Strategi Modulasi Very Sparse Matrix Con (1)
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
Strategi Modulasi Very Sparse Matrix Converter
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan
Metode Linear Carrier SVPWM
Muldi Yuhendri
Mochammad Ashari, Mauridhi Hery Purnomo
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Negeri Padang
Padang, Indonesia
[email protected]
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya, Indonesia
[email protected], [email protected]
Abstrak— Pembangkit listrik tenaga angin umumnya
menggunakan konverter daya untuk menyalurkan daya ke
konsumen. Selain itu, konverter daya juga digunakan untuk
mengendalikan pembangkit dari sisi generator, seperti
kendali kecepatan untuk daya output maksimum. Dalam
paper ini diusulkan Very Sparse Matrik Konverter (VSMC)
untuk pembangkit listrik tenaga angin yang terhubung
dengan jala-jala. Selain tidak menggunakan DC link,
konverter ini juga dapat menghasilkan kualitas daya yang
lebih baik dibandingkan konverter lain. Modulasi VSMC
diusulkan dengan metode linear carrier Space Vector Pulse
Width Modulation (SVPWM), sedangkan kendali kecepatan
generator menggunakan metode Field Oriented Control
(FOC). Model disimulasikan menggunakan simulink Matlab
dengan kecepatan angin yang bervariasi. Hasil simulasi
menunjukkan bahwa metode yang diusulkan memberikan
hasil sesuai dengan yang diinginkan.
Kata Kunci—Turbin angin; VSMC; SVPWM; FOC;
I.
PENDAHULUAN
Pembangkit listrik tenaga angin adalah salah satu
pembangkit listrik energi terbarukan yang mulai
berkembang di Indonesia. Ada dua model operasi
pembangkit listrik tenaga angin, yaitu stand alone dan
terhubung dengan jala-jala. Operasi pembangkit yang
terhubung dengan jala-jala lebih efisien dibandingan stand
alone, karena tidak membutuhkan penyimpan energi
seperti baterai [1]. Pembangkit listrik tenaga angin yang
terhubung dengan jala-jala umumnya menggunakan
konverter daya untuk menyalurkan daya listrik dari
generator ke jala-jala. Selain untuk menyalurkan daya,
konverter daya juga digunakan untuk mengatur
pembangkit listrik tenaga angin dari sisi generator.
Secara umum, ada dua model konverter daya yang
digunakan untuk pembangkit listrik tenaga angin yang
terhubung dengan jala-jala, yaitu konverter dengan DC
link dan konverter tanpa DC link [1]-[3]. Model konverter
dengan DC link yang telah dikembangkan adalah Dioda
Rectifier – Inverter (DRI) [4] dan back to back converter
[5]. Salah satu kelemahan konverter ini adalah
menggunakan DC link yang membutuhkan kapasitor
ukuran besar dan sering tidak tahan lama. Untuk
mengatasi masalah ini, telah dikembangkan model
konverter tanpa DC link dengan menggunakan matrik
konverter. Selain tidak menggunakan DC link, matrik
konverter juga dapat menghasilkan kualitas daya yang
lebih baik dibandingkan DRI dan back to back konverter
[7]-[8].
Ada dua model matrix konveter yang telah digunakan
untuk pembangkit listrik tenaga angin, yaitu direct matrix
converter [6] dan indirect matrix converter [9]. Direct
matrix converter memiliki struktur switch seperti matrik 3
x 3 yang menggunakan banyak switch dan modulasinya
menjadi lebih rumit [9]. Indirect matrix converter terdiri
dari dua kelompok konverter yang dapat dimodulasi
secara terpisah, sehingga lebih sederhana seperti back to
back converter [1]. Kelemahan indirect matrix converter
adalah masih menggunakan banyak switch aktif. Untuk
mengatasi hal ini, telah dikembangkan model indirect
matrik konverter dalam [10] dengan jumlah switch aktif
yang lebih sedikit dibandingkan model konvensional.
Salah satu jenis indirect matrik konverter yang dihasilkan
dalam [10] adalah Very Sparse Matrix Converter
(VSMC). Konverter ini hanya menggunakan dua belas
switch aktif, sehingga lebih ekonomis dibandingkan
indirect matrix converter konvensional.
VSMC telah diterapkan untuk pembangkit listrik
tenaga angin dalam [1]-[3]. Umumnya VSMC dimodulasi
dengan metode SVPWM dengan pulsa carrier gelombang
segitiga. Dalam paper ini diusulkan teknik modulasi
VSMC menggunakan SVPWM dengan pulsa carrier
dalam bentuk linear. VSMC didesain untuk pembangkit
listrik tenaga angin yang terhubung dengan jala-jala.
Selain untuk menyalurkan daya ke jala-jala, VSMC juga
didesain untuk mengendalikan kecepatan generator untuk
memperoleh daya output maksimum pada setiap variasi
kecepatan angin. Kendali kecepatan generator didesain
menggunakan metode sudut torka konstan berbasis Field
Oriented Control (FOC). Dalam metode ini, kecepatan
generator dikendalikan melalui pengaturan arus stator
sumbu q dengan menggunakan kontroller PI.
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
VSMC
Filter
PMSG
S5
S3
S1
S6
S4
S2
Scp
Scn
ωm*
ωm
+
−
1 θr
s
VSC
abc / dq
iq
id
ωeψ q
PI
iq*
+
−
vo* _ dq
+
+
Grid
Cf
θr
dq / αβ
−
San
vi _ abc
*
v
i _ αβ
Linear Carrier
abc / αβ
SVPWM
SVPWM
=0
Sbn
Lf
Sap
CSC
Linear Carrier
*
− id
+
Sbp
+
ωeψ d
PI
PI
Gambar 1. Model sistem kendali pembangkit listrik tenaga angin menggunakan Very Sparse Matrix Converter
II.
MODEL SISTEM
Model sistem yang diusulkan ditunjukkan oleh
Gambar 1. Model terdiri dari turbin angin, generator tipe
Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG),
VSMC sebagai konverter untuk menghubungkan PMSG
dengan jala-jala, blok sistem modulasi VSMC dan sistem
kendali kecepatan PMSG.
A. Very Sparse Matrix Converter
Very Sparse Matrix Converter (VSMC) adalah salah
satu jenis indirect matrix converter tanpa DC link yang
dikembangkan dalam [10]. Struktur VSMC terdiri dari
dua kelompok konverter, yaitu Current Source Converter
(CSC) dan Voltage Source Converter (VSC), seperti yang
ditunjukkan dalam Gambar 1. Kelompok CSC terdiri dari
enam switch aktif, dimana setiap switch aktif dilengkapi
dengan empat dioda. Kelompok VSC mirip dengan
Voltage Source Inverter (VSI) konvensional yang terdiri
dari enam switch aktif dengan anti parallel dioda.
Penggunaan VSMC pada pembangkit listrik tenaga
angin didesain dengan konsep bahwa tegangan dan
frekuensi harus dapat bervariasi pada sisi generator serta
konstan pada sisi jala-jala. Di satu sisi tegangan output
VSC dalam bentuk stepdown. Karena tegangan output
generator bervariasi sesuai dengan variasi kecepatan
angin, maka untuk memenuhi konsep ini, sisi CSC
dihubungkan dengan jala-jala dan sisi VSC dihubungkan
dengan generator. CSC didesain untuk dapat
mempertahankan tegangan dc konstan di atas rata-rata,
sedangkan VSC akan menghasilkan tegangan dan
frekuensi bervariasi untuk kendali kecepatan generator.
