Modified Synchronous Reference Frame Unt (1)
Modified Synchronous Reference Frame
Untuk Pengendalian Inverter Empat Lengan
Pada Sistem Hibrida Generator Diesel dan Battery
dengan Beban Tidak Seimbang
Dedy Kurnia Setiawan1,2), Mochamad Ashari1), Mauridhi Hery Purnomo1)
1)Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, Indonesia
2)Jurusan Teknik Elektro, Universitas Jember, Indonesia
[email protected]
Abstract— This paper is proposes an improved control
strategy for a four leg inverter in a transformerless hybrid power
system (HPS) application. The system consists of two sources,
namely diesel generator and battery. The load is characterized by
unbalanced and high fluctuations. The objective of control system
is to balance the voltage and current of diesel generators output.
Thus the diesel generator can work optimally. The improvement
of control strategy is based on modified synchronous reference
frame. The output of voltage and current of the three-phase
inverter are decomposed to symmetrical component into
instantaneous positive, negative, and zero sequence components.
To generate inverter switching pulse is used a Carrier-Based
Pulsewidth Modulation (CBPWM) algorithm. Based on the
simulation results with Matlab 7.1, current unbalance of diesel
generator is decreased from 31.57% to 13.61% and voltage
unbalance is decreased from 5,47% to 0,56%.
Keywords—inverter empat lengan, hybrid power system,
beban tidak seimbang, komponen simetris, synchronous reference
frame, CBPWM
I.
PENDAHULUAN
Keadaan geografis Indonesia yang heterogen, menyebabkan
tidak meratanya jaring listrik terutama pada daerah-daerah
pedalaman dan terpencil. Penggunaan diesel generator sebagai
sumber energi alternatif menjadi salah satu solusinya.
Permasalahan yang sering terjadi pada diesel generator
adalah saat harus menyalurkan daya dengan beban yang tidak
seimbang antarfasanya. Ketidakseimbangan beban ini bisa
menyebabkan rugi-rugi pada diesel generator sehingga
kinerjanya tidak optimal. Salah satu penyebabnya adalah
pembebanan yang tidak merata dengan fluktuasi yang berbedabeda pada tiap fasanya. Salah satu metode yang digunakan
untuk mengatasi hal ini adalah mengkombinasikan diesel
generator dengan sumber lain, seperti energi terbarukan dan
battery menggunakan teknik tertentu. Gabungan dua sumber
energi atau lebih yang bersama-sama melayani beban disebut
dengan istilah hybrid power system (HPS) atau sistem tenaga
listrik hibrida yang ditunjukkan pada Gambar 1. Beberapa
teknik kendali HPS telah ditawarkan untuk dapat mengatasi
permasalahan ketidakseimbangan beban pada sumber diesel
generator..
Gambar 1. Contoh pembangkitan hybrid power system antara diesel generator
dengan energi terbarukan
Sebuah metode pendekatan menggunakan kendali umpan
balik dengan skema dead-beat control dan sebuah observer
diusulkan untuk mengurangi distorsi pada tegangan output
inverter 3 fasa [1]. Metode ini menggunakan current controller
pada loop minor dengan sampling frekuensi yang tinggi guna
memastikan tegangan output dengan cepat dan robust control.
Beberapa metode pengendalian lain pada HPS dipaparkan pada
[2]. Sayangnya, pendekatan-pendekatan ini tidak memberikan
kompensasi terhadap distorsi tegangan dan arus akibat
ketidakseimbangan beban.
Benhabib MC dan Saadate S melakukan kompensasi
ketidakseimbangan tegangan dengan regulasi arus dan
tegangan dengan synchronous reference frame pada frekuensi
fundamental. PI controller digunakan untuk mendapatkan zero
steady state error pada frekuensi fundamental [3]. Sayangnya
PI controller dalam penelitian ini hanya dapat menyebabkan
penggeseran fasa dan tidak dapat meng-cancel error secara
keseluruhan. Penelitian lain menyempurnakan metode ini
dengan menambah loop kendali untuk variabel 0. Hal ini
digunakan untuk memastikan tegangan keluarannya simetris
jika beban tidak seimbang [4]. Pendekatan lain menggunakan
synchronous reference frame yang dimodifikasi guna
meminimalkan ketidakseimbangan tegangan dan distorsi
harmonisa pada UPS [5]. Modifikasi ini dilakukan dengan
memisahkan sinyal kendali ke dalam komponen urutan positif
dan negatifnya.
Pada penelitian ini digunakan sebuah model yang
didasarkan pada dekomposisi tegangan dan arus tiga fasa ke
dalam komponen urutan simetrisnya, yaitu urutan positif,
negatif, dan nol. Ketiga urutan komponen simetris ini
dikendalikan dengan menggunakan dua acuan yang berbeda,
yaitu reference frame positif dan reference frame negatif.
Reference frame positif memiliki arah putaran yang berlawanan
arah dengan putaran jarum jam (counterclockwise) dengan
frekuensi sudut ω . Reference frame negatif memiliki arah
putaran searah jarum jam (clockwise) pada frekuensi ω .
