Pengaturan Pitch Angle Turbin Angin Berbasis Kendali Logika Fuzzy (Aplikasi Pada Data Angin Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya)

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

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

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 10o,
dimana sudut tetap sebesar 10o dianggap paling optimal untuk kondisi angin kota
Medan.
Kata kunci : Pitch Angle Control, Wind Turbine, FLC, Performance
Coefficient

i
Universitas Sumatera Utara

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, Universitas Sumatera Utara. 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

Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara

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 Cp 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
Universitas Sumatera Utara

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 0o....................................................................................................................55
Gambar 4.13 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut
tetap 2o....................................................................................................................56
Gambar 4.14 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut
tetap 10o..................................................................................................................57
Gambar 4.15 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut
tetap 19o..................................................................................................................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
Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara

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 10o,
dimana sudut tetap sebesar 10o dianggap paling optimal untuk kondisi angin kota
Medan.
Kata kunci : Pitch Angle Control, Wind Turbine, FLC, Performance
Coefficient

i
Universitas Sumatera Utara

1. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang
Perkembangan kebutuhan masyarakat akan tenaga listrik terus mengalami
kenaikan. Saat ini kebutuhan akan tenaga listrik masih sangat bergantung pada energi
fosil. Energi fosil yang digunakan berupa minyak bumi dan batu bara yang mana
diketahui bahwa jumlahnya terus menipis dan menghasilkan polusi yang cukup
berbahaya bagi lingkungan. Hal ini menyebabkan sangat diperlukannya pengembangan
energi terbarukan dalam pembangkitan tenaga listrik. Salah satu energi terbarukan yang
dapat dikonversikan energinya menjadi energi listrik ialah energi angin.
Penggunaan kecepatan angin sebagai sumber energi listrik dilakukan dengan
memanfaatkan kecepatan angin tersebut untuk memutar kincir angin yang dapat
digunakan untuk memutar poros rotor dari generator. Konversi energi saat ini merupakan
suatu hal yang sangat diperlukan dalam mencari solusi tentang krisis energi di Indonesia
umumnya dan di Sumatera Utara khususnya kota Medan, di mana kota Medan
merupakan daerah yang sangat banyak angin [1].
Potensi angin kota Medan khususnya pada Daerah Medan Tuntungan dan
Sekitarnya dapat dilihat pada Tabel 1. Data kecepatan angin yang didapat merupakan data
kecepatan angin sejak Januari 2013 hingga Agustus 2015.
Tabel 1.1 Kecepatan Angin Rata-Rata Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya (Dalam m/s)
Bulan
Tahun
Jan Feb Mar Apr Mei Jun
Jul Agu Sep Okt Nov Des
4,1
5,3
5,2
2,6
5,0
5,8
4,1
5,0
3,3
4,8
4,0
4,0
2013
3,1
3,3
2,1
2,7
2,7
2,4
2,9
3,5
4,4
4,3
4,1
4,8
2014
3,9
4,6
4,0
3,7
3,8
3,1
4,4
3,0
2015

1
Universitas Sumatera Utara

Melalui tabulasi data angin di atas, maka dapat dilihat bahwa potensi angin
pada kota Medan sangatlah besar. Angin pada kota Medan terlihat berada pada
kisaran kecepatan 1-6 m/s dengan data kecepatan angin rata-rata umumnya berada
pada kisaran 3-4 m/s. Kecepatan angin pada kota Medan terbilang cukup stabil
dengan perubahan rata-rata tiap bulannya tidak bergeser secara ekstrim. Walaupun
terlihat bahwa terdapat pergeseran besaran pada suatu waktu, namun besaran itu
akan stabil pada beberapa saat, sehingga hanya perlu pengaturan beban ketika
kecepatan angin mengalami fluktuasi. Sedangkan perubahan pada spesifikasi
turbin angin tidak perlu dilakukan. Hal ini merupakan suatu keuntungan yang
dapat dimaksimalkan untuk pembangkitan listrik tenaga angin.
Kecepatan angin tersebut memiliki potensi untuk dibangun turbin angin
dengan besar daya keluaran 200 Watt tiap turbinnya. Turbin angin dapat dibangun
dengan memanfaatkan lokasi yang sudah ada, seperti pada atap bangunan,
halaman perumahan atau perkantoran dan pada trotoar jalanan yang tidak dilalui
orang.
Kecepatan angin ini sangatlah potensial untuk dijadikan cadangan daya
listrik dan sebagai tambahan dengan tujuan penghematan biaya pembangkitan
listrik dengan tenaga fosil. Terlebih dengan keuntungan pembangkit listrik tenaga
angin yang dapat dibangun secara terpisah setiap turbinnya akan memaksimalkan
lahan yang sudah ada dan tidak perlu membuka lahan pembangkit baru.
Daerah Sumatera Utara yang memiliki Rasio Elektrifikasi sebesar 90,25%
(Kondisi Mei 2014), dengan perincian Rasio Elektrifikasi PLN sebesar 87,80%
dan non PLN sebesar 2,45%, maka terlihat bahwa terdapat peluang untuk