Daya akan mengalir dari generator ke jala-jala dalam
bentuk backward. Untuk mengurangi harmonisa arus dan
tegangan pada sisi jala-jala, digunakan filter induktor –
kapasitor (LC) ukuran kecil pada sisi jala-jala.
B. Teknik Modulasi Very Sparse Matrix Converter
Faktor penting yang perlu diperhatikan dalam
mendesain teknik modulasi VSMC adalah tidak terjadi
hubung singkat antara CSC dengan VSC dalam setiap
perioda switching. Supaya tidak terjadi hubung singkat,
status switching CSC harus dikoordinasikan dengan status
switching VSC. Hal ini dapat dilakukan dengan
mendesain komutasi switch CSC dengan metode arus dc
link nol, yang terjadi ketika switch VSC dalam kondisi
free-wheel. Modulasi VSMC dalam paper ini didesain
menggunakan SVPWM dengan pulsa carrier bentuk
linear.
CSC dapat dianalogikan sebagai Current Source
Rectifier stand alone dengan referensi modulasinya vektor
arus input. Modulasi CSC didesain untuk mendapatkan
transfer tegangan dc di atas rata-rata dengan faktor daya
sama dengan 1 dan sudut fasa sama dengan nol. Karena
sudut fasa didesain sama dengan nol, maka referensi
modulasi CSC juga dapat menggunakan vektor tegangan
input dengan membagi vektor tegangan menjadi enam
sektor, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2. Setiap
status switching CSC, hanya dua switch yang aktif, yaitu
satu switch positif Sxp dan satu switch negatif Sxn dengan
xϵ{a,b,c}. Untuk mengurangi rugi daya karena switching,
maka perioda switching direduksi dengan menghilangkan
vektor nol. Duty cycle switch CSC untuk sektor 1 dapat
dirumuskan dengan persamaan:
dα i = − ( ib ia ) = − ( vb va )
d β i = − ( ic ia ) = − ( vc va )
dan dα i + d β i = 1
(1)
Duty cycle dan switch CSC yang aktif pada setiap
sektor ditunjukkan oleh Gambar 2.
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
11π / 6
0
π /6
π /2
dα i = − va vc
d β i = − vb vc
d β i = − vc va
3π / 2
d β i = − vc va
11π / 6
d β i = − va vb
dα i = − vb va
d β i = − va vb
dα i = − vb va
7π / 6
5π / 6
dα i = − va vc
dα i = − vc vb
d β i = − vb vc
dα i = − vc vb
Gambar 2. Duty cycle switch CSC pada setiap sektor
Switch VSC dimodulasi berdasarkan vektor tegangan
output yang dibagi menjadi enam sektor, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 3. Duty cycle switch VSC
dirumuskan dengan :
( 3 −θ )
= m sin (π )
3
dα o = mo sin π
dβ o
dengan
o
dan d 0 o = 1 − dα o − d β o
Supaya tidak terjadi hubung singkat, maka setiap
perubahan status switching switch CSC harus pada saat
switch VSC dalam kondisi free-wheel. Switch VSC akan
free-wheel ketika ketiga switch S1, S3 dan S5 dalam
kondisi terhubung (status 1) atau ketiganya dalam kondisi
terputus (status 0), seperti contoh yang ditunjukkan dalam
Gambar 4. Switch CSC yang aktif untuk sektor 1 adalah
Sap, San dan Sbn, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar
4. Hanya dua switch CSC yang konduksi pada setiap
status switching, yakni Sap dengan San atau Sap dengan Sbn.
Switch Sap konduksi selama satu perioda, sedangkan San
dan Sbn konduksi secara bergantian. Pergantian waktu
konduksi San dan Sbn terjadi saat ketiga switch VSC S1, S3
dan S5 dalam kondisi konduksi atau free-wheel.
Koordinasi antara switch CSC dengan switch VSC
didesain dengan cara menghitung ulang duty cycle kedua
kelompok konverter melalui Persamaan 4 dan membagi
waktu switching menjadi dua belas bagian, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 4.
T1 = T12 = 0.5 d β i dα o , T4 = T9 = 0.5 dα i d 0 o
T2 = T11 = 0.5 d β i d β o , T5 = T8 = 0.5 dα i d β o
(4)
Ts = T1 + T2 + ... + T12 = 1
(5)
T3 = T10 = 0.5 d β i d 0 o , T6 = T7 = 0.5 dα i dα o
(2)
o
dan
mo = 4V o 3V i
dan Tv = 0.5 Ts
(3)
mo adalah indeks modulasi. θo adalah sudut tegangan
output, V o adalah amplitud0 tegangan output dan V i
adalah amplitudo tegangan input.
dβi
1
2
dα o
1
2
dβo
1
2
d0o
1
2
d0o
dα i
1
2
dβo
1
2
dα o
1
2
dα o
1
2
dβo
1
2
dβo
1
2
d0o
1
2
d0o
1
2
dα o
Pulsa switching masing-masing switch konverter
diperoleh dengan membandingkan pulsa carrier dalam
bentuk linear dengan waktu switching yang diperoleh dari
duty cycle. Supaya tidak terjadi hubung singkat antara
switch CSC dengan switch VSC, maka waktu switching
switch CSC dikoordinasikan dengan waktu switching
switch VSC. Selain itu frekuensi switching VSC dibuat
dua kali frekuensi switching CSC. Gambar 4
menunjukkan skema koordinasi waktu switching CSC
dengan VSC untuk sektor 1, dimana satu perioda
switching CSC adalah selama Ts, sedangkan perioda
switching VSC adalah selama Tv.
Gambar 4. Koordinasi switch CSC dengan VSC
dβ oV β
3
Vi
2
Vo
ϕo
dα o V α
Pulsa modulasi setiap switch diperoleh dengan
membandingkan waktu switching dengan pulsa carrier,
dimana pulsa carrier didesain dalam bentuk linear yang
berubah dari nol ke satu dengan pengulangan sebesar
frekuensi switching CSC fc. Switch akan konduksi jika
pulsa modulasi bernilai satu dan terputus ketika bernilai
nol. Sebagai contoh, pulsa modulasi switch Sbn untuk
sektor 1 dapat ditentukan dengan rumus :
⎧=
⎪ 1 if (T1 + T2 + T3 ) < carrier < (T1 + T2 + ... + T9 )
(6)
Sbn = ⎨
⎪⎩ = 0 if (T1 + T2 + T3 ) > carrier > (T1 + T2 + ... + T9 )
Gambar 3. Space vektor tegangan output VSC
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
C. Sistem Kendali Kecepatan Generator
Kinerja VSMC dalam paper ini diujicobakan untuk
kendali kecepatan generator pembangkit listrik tenaga
angin, yang membutuhkan variasi tegangan dan frekuensi
pada sisi output VSMC. Kendali kecepatan generator
berfungsi untuk mendapatkan daya output maksimum
pada setiap variasi kecepatan angin. Daya maksimum
dapat diperoleh dengan mengendalikan kecepatan
generator pada titik koefisien daya maksimum turbin
angin, seperti yang ditunjukkan oleh kurva karaktristik
daya mekanik turbin angin pada Gambar 5.
dimana Kp dan Ki adalah penguat kontroller PI. m adalah
kecepatan terukur PMSG. np dan m adalah jumlah kutub
dan fluksi magnet permanen PMSG. Karena referensi
modulasi VSMC dalam bentuk tegangan, maka arus stator
luaran FOC (id* dan iq*) ditranformasikan ke dalam bentuk
tegangan sumbu dq (vd* dan vq*) menggunakan regulator
arus berbasis kontroller PI. Berdasarkan Gambar 1, nilai
vd* dan vq* ditentukan dengan persamaan :
(
(
vw 3
vw 2
ω
*
m1
ω ω
*
m2
vw1
*
m3
ωm* 4
ωm (rpm)
III.
