai antara 1-2%) [20], atau persentase kenaikan arus beban (fluktuatif) menggunakan nilai antara 5-10% [21]. Desain kapasitor DC Link bisa menggunakan Persamaan (3.1) [20]

...(3.1)

Dengan:

Sn : Power nominal filter Vdc : Tegangan rata-rata DC

ΔVdc : Prediksi ripple tegangan

ω1 : Frekuensi AC

Selain fluktuasi tegangan, diperlukan prediksi kenaikan arus beban seperti pada Persamaan (3.2) [21].

Dengan:

Maksimum tegangan sumber

T = Periode sumber tegangan

ΔI = Prediksi kenaikan arus beban

Nilai maksimum tegangan sumber dapat dilihat pada Persamaan (3.3)

√ ...(3.3)

Dengan menggunakan Persamaan (3.2) dan (3.3) serta kriteria yang disebutkan, digunakan nilai sebagai berikut:

Cdc = 40 x 10-6 F Vdc_ref = 2000 Volt

d. Perhitungan Arus Hubung Singkat Sistem Data Transformator:

1. Daya 100 kVA

2. Tegangan primer/sekunder = 20/0,4 kV

3.2 Hasil simulasi sebelum dipasang filter

Hasil simulasi sebelum dipasang filter dapat dilihat pada Gambar 3.2, gelombang arus 3 fasa tidak berbentuk sinusoidal dikarenakan gelombang fundamental sudah bercampur dengan komponen harmonisa.

60

Gambar 3.2 Arus sebelum pemasangan filter aktif (a) fasa R (b) fasa S dan (c) fasa T

Dengan menggunakan analisa FFT (Fast Fourier Transform) untuk gelombang arus didapatkan nilai THD seperti terlihat pada Gambar 3.3.

Nilai THDi dalam sistem cukup besar untuk semua fasa yaitu sebesar

26,16%, dengan orde ke lima adalah yang paling dominan kemudian diikuti dengan orde ke tujuh, sebelas dan seterusnya. Karena kondisi beban yang seimbang untuk ketiga fasa, nilai THD semua fasa juga sama. Dengan menggunakan standar IEEE 519-1992, nilai THDi yang diijinkan adalah dibawah 5%, artinya nilai THDi dari hasil

simulasi sebesar 26,16% perlu dilakukan perbaikan agar bisa sesuai dengan standar yang telah ditentukan.

Gelombang tegangan seperti pada Gambar 3.4 masih berbentuk sinusoidal untuk ketiga fasa. Hal ini dikarenakan harmonisa yang diakibatkan oleh beban tidak linier belum cukup mengganggu gelombang tegangan.

Gambar 3.4 Tegangan sebelum pemasangan filter (a) Fasa R (b) Fasa S (c) Fasa T

Berikut adalah hasil dari analisa FFT terhadap gelombang tegangan yang terlihat pada Gambar 3.5.

62

Gambar 3.5 THDv sebelum pemasangan filter aktif

Terlihat nilai THDv sebesar 0,45% dengan orde harmonisa yang paling

dominan adalah orde ke lima. Nilai tersebut masih berada di bawah nilai standar IEEE 519-1992 yang sudah ditentukan yaitu sebesar 5%. Gambar bagian atas menunjukkan sinyal atau gelombang yang akan dilakukan analisa, dalam hal ini dianalisa sebanyak 10 siklus. Pemilihan sinyal sebanyak 10 siklus ini dirasakan sudah cukup mengingat kondisi beban dalam keadaan steady state, sehingga beban tidak berubah-rubah lagi seiring dengan perubahan waktu. Pada bagian bawah merupakan hasil dari analisa FFT dari bentuk gelombang yang sudah ditentukan. Nominal dari masing-masing orde harmonisa dan perbandingan terhadap nilai fundamental bisa

Gambar 3.6 bagian (a) menunjukkan gelombang tegangan untuk tiga fasa sebelum dipasang filter, sedangkan untuk gelombang arus di sisi beban (b) dan di sisi sumber (c) terlihat identik bentuk gelombangnya tidak sinusoidal.