2
Universitas Sumatera Utara

meningkatkan rasio tersebut pada sektor non PLN dengan memanfaatkan tenaga
angin. Pembangkit tenaga angin ini juga sangat potensial untuk meningkatkan
besaran rumah tangga yang teraliri listrik baik dengan pembangkit tenaga angin
pribadi ataupun dengan menggunakan jasa PLN.
Penambahan daya listrik sudah berada pada taraf sangat kritis dikarenakan
peningkatan kebutuhan listrik pada daerah Sumatera Utara berkisar 12% dengan
peningkatan ketenagalistrikan yang hanya 6-7%. Dengan demikian terlihat bahwa
terdapat peluang untuk menambahkan pembangkit tenaga angin sebagai tambahan
pada peningkatan ketenagalistrikan untuk membantu memenuhi kebutuhan listrik
yang terus naik.
Pemanfaatan energi angin untuk dikonversi menjadi energi listrik
membutuhkan perangkat yang bernama turbin angin. Turbin angin adalah balingbaling yang disusun sedemikian rupa agar dapat menangkap energi angin dan
mengonversikannya menjadi putaran yang akan digunakan sebagai sumber energi
untuk memutar rotor generator untuk menghasilkan energi listrik. Keuntungan
dari penggunaan tenaga angin ini yang utama ialah polusi yang dihasilkan oleh
turbin angin sangat dapat diterima secara ekologis, dimana energi angin tidak
mencemari udara. Keuntungan lainnya adalah energi angin merupakan sumber
energi terbarukan yang tidak dapat habis seperti bahan bakar fosil dan relatif bisa
ditempatkan dimana saja untuk menghasilkan energi listrik yang dekat dengan
masyarakat yang membutuhkan.
Namun energi angin juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya
adalah timbulnya derau frekuensi rendah yang disebabkan oleh putaran dari sudu-

3
Universitas Sumatera Utara

sudu turbin dengan frekuensi konstan akan menyebabkan timbulnya polusi udara.
Selain itu, estetika lansekap suatu daerah juga akan terpengaruh dengan
dipasangnya turbin angin di daerah tersebut. Fasilitas turbin angin juga sangat
perlu untuk direncanakan dengan hati-hati agar tidak melukai ataupun
mencelakakan burung atau kelelawar yang terbang di sekitar turbin angin.
Ketika membahas mengenai turbin angin, hal yang patut diwaspadai
adalah besarnya kecepatan angin yang tidak konstan. Dimana kecepatan angin
selalu berubah besarannya setiap saat dan menyebabkan daya yang dibangkitkan
menjadi fluktuatif. Kecepatan angin yang tidak konstan ini menimbulkan
kebutuhan untuk menambahkan alat kontrol pada turbin angin untuk menjaga
daya yang dihasilkan agar tetap maksimal pada tiap besaran angin yang sedang
berlangsung. Selain itu, kontrol pada turbin angin juga berfungsi untuk
memproteksi turbin angin dari kecepatan angin yang berlebihan, dimana ketika
kecepatan angin sangat tinggi, maka turbin angin perlu untuk berhenti beroperasi.
Pada tugas akhir ini, penulis akan melakukan penelitian tentang
pengaturan pitch angle turbin angin berbasis kendali logika fuzzy menggunakan
simulasi MATLAB. Dengan pengaturan pitch angle ini, diharapkan turbin angin
dapat menghasilkan daya secara maksimal dengan besaran angin yang berubahubah sehingga pembangkitan energi listrik dengan memanfaakan energi angin
menjadi lebih efektif dan efisien.

4
Universitas Sumatera Utara

1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah:
1. Melakukan pengaturan pitch angle pada turbin angin dengan
berbasis kendali logika fuzzy agar turbin angin bekerja maksimal.
2. Mengetahui perbandingan daya keluaran turbin angin dengan
pengaruh pengaturan pitch angle.
3. Mengetahui pengaruh pengaturan pitch angle turbin angin pada
performa kerja turbin angin.
1.3 Batasan Masalah
Adapun pembatasan masalah yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir
ini adalah:
1. Tugas akhir ini berfokus kepada pengaturan pitch angle turbin
angin sebagai kontrol pada turbin angin dengan berbasis kendali
logika fuzzy.
2. Besaran kecepatan angin yang menjadi data pada tugas akhir ini
adalah kecepatan angin untuk daerah Kota Medan.
3. Tugas akhir ini membahas turbin angin fixed-speed yang dipasang
secara horizontal.
4. Tugas akhir ini membahas pengaruh variasi kecepatan angin
terhadap daya keluaran generator dengan pengaruh pengaturan
pitch angle.
5. Analisis dan pengujian disimulaskan dengan menggunakan
software Matlab (Simulink).
5
Universitas Sumatera Utara