Gambar 5. Karakteristik daya mekanik turbin angin
Gambar 5 menunjukkan bahwa pada setiap variasi
kecepatan angin terdapat satu titik daya maksimum, yang
berada pada kecepatan generator yang berbeda. Titik
tersebut merupakan titik koefisien daya maksimum Cp_max
dan titik Tip Speed Ratio (TSR) optimum λopt . Koefisien
daya adalah rasio daya mekanik turbin dengan daya angin
yang ditangkap turbin, sedangkan TSR merupakan rasio
kecepatan putaran jari-jari turbin dengan kecepatan angin
[11]. Untuk mendapatkan daya maksimum, maka
kecepatan generator harus dikendalikan pada titik
maksimum tersebut. Kecepatan referensi generator m*
untuk daya maksimum dirumuskan dengan :
ωm* = vw
λopt
(7)
R
vw adalah kecepatan angin dan R adalah jari-jari turbin
angin. Daya mekanik turbin angin pada titik maksimum
Pmax dapat dihitung dengan :
Pmax = 0.5 π R 2 ρ C p _ max (λopt , β ) vw3
(8)
dimana ρ adalah densitas udara dan β adalah sudut pitch
turbin angin.
Kendali kecepatan generator didesain dengan metode
sudut torka konstan berbasis Field Oriented Control
(FOC) dengan menggunakan generator tipe PMSG.
Dalam metode ini, kecepatan generator dikendalikan
melalui pengaturan arus stator sumbu q iq, sedangkan arus
stator sumbu d id dipertahankan konstan nol. Arus stator iq
dikendalikan dengan kontroller PI, dimana luarannya
ditentukan dengan :
(
Ki ⎞ *
⎛
⎜ K p + s ⎟ ωm − ωm
⎠
iq* = − ⎝
1.5 n p ψ m
)
)
(10)
dimana e adalah kecepatan sinkron PMSG. id dan iq
adalah arus stator terukur dalam sumbu dq. d dan q
adalah fluksi kumparan stator dalam sumbu dq. Tegangan
vd* dan vq* dijadikan referensi oleh VSMC dalam
mengatur tegangan dan frekuensi untuk kendali kecepatan
PMSG.
HASIL SIMULASI
Model system yang diusulkan dalam Gambar 1
disimulasikan dengan simulink matlab dengan parameter
seperti yang diuraikan dalam Tabel 1.
TABEL 1. PARAMETER SIMULASI
Parameter
VSMC :
Frekuensi switching
Filter
PMSG :
Daya
Resistansi stator
Induktansi stator
Jumlah kutub
Fluksi magnet permanen
Turbin angin :
Jari-jari
Koefisien daya maksimum
TSR optimum
Nilai
fc : 5000 Hz
L : 0.025 mH, C : 6.25 μF
P : 3 HP
Rs : 0.2 Ω
Ld = Ld : 8.5 mH
np : 4 pasang
m : 0.175 Wb
R:2m
Cp_max : 0.5312
λopt =8.09
Model yang yang diusulkan dalam Gambar 1
disimulasikasi dengan kecepatan angin yang bervariasi,
seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 6. Desain kendali
kecepatan PMSG dengan metode FOC memberikan
respon yang bagus dalam mengendalikan kecepatan
generator, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 7.
8
Kecepatan angin (m/dt)
Pm (watt)
Pmax
vw 4
)
⎡⎛
⎤
K ⎞
vd* = ⎢⎜ K p + i ⎟ id* − id ⎥ − ωeψ q
s ⎠
⎣⎝
⎦
⎡⎛
⎤
K ⎞
vq* = ⎢⎜ K p + i ⎟ iq* − iq ⎥ + ωeψ d
s
⎝
⎠
⎣
⎦
7
6
5
4
3
2
0
0.5
1
1.5
2
Waktu (dt)
(9)
Gambar 6. Kecepatan angin
2.5
3
3.5
4
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
Kecepatan Generator (rpm)
ωrr*
260
240
220
200
180
160
140
120
500
Tegangan Generator Van (Volt)
ωr
280
0
-500
0
0.5
1
1.5
2
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Waktu (dt)
2.5
(a)
Waktu (dt)
Gambar 7 menunjukkan bahwa kecepatan PMSG
dapat mengikuti kecepatan referensi untuk daya output
maksimum. Error maksimum 3 rpm hanya terjadi saat
kecepatan angin berubah secara drastis pada waktu satu
detik. Hal ini menunjukkan bahwa desain kendali
kecepatan dengan metode FOC berbasis kontroller PI
telah sukses mengendalikan kecepatan PMSG sesuai
dengan yang diharapkan.
Keberhasilan kontroller dalam mengendalikan
kecepatan PMSG tidak terlepas dari validnya desain
teknik modulasi VSMC menggunakan SVPWM dengan
pulsa carrier bentuk linear. Hal ini dapat dilihat pada
Gambar 8 yang menunjukkan pulsa modulasi VSMC
untuk sektor 1. Switch CSC yang aktif adalah Sap, San dan
Sbn, dimana Sap konduksi selama 1 perioda, sedangkan San
dan Sbn konduksi secara bergantian. Gambar 8
menunjukkan bahwa pergantian waktu konduksi San dan
Sbn terjadi saat switch VSC dalam kondisi free-wheel,
sehingga tidak terjadi hubung singkat dalam setiap
perubahan status switch VSMC.
0
-50
0
0.5
1
1.5
Waktu (dt)
(b)
500
400
Vdc (Volt)
Gambar 7. Kecepatan putaran PMSG.
Arus Generator (Ampere)
50
300
200
100
0
-100
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Waktu (dt)
(c)
Gambar 9. Performansi VSMC. (a) Tegangan output VSC van, (b) Arus
stator PMSG, (c) Tegangan DC VSMC
Keberhasilan teknik modulasi VSMC dengan linear
carrier SVPWM juga dapat dilihat dari bentuk tegangan
output yang ditunjukkan oleh Gambar 9.a. Tegangan fasa
output VSMC pada beban resisitif berbentuk tiga level,
sedangkan pada beban induktif mendekati sinusoidal.