Gambar 3.6 (a) Tegangan di sisi beban (b) Arus di sisi beban (c) Arus di sisi sumber

3.3 Hasil simulasi setelah dipasang filter

Berikutnya adalah pembahasan dari hasil simulasi dengan melakukan pemasangan filter aktif menggunakan skema fuzzy logic controller, dengan menggunakan lima fungsi keanggotaan dan tujuh fungsi keanggotaan. Untuk himpunan fungsi keanggotaan menggunakan bentuk segitiga dengan trapesium sebagai himpunan porosnya. Sedangkan metode centroid digunakan dalam proses defuzifikasi-nya.

64

3.3.1 Skenario FLC 5 fungsi keanggotaan

Berikutnya dilakukan simulasi menggunakan FLC dengan 5 fungsi keanggotaan pada multilevel inverter 3 tingkat. Hasilnya bisa dilihat pada Gambar 3.7, dimana filter aktif dihubungkan secara paralel dengan beban.

Gambar 3.7 Gelombang arus dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan (a) Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T

Terlihat pada awal periode (sekitar 1 periode atau 0,02 detik) gelombang arus bentuknya tidak beraturan. Hal ini dikarenakan filter aktif masih dalam proses inisiasi. Pada awal periode ke dua, setelah filter aktif mulai menginjeksikan arus ke dalam jaringan terlihat gelombang arus perlahan menjadi stabil dan berbentuk sinusoidal. Bentuk gelombang seperti ini sudah cukup bagus.

Dengan cara yang sama seperti sebelumnya, gelombang arus juga dianalisa dengan menggunakan FFT. Hasilnya juga terlihat cukup baik, karena ketiga fasa (fasa R, fasa S, dan fasa T) memiliki bentuk gelombang yang mendekati sinusoidal. Dengan analisa sebanyak 10 siklus gelombang arus menggunakan frekuensi sebesar 50 Hz dan dibatasi sampai orde ke 19, hasilnya dapat dilihat pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 THDi dengan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan

Pada awalnya bentuk gelombang arus masih sama seperti sebelum pemasangan filter. Hal ini dikarenakan filter memerlukan waktu untuk bisa memberikan respon terhadap masukan sistem. Setelah kurang dari satu

66

periode (0.02 detik), filter mulai bekerja dan terlihat bentuk gelombang mulai mengalami perbaikan dan menuju sinusoidal. Setelah kurang dari satu periode gelombang sebesar 0,02 detik, filter aktif mulai bekerja dengan cara menyuntikkan arus dititik PCC, sehingga harmonisa bisa direduksi.

Mulai periode kedua bentuk gelombang terlihat lebih stabil sampai pada akhir periode simulasi. Total Harmonic Distortion yang ditimbulkan sebesar 2,42% untuk kondisi fasa yang terburuk. Sementara sesuai standar IEEE 519-1992 nilai THDi yang diijinkan adalah sebesar 5%, dengan

demikian setelah pemasangan filter aktif nilai THDi mampu memenuhi

kriteria standar yang sudah disebutkan.

Gelombang tegangan untuk ketiga fasa (fasa R, fasa S, dan juga fasa T) seperti terlihat pada Gambar 3.9 berbentuk sinusoidal dari awal periode hingga akhir periode. Hal ini sekaligus menunjukkan harmonisa tegangan tidak cukup mengganggu kualitas daya baik sebelum pemasangan filter maupun setelah pemasangan filter karena nilainya masih dapat diterima dan di bawah nilai standar yang sudah ditentukan oleh IEEE 519-1992.

Dengan kondisi beban seperti ini, yang perlu menjadi perhatian adalah harmonisa arus di sisi beban. Pemasangan filter aktif mampu menjaga kualitas sistem tenaga sesuai dengan kriteria yang sudah disebutkan dalam standar IEEE 519-1992.

