Pengaturan Pitch Angle Turbin Angin Berbasis Kendali Logika Fuzzy (Aplikasi Pada Data Angin Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya)
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]:
= . .
Dimana:
(2.1)
. .
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 dikirimkan ke PI controller dan
menghasilkan nilai pitch angle referensi (
ref).
Saat kecepatan
angin dekat besarannya dengan kecepatan kerja turbin, maka gain
pengendali yang lebih besar diperlukan dibandingkan saat
kecepatan angin lebih tinggi dari kecepatan kerja turbin meskipun
saat kecepatan angin lebih tinggi, sedikit saja perubahan pada sudut
baling-baling akan besar pengaruhnya pada torsi.
Proportional and integral (PI) controller dengan penjadwalan pengaturan
gain hanya bekerja dengan baik saat dinamika sistem tidak kuat, dimana hal ini
menyebabkan dibutuhkannya pengaturan gain yang lebih lanjut untuk menjamin
kinerja yang maksimal pada turbin angin pada tiap kecepatan angin yang ada. Hal
ini menyebabkan kontrol turbin angin jenis ini menjadi sangat sulit dan tidak
efektif. Sehingga diperlukan kontrol jenis lain untuk menutupi kekurangan yang
ada pada kontrol PI.
2.3.1 Fuzzy Logic Controller
Logika fuzzy pertama kali diajukan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk
mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi.
Menggunakan metoda menerjemahkan bahasa verbal yang tidak presisi dan
28
Universitas Sumatera Utara
bersifat kualitatif yang umunya digunakan pada komunikasi antara manusia.
Keuntungan utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem
yang dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu
yang bersamaan untuk mendapat performa optimal. [7].
Kontrol logika fuzzy sangat bermanfaat ketika dinamika sistem tidak
diketahui dengan baik atau ketika mengandung data yang tidak linear, seperti
kecepatan angin yang terus berubah-ubah besarnya dan berpotensi menimbulkan
turbulensi pada turbin angin [6].
Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah [6]:
i.
Menentukan input,
ii.
Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai,
iii.
Mendesain metode konversi hasil logika fuzzy dengan hasil sinyal keluaran
yang dikenal dengan defuzzyfikasi.
Pada pengontrolan turbin angin ini, logika fuzzy dapat memproses
masukan berupa kecepatan rotor generator ataupun daya yang dibangkitkan. Hal
ini sangat serupa dengan PI controller sehingga hasil kerja dari kedua jenis
kontrol ini akan serupa. Namun, logika fuzzy dapat mempermudah kerja saat
desain sistem kontrol karena proses pengerjaannya yang lebih mudah dan tidak
membutuhkan model matematika yang rumit.
Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy
(untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel yang
dinyatakan yang bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada
simulasi. Bentuk segitiga dan trapesium dari fungsi membership digunakan untuk
29
Universitas Sumatera Utara
masukan dan keluaran fuzzy pada error daya seperti pada gambar 2.11 dan 2.12
[7].
Gambar 2.11 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error)
Gambar 2.12 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut)
Peraturan pada kontrol fuzzy dinyatakan pada tabel 2.1 yang diatur untuk
dipilih berdasarkan logika fuzzy yang umumnya digunakan. Peraturan ini akan
menjadi dasar dalam menentukan besaran sudut yang berubah sesuai error daya.
Tabel 2.1 Dasar aturan untuk variasi besaran sudut
30
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
NL
= Negative Large
NM
= Negative Medium
NS
= Negative Small
PL
= Positive Large
PM
= Positive Medium
PS
= Positive Small
ZE
=Zero
Sistem dapat diilustrasikan seperti berikut: IF ∆P = NL THEN
var
= NL.
NL akan diberikan nilai berdasarkan fungsi membership dengan besaran input dan
output yang tidak presisi besaran angkanya. Sebagai interpretasi peraturan ini,
dimisalkan dengan: jika error daya yang dibangkitkan sangat rendah maka sudut
harus diturunkan akibat daya yang dibangkitkan sangat rendah, sehingga
var
dikurangi untuk pengaturan. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa pada
kontrol pitch angle dengan basis logika fuzzy, apabila daya output dibawah
besaran nominal, maka sudut akan dikurangi besarannya. Namun, apabila daya
output diatas besaran nominal, maka besar sudut akan dinaikkan [7].
Kontrol logika fuzzy yang berdasarkan deviasi daya dari nilai error ∆P
yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
∆ =
(2.5)
−
Dimana Pref adalah daya yang dinyatakan pada sistem dan Pg adalah daya
yang diukur pada generator. Adapun strategi pengontrolan dengan logika fuzzy ini
dapat digambarkan dengan diagram blok seperti pada gambar 2.13 [6].
31
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi
Selain dengan referensi daya, pengaturan pitch angle juga bisa dilakukan
dengan menggunakan referensi kecepatan putaran turbin angin. Kecepatan putaran
rotor turbin angin (
measured)
yang dinyatakan dalam rpm akan dibandingkan
dengan kecepatan putaran rotor yang diharapkan (
ref).
Kendali logika fuzzy akan
memproses error dan data kecepatan angin dimana error tersebut akan dinyatakan
dalam persamaan 2.6 [8].
∆
=
(2.6)
−
Dengan referensi kecepatan putaran rotor ini, maka strategi yang akan
digunakan ialah apabila kecepatan rotor berputar lebih besar dari referensi, atau
error positif, maka sudut baling-baling turbin angin harus ditambahkan. Namun,
apabila kecepatan putaran rotor yang diukur lebih rendah dari referensi atau error
negatif, maka sudut baling-baling turbin angin harus dikurangi.