Gambar 9.a menunjukkan bahwa bentuk tegangan van
mendekati sinusoidal, karena PMSG merupakan beban
induktif. Frekuensi output yang bervariasi untuk kendali
kecepatan generator dapat dilihat dari respon arus stator
yang ditunjukkan oleh Gambar 9.b. Frekuensi arus stator
bervariasi sesuai dengan kebutuhan untuk kendali
kecepatan generator. Desain teknik modulasi CSC yang
menghilangkan vektor nol membuat teganga dc tidak
pernah menyentuh nilai nol, seperti yang ditunjukkan oleh
Gambar 9.c. Teknik modulasi yang dirancang juga telah
sukses mempertahankan tegangan dc untuk selalu berada
di atas rata-rata. Hal ini menunjukkan bahwa desain
teknik modulasi VSMC menggunakan linear carrier
SVPWM memberikan hasil sesuai yang dengan harapan.
SAP
1
0
SBN
1
0
SCN
1
0
S1
1
0
S3
1
0
S5
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Waktu sw itching
Gambar 8. Pulsa modulasi VSMC untuk sektor 1
2.5
3
-3
x 10
Penggunaan filter LC pada sisi jala-jala juga telah
sukses meningkatkan kualitas daya VSMC. Hal ini dapat
dilihat dari grafik tegangan dan arus jala-jala, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 10. Tegangan jala-jala dapat
berbentuk sinusoidal dengan Total Harmonic Distortion
(THD) 1,06 %, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar
10.a dan Gambar 10.b. Arus jala-jala juga dapat
mendekati sinusoidal dengan THD 7,51%, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 10.c dan Gambar 10.d. Hal ini
menunjukkan bahwa harmonisa arus dan tegangan karena
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
pengaruh frekuensi switching dapat direduksi hanya
dengan menggunakan filter ukuran kecil. Hal ini menjadi
salah satu keunggulan VSMC. Selain tidak menggunakan
DC link, VSMC juga dapat menghasilkan kualitas daya
yang bagus. VSMC juga lebih ekonomis karena jumlah
switch aktifnya lebih sedikit dibandingkan indirect matrix
converter konvensional.
Tegangan grid (Volt)
400
300
200
100
hasil yang sesuai dengan diharapkan. Hal ini dapat dilihat
dari keluaran pulsa modulasi yang tidak menimbulkan
hubung singkat antar switch, transfer tegangan DC yang
selalu di atas rata-rata, serta frekuensi output yang
bervariasi sesuai dengan kebutuhan untuk kendali
kecepatan PMSG. Penggunaan filter LC juga telah dapat
mereduksi harmonisa tegangan dan arus, sehingga dapat
meningkatkan kulitas daya VSMC. Kendali kecepatan
PMSG dengan metode FOC juga telah dapat
mengendalikan kecepatan PMSG sesuai dengan
kecepatan referensi untuk daya output maksimum.
0
Kata Pengantar
-100
-200
-300
-400
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Waktu (dt)
(a)
Fundamental (50Hz) = 180.1 , THD= 1.06%
Terimakasih penulis ucapkan kepada Kementrian
Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi Republik
Indonesia yang telah mendanai penelitian ini melalui
hibah Penelitian Disertasi Doktor dengan kontrak No
161/UN35.2/PG/2015.
Mag (% of Fundamental)
100
Referensi
80
60
[1]
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Frequency (Hz)
(b)
40
Arus Grid (Ampere)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
Waktu (dt)
(c)
Fundamental (50Hz) = 16.12 , THD= 7.51%
Mag (% of Fundamental)
100
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Frequency (Hz)
(d)
Gambar 10. Performansi kualitas daya VSMC. (a) tegangan jala-jala, (b)
THD tegangan jala-jala, (c) arus jala-jala, (d) THD arus jala-jala
IV.
KESIMPULAN
Rancangan teknik modulasi VSMC dengan metode
linear carrier SVPWM untuk pembangkit listrik tenaga
angin telah disimulasikan dengan simulink Matlab. Hasil
simulasi menunjukkan bahwa desain linear carrier
SVPWM untuk modulasi switch VSMC memberikan
Muldi Yuhendri, M. Ashari and M.H. Purnomo, “A Novel
Sensorless MPPT Control For Wind Turbine Generators Using
Very Sparse Matrix Converter Based on Hybrid Inteligent
Control,” Int. Review of Electrical Engineering, vol. 10, no. 2, pp.
233-243, March-April 2015. (references)
[2] Muldi Yuhendri, M. Ashari and M.H. Purnomo, “Adaptive Type-2
Fuzzy Sliding Mode Control for Grid-Connected Wind Turbine
Generator Using Very Sparse Matrix Converter,” Int. Journal of
Renewable Energy Research, vol. 5, no. 3, pp. 668-676, 2015.
[3] M. Aner, E. Nowicki, D. Wood, “Employing a Very Sparse Matrix
Converter for Improved Dynamics of Grid-Connected Variable
Speed Small Wind Turbines”, IEEE Power and Energy Conference
at Illinois (PECI), Illionis, pp. 1-7, 24-25 February 2012.
[4] T. Ahmed, K. Nishida and M. Nakaoka, “Wind Power Grid
Integration of an IPMSG Using a Diode Rectifier and a Simple
MPPT Control for Grid-Side Inverters”, Journal of Power
Electronics, vol. 10, no. 5, pp. 548–554, 2010.
[5] KH. Kim, YC. Jeung, DC. Lee, and HG. Kim, “Robust Control of
PMSG Wind Turbine Systems with Back-to-Back PWM
Converters, Proceeding of 2nd IEEE International Symposium on
Power Electronics for Distributed Generation Systems, 2010.
[6] AG. Yang, and BH. Li, “Application of a Matrix Converter for
PMSG Wind Turbine Generation System”, 2nd IEEE Int.
Symposium on Power Electronic for Distributed Generation
Systems, , 2010.
[7] S. Round, F. Schafmeister, M. Heldwein, E. Pereira, L. Serpa and
JW. Kolar, “Comparison of Performance and Realization Effort of
a VSMC to a Voltage DC Link PWM Inverter with Active Front
end”, IEE Japanese Transaction, Vol. 126, No. 5, pp. 578–588,
2006.
[8] R. Melício, V.M.F. Mendes, J.P.S. Catalão, “Comparative study of
power converter topologies and control strategies for the harmonic
performance of variable-speed wind turbine generator systems”,
Energy, vol. 36, pp. 520–529, 2011.
[9] Y. Wang, R. Chen, J. Tan, J. and Mei Su, “An Optimal PID
Control of Wind Generation based on Matrix Converter”, 6th IEEE
Int. Power Electronics and Motion Control Conference, pp. 1104 –
1109, 2009.
[10] J. W. Kolar, F. Schafmeister and S. D. Round, H. Ertl, Novel
Three-Phase AC–AC Sparse Matrix Converters, IEEE Trans.
Power Electronics, vol. 22, pp. 1649 – 1661, September 2007.
[11] Muldi Yuhendri, M. Ashari and M.H. Purnomo, “Maximum
Output Power Tracking of Wind Turbine Using Inteligent Control
Approach,” TELKOMNIKA, vol. 9, no. 2, pp. 217-226, Agustus
2011.