Gambar 3.9 Gelombang tegangan filter aktif FLC 5 fungsi keanggotaan (a)Fasa R (b) Fasa S dan (c) Fasa T

Dengan menggunakan analisa FFT, gelombang tegangan masih berbentuk sinusoidal seperti terlihat pada Gambar 3.10.

68

Gambar 3.11 (a) menunjukkan gelombang tegangan tiga fasa di sisi beban. Bagian (b) adalah gelombang arus tiga fasa di sisi beban, sedangkan bagian (c) adalah arus di sisi sumber. Terlihat bentuk arus di sisi sumber, pada awalnya arus di sisi sumber sama dengan arus di sisi beban (hal ini juga berlaku ketika sistem tidak menggunakan filter). Akan tetapi setelah beberapa periode (kurang dari 0,02 detik) arus mulai terlihat lebih stabil. Hal ini disebabkan filter aktif sudah mulai meng-injeksikan arus ke dalam sistem yang bertujuan untuk mereduksi harmonisa. Dalam filter aktif, waktu yang diperlukan untuk inisiasi menjadi salah satu faktor yang perlu dipertimbangkan dalam desain.

merah). Khususnya untuk orde ganjil diantara orde 5 sampai dengan orde 13 terlihat peningkatan yang cukup signifikan, sehingga secara keseluruhan juga berdampak pada level THDv yang semakin baik.

Gambar 4.4 Perbandingan nilai IHDi sebelum dan sesudah pemasangan filter aktif FLC 7 fungsi keanggotaan

Tabel 4.9 menunjukkan filter aktif dengan skema FLC menggunakan multilevel inverter tiga tingkat mampu meredam level harmonisa sehingga

88

Untuk THDv berada di level 0,18% juga berada dilevel yang diijinkan. Untuk fasa yang lain nilainya juga masih bisa ditoleransi.

Tabel 4.9 Hasil simulasi filter FLC 7 dengan Multilevel inverter

Parameter Fasa R Fasa S Fasa T Keterangan

THDv (%) 0,18 0,18 0,18 Dibawah standar IEEE 519 – 1992 sebesar 5% THDi (%) 2,15 2,42 2,31 Dibawah standar IEEE

519 – 1992 sebesar 5%

Tabel 4.10 merupakan rangkuman hasil simulasi dari sebelum pemasangan filter dibandingkan dengan setelah pemasangan filter dengan multilevel inverter menggunakan skema FLC masing-masing dengan lima fungsi keanggotaan dan tujuh fungsi keanggotaan. Dengan adanya pemasangan filter aktif terlihat terjadi perbaikan level THD baik untuk arus maupun tegangan.

Tabel 4.10 Hasil perbandingan keseluruhan skenario simulasi

Deskripsi Tanpa Filter FLC 5 Level

FLC 7 Level

Standar IEEE 519-1992

THDv (%) 0,45 0,17 0,18 5

THDi (%) 26,16 2,42 2,42 5

5.1 Kesimpulan

Sesuai dengan rumusan masalah dan tujuan dari penelitian, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Komponen harmonisa terbesar dalam sistem sebelum dilakukan pemasangan filter aktif, adalah orde ke lima dimana nilai IHDi sebesar 21,43% Setelah dilakukan pemasangan filter aktif nilai IHDi orde ke lima menjadi sebesar 1,36% untuk FLC 5 fungsi keanggotaan dan 1,37% untuk FLC 7 fungsi keanggotaan. Sedangkan harmonisa tegangan IHDv orde ke lima berhasil diturunkan dari 0,35% menjadi 0,25%.

2. Penggunaan filter aktif dapat mengurangi level THDi dari sebelumnya sebesar 26,16% menjadi 2,42% baik untuk FLC 5 fungsi keanggotaan dan FLC 7 fungsi keanggotaan, nilai tersebut di bawah standar IEEE 519-1992 sebesar 5%.