1.4 Manfaat
Dari penulisan tugas akhir ini diharapkan akan diketahui pengaruh yang
diharapkan akan dihasilkan dengan menambahkan pengaturan pitch angle pada
turbin angin dengan berbasis kendali logika fuzzy. Hasil penelitian ini diharapkan
menjadi bahan pertimbangan dalam pemilihan jenis pengendalian yang sesuai
untuk pemasangan turbin angin di suatu daerah.
1.5 Luaran Tugas Akhir
Dari kegiatan tugas akhir ini, penulis mengharapkan luaran sebagai berikut:
1. Jurnal penelitian yang dipublikasikan secara nasional dan internasional.
2. Seminar penelitian.

6
Universitas Sumatera Utara

2. Tinjauan Pustaka
2.1 Turbin Angin
Turbin angin adalah elemen utama dari sebuah pembangkit listrik tenaga
angin dan digunakan untuk memproduksi energi listrik yang merupakan hasil
konversi dari energi kinetik angin. Turbin angin awalnya dibuat untuk
mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,
keperluan irigasi. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda,
dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan nama Windmill. Sejak
awal maraknya penggunaan turbin angin secara komersial sebagai pembangkit
tenaga listrik di tahun 1980, telah terjadi peningkatan yang pesat dalam hal
karakteristik, efisiensi, kapasitas dan desain dari turbin angin.
Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga angin ialah dengan memanfaatkan
energi kinetik dari partikel angin bergerak dengan kecepatan tertentu yang
ditangkap oleh turbin angin. Baling-baling turbin dirancang sedemikian rupa
sehingga memungkinkan untuk menggerakkan poros rotor generator. Balingbaling memutar poros dari turbin yang akan menyebabkan rotor pada generator
akan bergerak dan generator mengubah energi rotasi menjadi energi listrik [2].
Potensi dan inovasi baru dalam desain turbin angin secara terus menerus
dieksploitasi dan terutama terkonsentrasi pada desain baling-baling yang lebih
ringan dengan fitur aerodinamis yang lebih baik. Selain itu, sistem pengendalian
pada turbin angin pun terus dikembangkan untuk mendapatkan tangkapan energi
yang maksimal. Salah satu pengendalian yang utama untuk memaksimalkan

7
Universitas Sumatera Utara

kinerja dari turbin angin ialah dengan mengendalikan sudut kerja baling-baling
turbin angin.
Secara keseluruhan, industri energi angin mencapai kemajuan besar dalam
dua dekade terakhir dan hal ini akan memainkan peran penting dalam tujuannya
untuk meningkatkan produksi listrik dari sumber energi terbarukan.
Berdasarkan arah sumbunya, turbin angin dibedakan menjadi dua jenis,
yaitu:
a. Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal ialah turbin angin yang memiliki poros
rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin yang berukuran kecil
diarahkan oleh baling-baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran
besar pada umumnya akan menggunakan sensor angin yang digandeng dengan
sebuah servo motor. Kebanyakan turbin angin jenis ini memiliki gearbox yang
mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat sebagai gaya
masukan untuk memutar rotor pada generator [2].
Menara umumnya menghasilkan turbulensi di belakangnya, sehingga
turbin harus diarahkan melawan arah angin yang datang padanya. Bilah-bilah
turbin dibuat kaku agar tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan
tinggi.
Adapun kelebihan turbin angin sumbu horizontal adalah:


Dasar menara yang tinggi memungkinkan akses ke angin yang kuat
di tempat yang memiliki besaran angin yang fluktuatif

8
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan kekurangan dari turbin angin sumbu horizontal adalah:


Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilahbilah yang berat, gearbox dan generator.



Turbin yang tinggi harus diletakkan pada daerah yang aman dari
lokasi lintasan pesawat untuk menghindari kecelakaan



Ukurannya yang tinggi akan merintangi jangkauan pandangan dan
mengganggu estetika pemandangan secara umum



Membutuhkan

mekanisme

kontrol

yaw

tambahan

untuk

membelokkan kincir ke arah angin

Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal terdiri dari beberapa komponen yang
dipasang utamanya pada bagian atas dari menara. Dalam menara turbin angin,
umumnya hanya terdapat tangga yang digunakan untuk mengakses ruangan nasel
pada bagian atas menara. Sedangkan perangkat-perangkat lainnya berada di dalam
nasel turbin angin. Adapun komponen tersebut dapat dilihat pada gambar 2.2.