I
I
y I
5
Strategi Modulasi Very Sparse Matrix Converter
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan
Metode Linear Carrier SVPWM
Muldi Yuhendri
Mochammad Ashari, Mauridhi Hery Purnomo
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Negeri Padang
Padang, Indonesia
[email protected]
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya, Indonesia
[email protected], [email protected]
Abstrak— Pembangkit listrik tenaga angin umumnya
menggunakan konverter daya untuk menyalurkan daya ke
konsumen. Selain itu, konverter daya juga digunakan untuk
mengendalikan pembangkit dari sisi generator, seperti
kendali kecepatan untuk daya output maksimum. Dalam
paper ini diusulkan Very Sparse Matrik Konverter (VSMC)
untuk pembangkit listrik tenaga angin yang terhubung
dengan jala-jala. Selain tidak menggunakan DC link,
konverter ini juga dapat menghasilkan kualitas daya yang
lebih baik dibandingkan konverter lain. Modulasi VSMC
diusulkan dengan metode linear carrier Space Vector Pulse
Width Modulation (SVPWM), sedangkan kendali kecepatan
generator menggunakan metode Field Oriented Control
(FOC). Model disimulasikan menggunakan simulink Matlab
dengan kecepatan angin yang bervariasi. Hasil simulasi
menunjukkan bahwa metode yang diusulkan memberikan
hasil sesuai dengan yang diinginkan.
Kata Kunci—Turbin angin; VSMC; SVPWM; FOC;
I.
PENDAHULUAN
Pembangkit listrik tenaga angin adalah salah satu
pembangkit listrik energi terbarukan yang mulai
berkembang di Indonesia. Ada dua model operasi
pembangkit listrik tenaga angin, yaitu stand alone dan
terhubung dengan jala-jala. Operasi pembangkit yang
terhubung dengan jala-jala lebih efisien dibandingan stand
alone, karena tidak membutuhkan penyimpan energi
seperti baterai [1]. Pembangkit listrik tenaga angin yang
terhubung dengan jala-jala umumnya menggunakan
konverter daya untuk menyalurkan daya listrik dari
generator ke jala-jala. Selain untuk menyalurkan daya,
konverter daya juga digunakan untuk mengatur
pembangkit listrik tenaga angin dari sisi generator.
Secara umum, ada dua model konverter daya yang
digunakan untuk pembangkit listrik tenaga angin yang
terhubung dengan jala-jala, yaitu konverter dengan DC
link dan konverter tanpa DC link [1]-[3]. Model konverter
dengan DC link yang telah dikembangkan adalah Dioda
Rectifier – Inverter (DRI) [4] dan back to back converter
[5]. Salah satu kelemahan konverter ini adalah
menggunakan DC link yang membutuhkan kapasitor
ukuran besar dan sering tidak tahan lama. Untuk
mengatasi masalah ini, telah dikembangkan model
konverter tanpa DC link dengan menggunakan matrik
konverter. Selain tidak menggunakan DC link, matrik
konverter juga dapat menghasilkan kualitas daya yang
lebih baik dibandingkan DRI dan back to back konverter
[7]-[8].
Ada dua model matrix konveter yang telah digunakan
untuk pembangkit listrik tenaga angin, yaitu direct matrix
converter [6] dan indirect matrix converter [9]. Direct
matrix converter memiliki struktur switch seperti matrik 3
x 3 yang menggunakan banyak switch dan modulasinya
menjadi lebih rumit [9]. Indirect matrix converter terdiri
dari dua kelompok konverter yang dapat dimodulasi
secara terpisah, sehingga lebih sederhana seperti back to
back converter [1]. Kelemahan indirect matrix converter
adalah masih menggunakan banyak switch aktif. Untuk
mengatasi hal ini, telah dikembangkan model indirect
matrik konverter dalam [10] dengan jumlah switch aktif
yang lebih sedikit dibandingkan model konvensional.
Salah satu jenis indirect matrik konverter yang dihasilkan
dalam [10] adalah Very Sparse Matrix Converter
(VSMC). Konverter ini hanya menggunakan dua belas
switch aktif, sehingga lebih ekonomis dibandingkan
indirect matrix converter konvensional.
VSMC telah diterapkan untuk pembangkit listrik
tenaga angin dalam [1]-[3]. Umumnya VSMC dimodulasi
dengan metode SVPWM dengan pulsa carrier gelombang
segitiga. Dalam paper ini diusulkan teknik modulasi
VSMC menggunakan SVPWM dengan pulsa carrier
dalam bentuk linear. VSMC didesain untuk pembangkit
listrik tenaga angin yang terhubung dengan jala-jala.
Selain untuk menyalurkan daya ke jala-jala, VSMC juga
didesain untuk mengendalikan kecepatan generator untuk
memperoleh daya output maksimum pada setiap variasi
kecepatan angin. Kendali kecepatan generator didesain
menggunakan metode sudut torka konstan berbasis Field
Oriented Control (FOC). Dalam metode ini, kecepatan
generator dikendalikan melalui pengaturan arus stator
sumbu q dengan menggunakan kontroller PI.
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
VSMC
Filter
PMSG
S5
S3
S1
S6
S4
S2
Scp
Scn
ωm*
ωm
+
−
1 θr
s
VSC
abc / dq
iq
id
ωeψ q
PI
iq*
+
−
vo* _ dq
+
+
Grid
Cf
θr
dq / αβ
−
San
vi _ abc
*
v
i _ αβ
Linear Carrier
abc / αβ
SVPWM
SVPWM
=0
Sbn
Lf
Sap
CSC
Linear Carrier
*
− id
+
Sbp
+
ωeψ d
PI
PI
Gambar 1. Model sistem kendali pembangkit listrik tenaga angin menggunakan Very Sparse Matrix Converter
II.
MODEL SISTEM
Model sistem yang diusulkan ditunjukkan oleh
Gambar 1. Model terdiri dari turbin angin, generator tipe
Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG),
VSMC sebagai konverter untuk menghubungkan PMSG
dengan jala-jala, blok sistem modulasi VSMC dan sistem
kendali kecepatan PMSG.
A. Very Sparse Matrix Converter
Very Sparse Matrix Converter (VSMC) adalah salah
satu jenis indirect matrix converter tanpa DC link yang
dikembangkan dalam [10]. Struktur VSMC terdiri dari
dua kelompok konverter, yaitu Current Source Converter
(CSC) dan Voltage Source Converter (VSC), seperti yang
ditunjukkan dalam Gambar 1. Kelompok CSC terdiri dari
enam switch aktif, dimana setiap switch aktif dilengkapi
dengan empat dioda. Kelompok VSC mirip dengan
Voltage Source Inverter (VSI) konvensional yang terdiri
dari enam switch aktif dengan anti parallel dioda.
Penggunaan VSMC pada pembangkit listrik tenaga
angin didesain dengan konsep bahwa tegangan dan
frekuensi harus dapat bervariasi pada sisi generator serta
konstan pada sisi jala-jala. Di satu sisi tegangan output
VSC dalam bentuk stepdown. Karena tegangan output
generator bervariasi sesuai dengan variasi kecepatan
angin, maka untuk memenuhi konsep ini, sisi CSC
dihubungkan dengan jala-jala dan sisi VSC dihubungkan
dengan generator. CSC didesain untuk dapat
mempertahankan tegangan dc konstan di atas rata-rata,
sedangkan VSC akan menghasilkan tegangan dan
frekuensi bervariasi untuk kendali kecepatan generator.