Gambar 2.14 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi
32
Universitas Sumatera Utara
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]:
= . .
Dimana:
(2.1)
. .
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 dikirimkan ke PI controller dan
menghasilkan nilai pitch angle referensi (
ref).
Saat kecepatan
angin dekat besarannya dengan kecepatan kerja turbin, maka gain
pengendali yang lebih besar diperlukan dibandingkan saat
kecepatan angin lebih tinggi dari kecepatan kerja turbin meskipun
saat kecepatan angin lebih tinggi, sedikit saja perubahan pada sudut
baling-baling akan besar pengaruhnya pada torsi.
Proportional and integral (PI) controller dengan penjadwalan pengaturan
gain hanya bekerja dengan baik saat dinamika sistem tidak kuat, dimana hal ini
menyebabkan dibutuhkannya pengaturan gain yang lebih lanjut untuk menjamin
kinerja yang maksimal pada turbin angin pada tiap kecepatan angin yang ada. Hal
ini menyebabkan kontrol turbin angin jenis ini menjadi sangat sulit dan tidak
efektif. Sehingga diperlukan kontrol jenis lain untuk menutupi kekurangan yang
ada pada kontrol PI.
2.3.1 Fuzzy Logic Controller
Logika fuzzy pertama kali diajukan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk
mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi.
Menggunakan metoda menerjemahkan bahasa verbal yang tidak presisi dan
28
Universitas Sumatera Utara
bersifat kualitatif yang umunya digunakan pada komunikasi antara manusia.
Keuntungan utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem
yang dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu
yang bersamaan untuk mendapat performa optimal. [7].
Kontrol logika fuzzy sangat bermanfaat ketika dinamika sistem tidak
diketahui dengan baik atau ketika mengandung data yang tidak linear, seperti
kecepatan angin yang terus berubah-ubah besarnya dan berpotensi menimbulkan
turbulensi pada turbin angin [6].
Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah [6]:
i.
Menentukan input,
ii.
Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai,
iii.
Mendesain metode konversi hasil logika fuzzy dengan hasil sinyal keluaran
yang dikenal dengan defuzzyfikasi.
Pada pengontrolan turbin angin ini, logika fuzzy dapat memproses
masukan berupa kecepatan rotor generator ataupun daya yang dibangkitkan. Hal
ini sangat serupa dengan PI controller sehingga hasil kerja dari kedua jenis
kontrol ini akan serupa. Namun, logika fuzzy dapat mempermudah kerja saat
desain sistem kontrol karena proses pengerjaannya yang lebih mudah dan tidak
membutuhkan model matematika yang rumit.
Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy
(untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel yang
dinyatakan yang bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada
simulasi. Bentuk segitiga dan trapesium dari fungsi membership digunakan untuk
29
Universitas Sumatera Utara
masukan dan keluaran fuzzy pada error daya seperti pada gambar 2.11 dan 2.12
[7].
Gambar 2.11 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error)
Gambar 2.12 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut)
Peraturan pada kontrol fuzzy dinyatakan pada tabel 2.1 yang diatur untuk
dipilih berdasarkan logika fuzzy yang umumnya digunakan. Peraturan ini akan
menjadi dasar dalam menentukan besaran sudut yang berubah sesuai error daya.
Tabel 2.1 Dasar aturan untuk variasi besaran sudut
30
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
NL
= Negative Large
NM
= Negative Medium
NS
= Negative Small
PL
= Positive Large
PM
= Positive Medium
PS
= Positive Small
ZE
=Zero
Sistem dapat diilustrasikan seperti berikut: IF ∆P = NL THEN
var
= NL.
NL akan diberikan nilai berdasarkan fungsi membership dengan besaran input dan
output yang tidak presisi besaran angkanya. Sebagai interpretasi peraturan ini,
dimisalkan dengan: jika error daya yang dibangkitkan sangat rendah maka sudut
harus diturunkan akibat daya yang dibangkitkan sangat rendah, sehingga
var
dikurangi untuk pengaturan. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa pada
kontrol pitch angle dengan basis logika fuzzy, apabila daya output dibawah
besaran nominal, maka sudut akan dikurangi besarannya. Namun, apabila daya
output diatas besaran nominal, maka besar sudut akan dinaikkan [7].
Kontrol logika fuzzy yang berdasarkan deviasi daya dari nilai error ∆P
yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
∆ =
(2.5)
−
Dimana Pref adalah daya yang dinyatakan pada sistem dan Pg adalah daya
yang diukur pada generator. Adapun strategi pengontrolan dengan logika fuzzy ini
dapat digambarkan dengan diagram blok seperti pada gambar 2.13 [6].
31
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi
Selain dengan referensi daya, pengaturan pitch angle juga bisa dilakukan
dengan menggunakan referensi kecepatan putaran turbin angin. Kecepatan putaran
rotor turbin angin (
measured)
yang dinyatakan dalam rpm akan dibandingkan
dengan kecepatan putaran rotor yang diharapkan (
ref).
Kendali logika fuzzy akan
memproses error dan data kecepatan angin dimana error tersebut akan dinyatakan
dalam persamaan 2.6 [8].
∆
=
(2.6)
−
Dengan referensi kecepatan putaran rotor ini, maka strategi yang akan
digunakan ialah apabila kecepatan rotor berputar lebih besar dari referensi, atau
error positif, maka sudut baling-baling turbin angin harus ditambahkan. Namun,
apabila kecepatan putaran rotor yang diukur lebih rendah dari referensi atau error
negatif, maka sudut baling-baling turbin angin harus dikurangi.
Gambar 2.14 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi
32
Universitas Sumatera Utara