9
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Horizontal
Secara umum, konfigurasi utama turbin angin poros datar terdiri dari; rotor
(blade dan hub), nasel/nacelle, generator, transmisi gearbox, kopling dan rem,
sistem orientasi (yaw system), menara, sistem kontrol dan pondasi, seperti
diperlihatkan pada gambar atas. Adapun penjelasan dari masing-masing bagian
tersebut adalah:
1. Sudu (Blade /Baling-baling)
Rotor turbin angin yang terdiri dari baling-baling/ sudu dan hub
merupakan bagian dari turbin angin yang berfungsi menerima energi kinetik
dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak (mekanik) putar pada poros
penggerak. Pada sebuah turbin angin, baling-baling rotor dapat berjumlah 1, 2,
3 atau lebih.

10
Universitas Sumatera Utara

2. Rotor Hub
Hub merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan
sudu dengan shaft (poros) utama.
3. Kontrol Pitch Sudu
Salah satu tipe rotor adalah dengan sudu terpasang variabel yang dapat
dirubah sudut serangnya dengan mengatur posisi sudut serang sudu terhadap
arah angin bertiup. Rotor dengan mekanisme demikian disebut dengan rotor
dengan pitch sudu variabel. Tidak semua turbin angin menggunakan tipe rotor
dengan sudut sudu variabel.
4. Rem
Rem berfungsi untuk menghentikan putaran poros rotor yang bertujuan
untuk keamanan atau pada saat dilakukan perbaikan.
5. Poros Rotor Putaran Rendah
Poros rotor berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator,
dapat secara langsung maupun melalui mekanisme transmisi gearbox.
6. Gearbox
Pada

umumnya

transmisi

di

turbin

angin

berfungsi

untuk

memindahkan daya dari rotor ke generator dengan dipercepat putarannya. Hal
ini diperlukan karena umumnya putaran rotor berotasi pada putaran rendah,
sementara generatornya bekerja pada putaran tinggi.

11
Universitas Sumatera Utara

7. Generator
Generator merupakan komponen terpenting dalam sistem turbin angin,
dimana fungsinya adalah merubah energi gerak (mekanik) putar pada poros
penggerak menjadi energi listrik. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan
oleh generator dapat berupa alternating current (AC) maupun direct current
(DC) dan tegangan keluarannya dapat dari tegangan rendah (12 volt) atau
sampai tegangan 680 volt atau lebih.
8. Kontrol Arah
Pada turbin angin yang relatif besar, umumnya sudah menggunakan
sistem geleng aktif (active yawing system), yang digerakkan oleh motor servo.
Kontrol yawing disini berfungsi menerima input dari sensor anemometer
(mendeteksi kecepatan angin) dan wind direction ( mendeteksi perubahan arah
angin), dan memberikan komando kepada motor servo untuk membelokkan
arah poros turbin angin dan juga memberikan masukan kepada kontrol pitch.
9. Anemometer Sensor
Anemometer berfungsi untuk mendeteksi/mengukur kecepatan angin,
sebagai masukan kepada sistem kontrol untuk mengendalikan operasional
pada kondisi optimum.
10. Tail Vane
Salah satu sistem orientasi yang pasif (passive yawing) adalah
menggunakan ekor pengarah. Fungsi dari ekor pengarah (tail vane) adalah
untuk membelokan posisi rotor terhadap arah datangnya angin.

12
Universitas Sumatera Utara

11. Nasel (Nacelle)
Fungsi nasel adalah untuk menempatkan dan melindungi komponenkomponen turbin angin, yaitu : generator, gearbox, kopling, rem, kontrol,
sistem geleng (yawing system).
12. Poros Rotor putaran tinggi
Poros rotor putaran tinggi berfungsi untuk memindahkan daya dari
girboks ke generator.
13. Roda gigi sistem geleng (Yaw drive)
Fungsi yaw drive adalah untuk menempatkan komponen turbin angin
yang berada diatas menara menghadap optimal terhadap arah angin bertiup
mengikuti perubahan arah angin.
14. Motor servo (Yaw motor)
Fungsi motor yaw adalah untuk menggerakan yaw drive untuk
menempatkan komponen turbin angin yang berada diatas menara menghadap
optimal terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan arah angin.
15. Menara / Tower
Menara merupakan tiang penyangga yang fungsi utamanya adalah
untuk menopang rotor, nasel dan semua komponen turbin angin yang berada
di atasnya.