Daya akan mengalir dari generator ke jala-jala dalam
bentuk backward. Untuk mengurangi harmonisa arus dan
tegangan pada sisi jala-jala, digunakan filter induktor –
kapasitor (LC) ukuran kecil pada sisi jala-jala.
B. Teknik Modulasi Very Sparse Matrix Converter
Faktor penting yang perlu diperhatikan dalam
mendesain teknik modulasi VSMC adalah tidak terjadi
hubung singkat antara CSC dengan VSC dalam setiap
perioda switching. Supaya tidak terjadi hubung singkat,
status switching CSC harus dikoordinasikan dengan status
switching VSC. Hal ini dapat dilakukan dengan
mendesain komutasi switch CSC dengan metode arus dc
link nol, yang terjadi ketika switch VSC dalam kondisi
free-wheel. Modulasi VSMC dalam paper ini didesain
menggunakan SVPWM dengan pulsa carrier bentuk
linear.
CSC dapat dianalogikan sebagai Current Source
Rectifier stand alone dengan referensi modulasinya vektor
arus input. Modulasi CSC didesain untuk mendapatkan
transfer tegangan dc di atas rata-rata dengan faktor daya
sama dengan 1 dan sudut fasa sama dengan nol. Karena
sudut fasa didesain sama dengan nol, maka referensi
modulasi CSC juga dapat menggunakan vektor tegangan
input dengan membagi vektor tegangan menjadi enam
sektor, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2. Setiap
status switching CSC, hanya dua switch yang aktif, yaitu
satu switch positif Sxp dan satu switch negatif Sxn dengan
xϵ{a,b,c}. Untuk mengurangi rugi daya karena switching,
maka perioda switching direduksi dengan menghilangkan
vektor nol. Duty cycle switch CSC untuk sektor 1 dapat
dirumuskan dengan persamaan:
dα i = − ( ib ia ) = − ( vb va )
d β i = − ( ic ia ) = − ( vc va )
dan dα i + d β i = 1
(1)
Duty cycle dan switch CSC yang aktif pada setiap
sektor ditunjukkan oleh Gambar 2.
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
11π / 6
0
π /6
π /2
dα i = − va vc
d β i = − vb vc
d β i = − vc va
3π / 2
d β i = − vc va
11π / 6
d β i = − va vb
dα i = − vb va
d β i = − va vb
dα i = − vb va
7π / 6
5π / 6
dα i = − va vc
dα i = − vc vb
d β i = − vb vc
dα i = − vc vb
Gambar 2. Duty cycle switch CSC pada setiap sektor
Switch VSC dimodulasi berdasarkan vektor tegangan
output yang dibagi menjadi enam sektor, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 3. Duty cycle switch VSC
dirumuskan dengan :
( 3 −θ )
= m sin (π )
3
dα o = mo sin π
dβ o
dengan
o
dan d 0 o = 1 − dα o − d β o
Supaya tidak terjadi hubung singkat, maka setiap
perubahan status switching switch CSC harus pada saat
switch VSC dalam kondisi free-wheel. Switch VSC akan
free-wheel ketika ketiga switch S1, S3 dan S5 dalam
kondisi terhubung (status 1) atau ketiganya dalam kondisi
terputus (status 0), seperti contoh yang ditunjukkan dalam
Gambar 4. Switch CSC yang aktif untuk sektor 1 adalah
Sap, San dan Sbn, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar
4. Hanya dua switch CSC yang konduksi pada setiap
status switching, yakni Sap dengan San atau Sap dengan Sbn.
Switch Sap konduksi selama satu perioda, sedangkan San
dan Sbn konduksi secara bergantian. Pergantian waktu
konduksi San dan Sbn terjadi saat ketiga switch VSC S1, S3
dan S5 dalam kondisi konduksi atau free-wheel.
Koordinasi antara switch CSC dengan switch VSC
didesain dengan cara menghitung ulang duty cycle kedua
kelompok konverter melalui Persamaan 4 dan membagi
waktu switching menjadi dua belas bagian, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 4.
T1 = T12 = 0.5 d β i dα o , T4 = T9 = 0.5 dα i d 0 o
T2 = T11 = 0.5 d β i d β o , T5 = T8 = 0.5 dα i d β o
(4)
Ts = T1 + T2 + ... + T12 = 1
(5)
T3 = T10 = 0.5 d β i d 0 o , T6 = T7 = 0.5 dα i dα o
(2)
o
dan
mo = 4V o 3V i
dan Tv = 0.5 Ts
(3)
mo adalah indeks modulasi. θo adalah sudut tegangan
output, V o adalah amplitud0 tegangan output dan V i
adalah amplitudo tegangan input.
dβi
1
2
dα o
1
2
dβo
1
2
d0o
1
2
d0o
dα i
1
2
dβo
1
2
dα o
1
2
dα o
1
2
dβo
1
2
dβo
1
2
d0o
1
2
d0o
1
2
dα o
Pulsa switching masing-masing switch konverter
diperoleh dengan membandingkan pulsa carrier dalam
bentuk linear dengan waktu switching yang diperoleh dari
duty cycle. Supaya tidak terjadi hubung singkat antara
switch CSC dengan switch VSC, maka waktu switching
switch CSC dikoordinasikan dengan waktu switching
switch VSC. Selain itu frekuensi switching VSC dibuat
dua kali frekuensi switching CSC. Gambar 4
menunjukkan skema koordinasi waktu switching CSC
dengan VSC untuk sektor 1, dimana satu perioda
switching CSC adalah selama Ts, sedangkan perioda
switching VSC adalah selama Tv.
Gambar 4. Koordinasi switch CSC dengan VSC
dβ oV β
3
Vi
2
Vo
ϕo
dα o V α
Pulsa modulasi setiap switch diperoleh dengan
membandingkan waktu switching dengan pulsa carrier,
dimana pulsa carrier didesain dalam bentuk linear yang
berubah dari nol ke satu dengan pengulangan sebesar
frekuensi switching CSC fc. Switch akan konduksi jika
pulsa modulasi bernilai satu dan terputus ketika bernilai
nol. Sebagai contoh, pulsa modulasi switch Sbn untuk
sektor 1 dapat ditentukan dengan rumus :
⎧=
⎪ 1 if (T1 + T2 + T3 ) < carrier < (T1 + T2 + ... + T9 )
(6)
Sbn = ⎨
⎪⎩ = 0 if (T1 + T2 + T3 ) > carrier > (T1 + T2 + ... + T9 )
Gambar 3. Space vektor tegangan output VSC
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
C. Sistem Kendali Kecepatan Generator
Kinerja VSMC dalam paper ini diujicobakan untuk
kendali kecepatan generator pembangkit listrik tenaga
angin, yang membutuhkan variasi tegangan dan frekuensi
pada sisi output VSMC. Kendali kecepatan generator
berfungsi untuk mendapatkan daya output maksimum
pada setiap variasi kecepatan angin. Daya maksimum
dapat diperoleh dengan mengendalikan kecepatan
generator pada titik koefisien daya maksimum turbin
angin, seperti yang ditunjukkan oleh kurva karaktristik
daya mekanik turbin angin pada Gambar 5.
dimana Kp dan Ki adalah penguat kontroller PI. m adalah
kecepatan terukur PMSG. np dan m adalah jumlah kutub
dan fluksi magnet permanen PMSG. Karena referensi
modulasi VSMC dalam bentuk tegangan, maka arus stator
luaran FOC (id* dan iq*) ditranformasikan ke dalam bentuk
tegangan sumbu dq (vd* dan vq*) menggunakan regulator
arus berbasis kontroller PI. Berdasarkan Gambar 1, nilai
vd* dan vq* ditentukan dengan persamaan :
(
(
vw 3
vw 2
ω
*
m1
ω ω
*
m2
vw1
*
m3
ωm* 4
ωm (rpm)
III.