3. Nilai THDv baik sebelum pemasangan filter dan sesudah pemasangan filter masih di bawah standar IEEE 519-1992 sebesar 5%. Dengan

90

5.2 Saran

Untuk kesempurnaan penelitian ini maka perlu dilakukan penelitian lanjutan dan disarankan sebagai berikut:

1. Perlu dilakukan penelitian untuk melihat pengaruh peningkatan level multilevel inverter.

2. Perumusan untuk penentuan batasan dari level fungsi keanggotaan beserta dengan representasinya, sehingga akan didapatkan hasil yang lebih akurat.

3. Menentukan faktor koreksi yang tepat untuk perhitungan kapasitansi dari kapasitor.

[2] J.L Hernandez, M.A Castro, J. Carpio, Harmonics in power sistem, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ), 2009.

[3] Tri Bowo Indrato, Reduksi Harmonisa menggunakan filter aktif berbasis Recurrent Neural Network, ITS, 2010.

[4] Jayakrishna, G, Anjaneyulu,K.S.R, 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. [5] Lamchich, M.T, Raoufi M, A Fuzzy Logic Based Controller for Shunt Active Filter, Paper, University Cadi Ayyad, Faculty of Sciences Semlalia, Department of Physics, Electronics and Instrumentation Laboratory, 2011.

[6] Sarasvathi, K, Rajalakshmi, R, Performance Analysis Of Shunt Active Filter Using Different Controllers, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Volume 4 Issue 5 - May 2013.

[7] V.Suresh Kumar, D.Kavitha, Harmonic mitigation and power factor improvement using Fuzzy Logic and Neural Network Controlled Active Power Filter, Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 3, No. 3, pp. 520~527 , 2008. [8] Zellouma, L. S Saad, H. Djeghloud, Fuzzy Logic Controller of Three Level Series Active Power Filter, International Symposium on Environment Friendly Energies in Electrical Applications, 2010.

[9] Agrawal S, Bhuria V, 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. [10] Reddy, N T, Subramanyam, MV, Fuzzy Logic Controlled Shunt Active Power Filter for Mitigation of Harmonics with Different Membership Function, International Conference on Advances in Computing, Control, and

92

[12] Nordvall, Andreas, Multilevel Inverter Topology Survey, Chalmers University of Technology, Sweden, 2011.

[13] Yasmeena, Dr.G.Tulasi Ram Das, Cascaded multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications, International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 4, Issue 8, August-2013

[14] Rashid, H, Muhammad, “Power Electronics: Circuit, Devices, and Application”, Third Edition, 2004.

[15] Mesbahi, N , Ouari, A, A Fuzzy Logic Control For Three Level Shunt Active Power Filter, International Conference On Industrial Engineering and Manufacturing ICIEM'10, May 9 -10, 2010.

[16] K. Tomsovic, M.Y. Chow, Tutorial on Fuzzy Logic Applications in Power Sistems, IEEE-PES Winter Meeting in Singapore January, 2000.

[17] Abdennour, Adel, Tutorial on Fuzzy Logic using MATLAB, King Saud Univerity, Electrical Engineering Departement.

[18] Bangia, Sakshi, Simulation of Fuzzy Logic Based Shunt Hybrid Active Filter for Power Quality Improvement, I.J. Intelligent Sistem and Application, 2013, 02, 96-104.

[19] Afonso, João et all, Shunt Active Filter for Power Quality Improvement,

International Conference UIE 2000, Lisboa, Portugal, 1-4 Novembro 2000, pp. 683-691.

[20] Azevedo, J. Helder et all, Direct Current Control of an Active Power Filter for harmonic Elimination, Power Factor Correction, and Load Unbalancing Compensation, Portugal, 2001.

[21] Kerrouche, Soumia & Krim, Fateh, Three-phase Active Power Filter Based on Fuzzy Logic Controller, International Journal of Sciences and Techniques of Automatic control & computer engineering, July 2009, pp 942-955.