13
Universitas Sumatera Utara

b. Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu rotor utama yang
disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus
diarahkan ke angin agar bekerja secara efektif. Kelebihan ini sangat berguna
untuk lokasi penempatan yang arah anginnya bervariasi. Turbin angin jenis ini
mampu untuk memanfaatkan angin dari berbagai arah [2].
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di
dekat tanah, sehingga menara tidak perlu menyokong dan lebih mudah untuk
diakses ketika akan dilakukan perawatan. Sehingga biaya perawatannya dari sisi
ini akan menjadi lebih efisien dan rendah.
Namun demikian, karena sulit untuk dipasang diatas menara, maka turbin
angin jenis ini dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah
atau puncak atap sebuah bangunan. Dimana hal ini akan menyebabkan kecepatan
angin yang akan dimanfaatkan menjadi lebih rendah, sehingga energi angin yang
tersedia akan menjadi lebih kecil. Aliran udara yang dekat tanah dan obyek yang
menghalagi datangnya angin juga dapat menyebabkan permasalahan yang
berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan
meningkatkan

biaya

pemeliharaan

untuk

mengatasi

masalah

ini

dan

memungkinkan umur turbin angin yang lebih singkat.
Secara umum, adapun kelebihan daru turbin angin sumbu vertikal adalah:


Karena bilah rotornya vertikal, maka tidak dibutukan mekanisme
yaw

14
Universitas Sumatera Utara



Karena

penempatannya

yang

dekat

dengan

dasar

lokasi

penempatannya, maka pemeliharaannya akan menjadi lebih mudah


Memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran
dari ujung sebuah bilah dengan laju angin sebenarnya) yang lebih
rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin
berhembus kencang

Namun, jenis turbin ini juga memiliki kekurangan, yaitu:


Umunya jenis turbin ini hanya memproduksi 50% energi listrik
yang dapat dibangkitkan oleh turbin angin sumbu horizontal



Kebanyakan turbin jenis ini memiliki torsi awal yang rendah,
sehingga membutuhkan dorongan eksternal untuk memulai operasi

Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Perbedaan lainnya antara jenis turbin angin adalah dengan membedakan
apakah rotor dapat bekerja dengan kecepatan variabel atau terpaku pada kecepatan
konstan saja dengan penjelasan sebagai berikut:

15
Universitas Sumatera Utara

a. Fixed-Speed Wind Turbines
Jenis turbin angin ini adalah yang paling dasar pada operasi turbin angin.
Menggunakan hanya sedikit perubahan kecepatan turbin rotor dan menggunakan
mesin induksi dengan rotor sangkar yang langsung terhubung ke jaringan listrik.
Bantuan daya reaktif eksternal dibutuhkan untuk mengompensasi daya reaktif
yang terpakai oleh mesin induksi. Turbin angin jenis ini menggunakan stall
regulation dan blade pitch regulation untuk mengatur daya yang dibangkitkan
saat kecepatan angin sedang tinggi [3].

Gambar 2.4 Skema Fixed-speed Wind Turbine
b. Variable-Speed Wind Turbine
Variable-Speed Wind Turbine didesain untuk bekerja dengan kecepatan
rotor yang variatif. Turbin ini umumnya menggunakan blade pitching sebagai
pengatur daya keluaran. Kontrol kecepatan dan daya memungkinkan turbin untuk
menghasilkan daya keluaran yang lebih besar daripada Fixed-speed Wind Turbine.
Turbin angin jenis ini menggunakan mesin induksi dengan rotor belitan dengan
penambahan konverter AC/DC. Turbin angin jenis ini menggunakan jenis kontrol
yang sama dengan Fixed-speed Wind Turbine [3].

16
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Skema Variable-Speed Wind Turbine
2.2 Pengontrolan Daya Turbin Angin
Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi
kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin
angin, angin akan mengalami pengurangan energi kinetik yang ditandai dengan
berkurangnya kecepatan angin. Energi kinetik yang hilang ini akan dikonversikan
menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini akan
terhubung dengan rotor dari generator. Generator mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik [1].
Besar daya mekanik (

) yang dihasilkan oleh turbin angin didefenisikan

dalam persamaan di bawah ini [1]:
= . .

. .