Gambar 5. Karakteristik daya mekanik turbin angin
Gambar 5 menunjukkan bahwa pada setiap variasi
kecepatan angin terdapat satu titik daya maksimum, yang
berada pada kecepatan generator yang berbeda. Titik
tersebut merupakan titik koefisien daya maksimum Cp_max
dan titik Tip Speed Ratio (TSR) optimum λopt . Koefisien
daya adalah rasio daya mekanik turbin dengan daya angin
yang ditangkap turbin, sedangkan TSR merupakan rasio
kecepatan putaran jari-jari turbin dengan kecepatan angin
[11]. Untuk mendapatkan daya maksimum, maka
kecepatan generator harus dikendalikan pada titik
maksimum tersebut. Kecepatan referensi generator m*
untuk daya maksimum dirumuskan dengan :
ωm* = vw
λopt
(7)
R
vw adalah kecepatan angin dan R adalah jari-jari turbin
angin. Daya mekanik turbin angin pada titik maksimum
Pmax dapat dihitung dengan :
Pmax = 0.5 π R 2 ρ C p _ max (λopt , β ) vw3
(8)
dimana ρ adalah densitas udara dan β adalah sudut pitch
turbin angin.
Kendali kecepatan generator didesain dengan metode
sudut torka konstan berbasis Field Oriented Control
(FOC) dengan menggunakan generator tipe PMSG.
Dalam metode ini, kecepatan generator dikendalikan
melalui pengaturan arus stator sumbu q iq, sedangkan arus
stator sumbu d id dipertahankan konstan nol. Arus stator iq
dikendalikan dengan kontroller PI, dimana luarannya
ditentukan dengan :
(
Ki ⎞ *
⎛
⎜ K p + s ⎟ ωm − ωm
⎠
iq* = − ⎝
1.5 n p ψ m
)
)
(10)
dimana e adalah kecepatan sinkron PMSG. id dan iq
adalah arus stator terukur dalam sumbu dq. d dan q
adalah fluksi kumparan stator dalam sumbu dq. Tegangan
vd* dan vq* dijadikan referensi oleh VSMC dalam
mengatur tegangan dan frekuensi untuk kendali kecepatan
PMSG.
HASIL SIMULASI
Model system yang diusulkan dalam Gambar 1
disimulasikan dengan simulink matlab dengan parameter
seperti yang diuraikan dalam Tabel 1.
TABEL 1. PARAMETER SIMULASI
Parameter
VSMC :
Frekuensi switching
Filter
PMSG :
Daya
Resistansi stator
Induktansi stator
Jumlah kutub
Fluksi magnet permanen
Turbin angin :
Jari-jari
Koefisien daya maksimum
TSR optimum
Nilai
fc : 5000 Hz
L : 0.025 mH, C : 6.25 μF
P : 3 HP
Rs : 0.2 Ω
Ld = Ld : 8.5 mH
np : 4 pasang
m : 0.175 Wb
R:2m
Cp_max : 0.5312
λopt =8.09
Model yang yang diusulkan dalam Gambar 1
disimulasikasi dengan kecepatan angin yang bervariasi,
seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 6. Desain kendali
kecepatan PMSG dengan metode FOC memberikan
respon yang bagus dalam mengendalikan kecepatan
generator, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 7.
8
Kecepatan angin (m/dt)
Pm (watt)
Pmax
vw 4
)
⎡⎛
⎤
K ⎞
vd* = ⎢⎜ K p + i ⎟ id* − id ⎥ − ωeψ q
s ⎠
⎣⎝
⎦
⎡⎛
⎤
K ⎞
vq* = ⎢⎜ K p + i ⎟ iq* − iq ⎥ + ωeψ d
s
⎝
⎠
⎣
⎦
7
6
5
4
3
2
0
0.5
1
1.5
2
Waktu (dt)
(9)
Gambar 6. Kecepatan angin
2.5
3
3.5
4
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
Kecepatan Generator (rpm)
ωrr*
260
240
220
200
180
160
140
120
500
Tegangan Generator Van (Volt)
ωr
280
0
-500
0
0.5
1
1.5
2
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Waktu (dt)
2.5
(a)
Waktu (dt)
Gambar 7 menunjukkan bahwa kecepatan PMSG
dapat mengikuti kecepatan referensi untuk daya output
maksimum. Error maksimum 3 rpm hanya terjadi saat
kecepatan angin berubah secara drastis pada waktu satu
detik. Hal ini menunjukkan bahwa desain kendali
kecepatan dengan metode FOC berbasis kontroller PI
telah sukses mengendalikan kecepatan PMSG sesuai
dengan yang diharapkan.
Keberhasilan kontroller dalam mengendalikan
kecepatan PMSG tidak terlepas dari validnya desain
teknik modulasi VSMC menggunakan SVPWM dengan
pulsa carrier bentuk linear. Hal ini dapat dilihat pada
Gambar 8 yang menunjukkan pulsa modulasi VSMC
untuk sektor 1. Switch CSC yang aktif adalah Sap, San dan
Sbn, dimana Sap konduksi selama 1 perioda, sedangkan San
dan Sbn konduksi secara bergantian. Gambar 8
menunjukkan bahwa pergantian waktu konduksi San dan
Sbn terjadi saat switch VSC dalam kondisi free-wheel,
sehingga tidak terjadi hubung singkat dalam setiap
perubahan status switch VSMC.
0
-50
0
0.5
1
1.5
Waktu (dt)
(b)
500
400
Vdc (Volt)
Gambar 7. Kecepatan putaran PMSG.
Arus Generator (Ampere)
50
300
200
100
0
-100
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Waktu (dt)
(c)
Gambar 9. Performansi VSMC. (a) Tegangan output VSC van, (b) Arus
stator PMSG, (c) Tegangan DC VSMC
Keberhasilan teknik modulasi VSMC dengan linear
carrier SVPWM juga dapat dilihat dari bentuk tegangan
output yang ditunjukkan oleh Gambar 9.a. Tegangan fasa
output VSMC pada beban resisitif berbentuk tiga level,
sedangkan pada beban induktif mendekati sinusoidal.
Gambar 9.a menunjukkan bahwa bentuk tegangan van
mendekati sinusoidal, karena PMSG merupakan beban
induktif. Frekuensi output yang bervariasi untuk kendali
kecepatan generator dapat dilihat dari respon arus stator
yang ditunjukkan oleh Gambar 9.b. Frekuensi arus stator
bervariasi sesuai dengan kebutuhan untuk kendali
kecepatan generator. Desain teknik modulasi CSC yang
menghilangkan vektor nol membuat teganga dc tidak
pernah menyentuh nilai nol, seperti yang ditunjukkan oleh
Gambar 9.c. Teknik modulasi yang dirancang juga telah
sukses mempertahankan tegangan dc untuk selalu berada
di atas rata-rata. Hal ini menunjukkan bahwa desain
teknik modulasi VSMC menggunakan linear carrier
SVPWM memberikan hasil sesuai yang dengan harapan.
SAP
1
0
SBN
1
0
SCN
1
0
S1
1
0
S3
1
0
S5
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Waktu sw itching
Gambar 8. Pulsa modulasi VSMC untuk sektor 1
2.5
3
-3
x 10
Penggunaan filter LC pada sisi jala-jala juga telah
sukses meningkatkan kualitas daya VSMC. Hal ini dapat
dilihat dari grafik tegangan dan arus jala-jala, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 10. Tegangan jala-jala dapat
berbentuk sinusoidal dengan Total Harmonic Distortion
(THD) 1,06 %, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar
10.a dan Gambar 10.b. Arus jala-jala juga dapat
mendekati sinusoidal dengan THD 7,51%, seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 10.c dan Gambar 10.d. Hal ini
menunjukkan bahwa harmonisa arus dan tegangan karena
Seminar Nasional Otomasi Industri dan Teknologi Informasi 2015 (SNOITI 2015)
I
I
y I
5
pengaruh frekuensi switching dapat direduksi hanya
dengan menggunakan filter ukuran kecil. Hal ini menjadi
salah satu keunggulan VSMC. Selain tidak menggunakan
DC link, VSMC juga dapat menghasilkan kualitas daya
yang bagus. VSMC juga lebih ekonomis karena jumlah
switch aktifnya lebih sedikit dibandingkan indirect matrix
converter konvensional.
Tegangan grid (Volt)
400
300
200
100
hasil yang sesuai dengan diharapkan. Hal ini dapat dilihat
dari keluaran pulsa modulasi yang tidak menimbulkan
hubung singkat antar switch, transfer tegangan DC yang
selalu di atas rata-rata, serta frekuensi output yang
bervariasi sesuai dengan kebutuhan untuk kendali
kecepatan PMSG. Penggunaan filter LC juga telah dapat
mereduksi harmonisa tegangan dan arus, sehingga dapat
meningkatkan kulitas daya VSMC. Kendali kecepatan
PMSG dengan metode FOC juga telah dapat
mengendalikan kecepatan PMSG sesuai dengan
kecepatan referensi untuk daya output maksimum.
0
Kata Pengantar
-100
-200
-300
-400
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Waktu (dt)
(a)
Fundamental (50Hz) = 180.1 , THD= 1.06%
Terimakasih penulis ucapkan kepada Kementrian
Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi Republik
Indonesia yang telah mendanai penelitian ini melalui
hibah Penelitian Disertasi Doktor dengan kontrak No
161/UN35.2/PG/2015.
Mag (% of Fundamental)
100
Referensi
80
60
[1]
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Frequency (Hz)
(b)
40
Arus Grid (Ampere)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
Waktu (dt)
(c)
Fundamental (50Hz) = 16.12 , THD= 7.51%
Mag (% of Fundamental)
100
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Frequency (Hz)
(d)
Gambar 10. Performansi kualitas daya VSMC. (a) tegangan jala-jala, (b)
THD tegangan jala-jala, (c) arus jala-jala, (d) THD arus jala-jala
IV.
KESIMPULAN
Rancangan teknik modulasi VSMC dengan metode
linear carrier SVPWM untuk pembangkit listrik tenaga
angin telah disimulasikan dengan simulink Matlab. Hasil
simulasi menunjukkan bahwa desain linear carrier
SVPWM untuk modulasi switch VSMC memberikan
Muldi Yuhendri, M. Ashari and M.H. Purnomo, “A Novel
Sensorless MPPT Control For Wind Turbine Generators Using
Very Sparse Matrix Converter Based on Hybrid Inteligent
Control,” Int. Review of Electrical Engineering, vol. 10, no. 2, pp.
233-243, March-April 2015. (references)
[2] Muldi Yuhendri, M. Ashari and M.H. Purnomo, “Adaptive Type-2
Fuzzy Sliding Mode Control for Grid-Connected Wind Turbine
Generator Using Very Sparse Matrix Converter,” Int. Journal of
Renewable Energy Research, vol. 5, no. 3, pp. 668-676, 2015.
[3] M. Aner, E. Nowicki, D. Wood, “Employing a Very Sparse Matrix
Converter for Improved Dynamics of Grid-Connected Variable
Speed Small Wind Turbines”, IEEE Power and Energy Conference
at Illinois (PECI), Illionis, pp. 1-7, 24-25 February 2012.
[4] T. Ahmed, K. Nishida and M. Nakaoka, “Wind Power Grid
Integration of an IPMSG Using a Diode Rectifier and a Simple
MPPT Control for Grid-Side Inverters”, Journal of Power
Electronics, vol. 10, no. 5, pp. 548–554, 2010.
[5] KH. Kim, YC. Jeung, DC. Lee, and HG. Kim, “Robust Control of
PMSG Wind Turbine Systems with Back-to-Back PWM
Converters, Proceeding of 2nd IEEE International Symposium on
Power Electronics for Distributed Generation Systems, 2010.
[6] AG. Yang, and BH. Li, “Application of a Matrix Converter for
PMSG Wind Turbine Generation System”, 2nd IEEE Int.
Symposium on Power Electronic for Distributed Generation
Systems, , 2010.
[7] S. Round, F. Schafmeister, M. Heldwein, E. Pereira, L. Serpa and
JW. Kolar, “Comparison of Performance and Realization Effort of
a VSMC to a Voltage DC Link PWM Inverter with Active Front
end”, IEE Japanese Transaction, Vol. 126, No. 5, pp. 578–588,
2006.
[8] R. Melício, V.M.F. Mendes, J.P.S. Catalão, “Comparative study of
power converter topologies and control strategies for the harmonic
performance of variable-speed wind turbine generator systems”,
Energy, vol. 36, pp. 520–529, 2011.
[9] Y. Wang, R. Chen, J. Tan, J. and Mei Su, “An Optimal PID
Control of Wind Generation based on Matrix Converter”, 6th IEEE
Int. Power Electronics and Motion Control Conference, pp. 1104 –
1109, 2009.
[10] J. W. Kolar, F. Schafmeister and S. D. Round, H. Ertl, Novel
Three-Phase AC–AC Sparse Matrix Converters, IEEE Trans.
Power Electronics, vol. 22, pp. 1649 – 1661, September 2007.
[11] Muldi Yuhendri, M. Ashari and M.H. Purnomo, “Maximum
Output Power Tracking of Wind Turbine Using Inteligent Control
Approach,” TELKOMNIKA, vol. 9, no. 2, pp. 217-226, Agustus
2011.