(2.1)

Dimana:


adalah massa jenis angin (kg/m3)



Cp adalah koefisien performansi turbin angin



A adalah luas daerah sapuan turbin (m2)



Vw adalah kecepatan angin sebelum melewati turbin angin (m/s)
17
Universitas Sumatera Utara

Koefisien performansi, Cp, dinyatakan sebagai perbandingan antara energi
yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu
daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut [2].
Tip speed ratio, , adalah rasio perbandingan antara kecepatan pada ujung
baling-baling turbin angin dan kecepatan angin [2]. Hal ini dapat dijelaskan
bahwa dengan bentuk baling-baling turbin yang baik, maka kecepatan putaran
baling-baling dapat ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan
angin yang sedang mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari balingbaling turbin. Besaran

berbeda-beda untuk tiap jenis turbin. Adapun turbin

angin sumbu horizontal seperti pada penelitian ini memiliki besaran konstan
sebesar 8,1. Sedangkan untuk menghitung besaran aktual dari rasio ini dapat
dilihat pada persamaan (2.2).

=

.

=

(2.2)

Besaran nilai Cp tergantung pada tip speed ratio ( ) dan sudut pitch balingbaling ( ) dengan hubungan sebagai berikut [5]:

( , )=

−

−

+

(2.3)

dimana

=

.

−

.

(2.4)

Koefisien c1 hingga c6 merepresentasikan diameter rotor, konstanta bahan
turbin, besar sumbu rotor, rasio gardan kecepatan rendah, rasio gardan kecepatan

18
Universitas Sumatera Utara

tinggi dan tingkat kelenturan bahan, secara berurutan. Koefisien ini berbeda-beda
besarannya untuk jenis turbin yang berlainan. Tiap jenis turbin memiliki standar
besaran koefisien masing-masing yang berbeda satu dengan lainnya. Pada turbin
angin sumbu horizontal seperti yang digunakan pada penelitian, besaran yang
digunakan adalah c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 dan c6 = 0.0068
[4].
Hubungan antara Koefisien performansi (Cp) dan Tip speed ratio ( ) dapat
dinyatakan dengan kurva pada gambar 2.6 [4].

Gambar 2.6 Karakteristik Cp Vs

dengan pitch angle

Umumnya dalam perancangan turbin angin, terdapat beberapa parameter
yang harus diperhitungkan, yaitu kecepatan cut-in (Vcut), kecepatan rating (Vrated),
dan kecepatan cut-off yang merupakan kecepatan dimana turbin angin harus
berhenti beroperasi untuk menghindari kerusakan akibat kecepatan angin yang
melewati turbin angin melebihi batas ketahanan turbin [1].
Melalui persamaan (2.1), daya yang didapat dari angin adalah fungsi kubik
dari kecepatan angin. Dimana hal ini akan berarti ketika kecepatan angin menjadi

19
Universitas Sumatera Utara

dua kali lipat lebih besar, maka daya yang akan dihasilkan menjadi delapan kali
lebih besar. Sehingga turbin angin harus didesain agar mampu menahan beban
angin yang lebih tinggi dibanding besaran daya yang bisa dibangkitkan untuk
menghindari kerusakan [2].
Kecepatan angin yang tinggi hanya berlangsung singkat dan hanya
mempengaruhi sedikit dalam proses pembangkitan daya, namun bila tidak
dikontrol, maka desain dan biaya pembuatan generator angin akan meningkat
hanya untuk memastikan turbin angin mampu menahan besaran angin tersebut
[2].
Dengan demikian, maka sangat diperlukan kontrol daya pada turbin angin.
Hal ini tidak lain untuk mendapatkan pembangkit angin yang efisien dan efektif
baik dari segi daya yang dibangkitkan maupun dari segi biaya yang akan
dikeluarkan sebagai investasi yang tepat guna. Saat ini terdapat tiga pilihan
kontrol daya keluaran turbin angin yang umum digunakan.
2.2.1 Stall Control
Stall control adalah metode kontrol yang paling mudah, kuat dan murah.
Metode kontrol ini digunakan untuk turbin angin ukuran kecil dan sedang, dikenal
juga sebagai kontrol pasif karena tidak ada komponen bergerak sebagai pengatur.
Aerodinamika baling-baling menentukan besaran daya keluaran. Lengkungan dan
ketebalan baling-baling rotor yang dibentuk sedemikian rupa akan menyebabkan
turbulensi pada baling-baling ketika kecepatan angin melebihi batas kecepatan
yang ditentukan. Turbulensi ini akan menyebabkan energi angin yang ditransfer
menjadi kecil saat kecepatan angin tinggi. Dengan kata lain, desain dari

20
Universitas Sumatera Utara

aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya saat kecepatan
angin melebihi batas tertentu [2].
Adapun kekurangan dari kontrol jenis ini adalah rendahnya efisiensi saat
kecepatan angin rendah dan tidak membantu saat melakukan start mula turbin
dari keadaan berhenti. Selain itu, jenis kontrol ini hanya dapat diaplikasikan pada
turbin angin dengan kecepatan konstan, dimana turbin angin jenis ini
menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin
dengan kecepatan yang berubah-ubah [2].
2.2.2 Pitch Control
Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat
berubah posisi menjauhi atau mendekati arah datangnya angin saat daya keluaran
sangat tinggi ataupun sangat rendah, berurutan. Sudut baling-baling rotor dapat
diatur secara aktif oleh sistem kontrol untuk menghindari daya yang tidak
diharapkan. Pitch control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk
membatasi kecepatan rotor dengan mengatur aerodinamika aliran daya. Pada saat
kecepatan angin rendah dan sedang, sudut baling-baling diatur untuk
memungkinkan turbin angin bekerja pada kondisi optimumnya. Sedangkan saat
kecepatan angin sedang tinggi, sudut baling-baling akan dinaikkan agar daya
aerodinamika berkurang dan menjaga kecepatan putaran rotor agar tetap dalam
batas yang dapat dikontrol [2].
Keuntungan utama kontrol jenis ini adalah kontrol daya menjadi sangat
baik (daya yang dibangkitkan sangat mendekati daya maksimal saat kecepatan
angin sedang tinggi), dapat membantu start mula turbin, dan bisa memberhentikan

21
Universitas Sumatera Utara

kerja turbin saat keadaan bahaya. Ketika turbin harus berhenti bekerja ketika
kecepatan angin melebihi batasnya, maka turbin dengan pitch control dapat
mengatur sudut baling-baling untuk mengurangi gaya aerodinamika yang
ditimbulkan oleh energi angin [2].
Sedangkan kekurangannya yang harus diwaspadai adalah kesukaran dalam
mekanisme pengaturan sudut pada baling-baling itu sendiri [2].
2.2.3 Active Stall Control
Seperti yang ditunjukkan oleh namanya, maka kontrol ini adalah
kombinasi dari dua teknik kontrol yang telah dijelaskan sebelumnya. Pada saat
kecepatan angin rendah dan sedang, maka baling-baling akan diatur sudutnya
serupa dengan turbin yang diatur dengan pitch control. Kemudian ketika turbin
angin mencapai batas kapasitasnya, maka baling-baling akan mengarahkan
sudutnya ke arah berlawanan untuk menjaga daya keluaran agar tetap beroperasi
dengan efektif [2].
2.3 Pitch Angle Control
Kontrol sudut baling-baling turbin angin adalah kontrol yang mengubah
besaran sudut baling-baling dalam menghadapi arah datangnya angin. Dengan
merubah besaran sudut serangan pada arah datang angin, maka tingkat
aerodinamika turbin akan berubah dan menyebabkan turbin memiliki sifat
pengereman secara sintetis dengan memanfaatkan arah serangan sudut turbin.

22
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.7 Pengaruh sudut pitch angle pada aerodinamika turbin
Pengaturan pitch angle akan merubah sudut baling-baling dengan memutar
leher baling-baling yang terlekat pada rotor turbin. Putaran pada leher rotor ini
dibantu oleh sebuah servo motor dimana servo motor akan mendapatkan perintah
dari pengendali. Pengendali akan memantau kecepatan angin yang sedang
mengalir di udara dengan memanfaatkan anemometer yang terpasang pada ekor
turbin. Anemometer kemudian akan terhubung pada sensor untuk mengetahui
berapa kecepatan angin yang sedang mengalir dan memberikan sinyal pada
pengendali. Pengendali akan memroses data angin yang diterima untuk kemudian
menghasilkan besar geseran sudut yang harus diberikan pada servomotor. Adapun
geseran pada baling-baling dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Cara kerja kontrol sudut baling-baling turbin angin

23
Universitas Sumatera Utara

Koefisien performasi turbin angin (Cp) menentukan proporsi dari energi
angin yang dapat dimanfaatkan oleh turbin angin untuk dikonversi menjadi energi
listrik. Besaran ini sangat tergantung pula pada pitch angle baling-baling turbin.
Memutar tiap baling-baling pada sisi longitudinalnya akan merubah pitch angle
yang akan menyebabkan berubahnya besaran Cp yang selanjutnya akan merubah
besaran daya yang dihasilkan dari angin. Pengaturan sudut ini dapat dilakukan
dengan tepat dan cepat dengan menggunakan kontrol servo motor elektrik,
dimana penggunaan perangkat ini memungkinkan kontrol yang halus pada daya
keluaran turbin. Umumnya turbin angin dengan daya lebih dari 0.5 MW
menggunakan kontrol ini sebagai pengatur daya. Tujuan lain dari penggunaan
kontrol ini adalah untuk menghindari daya masukan aerodinamis dan torsi yang
melebihi kemampuan elektris dan mekanis dari perangkat turbin angin dimana hal
ini dapat disebabkan oleh kecepatan angin yang melebihi batas toleransi
kecepatan angin yang dapat diterima turbin [2].
Kontrol diagram secara skematis dapat dilihat pada gambar 2.9 [5].

Gambar 2.9 Diagram blok kontrol pitch angle

24
Universitas Sumatera Utara

Torsi generator (Qe) dan pitch angle ( ) mengontrol turbin angin. Sistem
kontrol ini menggunakan besaran daya yang dibangkitkan (Pe) dan kecepatan
generator ( r), dan dibandingkan dengan torsi generator referensi (Qe
pitch angle referensi (

ref

ref

) dan

), dengan menggunakan dua tahapan kontrol [5].

Aplikasi kontrol ini memungkinkan energi yang yang ditangkap turbin
menjadi maksimal saat kecepatan angin rendah dengan memanfaatkan efek tip
speed ratio yang konstan akibat penambahan kontrol tersebut. Pada saat
kecepatan angin rendah, maka pitch angle akan diatur pada besaran yang konstan
yaitu pada pitch angle yang menghasilkan daya terbesar. Sedangkan pada saat
kecepatan angin tinggi, maka torsi dan daya akan dibatasi pada Qrate dan Prate yang
memiliki besaran yang konstan [5].
Pengaturan pitch angle dibutuhkan pada kondisi dimana kecepatan angin
yang sedang bekerja lebih tinggi daripada kecepatan angin yang menjadi dasar
kerja (rated wind speed) turbin angin tersebut. Sedikit perubahan pada pitch angle
akan memiliki pengaruh yang signifikan pada daya yang dihasilkan. Adapun
beberapa tujuan dari penggunaan kontrol pitch angle adalah [6]:


Memaksimalkan daya keluaran pada turbin angin, dimana saat
kecepatan angin dibawah rata-rata maka pengaturan sudut balingbaling harus pada titik optimumnya agar menghasilkan daya
maksimal.



Menghindari masukan daya mekanis dari angin yang melebihi
kemampuan dari turbin angin itu sendiri. Saat kecepatan angin
diatas rata-rata, kontrol pitch angle akan memberikan pengaturan

25
Universitas Sumatera Utara

agar daya yang dihasilkan dan daya aerodinamika yang diterima
turbin tetap dalam keadaan efektif.
Pitch control memiliki dua strategi pengerjaan, yaitu dengan cara
konvensional dimana menggunakan proportional and integral (PI) controller
yang membutuhkan pengetahuan tentang dinamika sistem yang baik. Sedangkan
cara lainnya adalah dengan menggunakan logika fuzzy dimana tidak diperlukan
dinamika sistem yang sangat dikenali dan ketika data yang digunakan tidak linear,
misalnya seperti tenaga angin yang kecepatannya terus berubah-ubah (tidak
konstan) [6].
2.3.1 Proportional and Integral (PI) Controller
Pengaturan pitch angle berfungsi untuk mencari sudut kerja optimal dari
baling-baling turbin angin pada kecepatan angin tertentu. Pengaturan pitch angle
umumnya menggunakan proportional and integral (PI) controller. Kinerja yang
baik dari turbin angin tergantung pada pilihan gain pengendali, namun pemilihan
gain yang terbaik untuk jenis kontrol ini sangatlah sulit dan umumnya hanya
berdasarkan pada trial and error [7].
Pengaturan pitch angle dari baling-baling turbin angin digunakan untuk
menjaga pengaturan dan membatasi kerja turbin angin saat kecepatan angin
melebihi kecepatan kerja turbin. Untuk menempatkan baling-baling pada posisi
yang tepat, dibutuhkan servo motor hidrolik ataupun elektronik. Pada saat bekerja,
pitch angle akan mengatur sudut yang efektif dengan kecepatan 5-10o/s [6].
Beberapa strategi dalam pengontrolan turbin angin jenis ini dapat dilihat
pada gambar 2.10 [6].
26
Universitas Sumatera Utara

(a)

(b)

(c)
Gambar 2.10 Strategi pengaturan pitch angle. (a) kecepatan angin; (b)
kecepatan rotor generator; (c) daya dibangkitkan
Pitch angle referensi (

ref)

dikendalikan oleh masukan-masukan yang

berupa [6]:
1) Kecepatan angin, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (a).
Strategi kontrol ini hanya mengukur kecepatan angin yang datang
kepada turbin.

27
Universitas Sumatera Utara

2) Kecepatan rotor generator, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10
(b). Kecepatan rotor akan dibandingkan dengan referensinya.
Sinyal error akan dikirimkan ke PI control dan menghasilkan nilai
pitch angle referensi (

ref).

3) Daya generator, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (c). Sinyal
error dari daya generator akan