Dengan demikian besaran tegangan dan arus dapat
dikendalikan sesuai dengan sinyal DC sebagai referensi
masing-masing. Penelitian ini menggunakan PI controller
sebagai pengendali dalam mengatur switching inverter
digunakan metode CBPWM.
II.
INVERTER EMPAT LENGAN
Pada sistem inverter tiga lengan pada sistem tiga fasa,
sesuai dengan topologi rangkaiannya, jumlah arus ketiga fasa
adalah bernilai nol. Dalam sistem hanya terdapat arus urutan
positif dan negatif, sedangkan arus urutan nol-nya tidak ada.
Jika inverter ini digunakan pada sistem tiga fasa dengan empat
saluran, maka perlu ditambahkan titik netral pada inverter.
Pada kondisi beban yang seimbang keberadaan saluran
netral bisa diabaikan, karena tidak akan ada arus yang
mengalirinya. Akan tetapi apabila bebannya tidak seimbang,
maka ketiadaan saluran netral dapat menyebabkan
ketidakseimbangan tiga fasa pada tegangan dan arus output
diesel generator atau grid. Hal ini disebabkan target kendali
pada sistem tegangan tiga fasa kontradiksi terhadap fakta
bahwa pada topologi inverter dengan tiga lengan tidak akan ada
arus urutan nol. Oleh sebab itu agar target kendali dapat
dicapai, maka saluran netral harus tersedia, sehingga arus
urutan nol-nya bisa mengalir melaluinya, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 3. Strategi kendali inverter empat lengan dengan MSRF
Tegangan dan arus output inverter didekomposisi ke dalam
komponen urutan : positif, negatif dan nol. Masing-masing
urutan ditransformasi ke dalam synchronous reference frame.
Dengan menggunakan regulasi arus dan tegangan, sinyal dq
dari hasil transformasi abc/dq dikendalikan secara terpisah
sesuai dengan komponen urutan simetrisnya. Proses
pengandalian ini dibagi menjadi 3 buah channel (saluran),
yaitu : channel positif, negatif dan nol. Hasilnya kemudian di
transformasi ke abc reference frame dan digunakan untuk
membangkitkan sinyal modulasi untuk inverter menggunakan
metode CBPWM.
A. Sequence decomposition dan Transformasi abc/dq
Representasi komponen simetris pada Persamaan (1)
j
v AN
1 1
1
2
v BN = 1 a
v CN 3 1 a
1 v AN , p
a v AN , n
a 2 v AN , z
v AN v AN , p + v AN ,n + v AN , z
v BN = v BN , p + v BN , n + v BN , z
v CN v CN , p + v CN , n + v CN , z
Gambar 2. Inverter empat lengan pada sistem tiga fasa
Selain guna mengatasi ketidakseimbangan beban saluran
netral juga dibutuhkan untuk menyediakan daya pada beban
satu fasa.
2π
diusulkan oleh C. L. Fortescue pada 1918, dengan a = e 3 .
Metode ini digunakan untuk menganalisis kondisi
ketidakseimbangan pada sistem tenaga. Meskipun demikian,
reperesentasi komponen simetris juga bisa untuk menganalisis
dan menjadi petunjuk dalam merancang sebuah konverter daya
[6].
(1)
(2)
Berdasarkan pada Persamaan (1) tiap-tiap gelombang tiga
fasa sinusoidal dapat diuraikan ke dalam urutan komponen
simetrisnya. Persamaan (2) adalah representasi tegangan output
inverter ke dalam komponen simetrisnya. Bentuk gelombang
sinusoidal yang tidak seimbang, dapat diuraikan menjadi :
urutan positif ( v AN , p , v BN , p , dan v CN , p ), urutan negatif
( v AN ,n , v BN ,n , dan v CN ,n ), dan urutan nol ( v AN ,Z , v BN ,Z , dan
III.
KENDALI INVERTER EMPAT LENGAN PADA HPS
Pada Gambar 3 ditunjukkan sebuah strategi kendali yang
didasarkan pada transformasi tegangan ke dalam komponen
simetrisnya.
v CN ,Z ). Untuk memudahkan implementasi digunakan 90o
phase-shift operator. Dengan menggunakan operator ini,
komponen urutan positif dan negatif menjadi Persamaan (3).
1
1
v p (t ) = − 0,5
3
− 0,5
1
1
v n (t ) = − 0,5
3
− 0,5
− 0.5 − 0.5
0 1 − 1
1
1
− 0,5 X 1(t ) −
− 1 0 1 X 2(t )
2 3
1
− 0,5
1 − 1 0
− 0.5 − 0.5
1 − 1
0
1
1
− 0,5 X 1(t ) +
− 1 0 1 X 2(t )
2 3
1
− 0,5
1 − 1 0
(3)
dengan
•
•
X1(t) = sinyal input fundamental
X2(t) = sinyal input fundamental yang digeser 90o
Pada urutan nol, ketiga komponen adalah identik, Gambar 4
(a). Komponen urutan ini tidak dapat langsung ditransformasi
ke synchronous reference frame karena phasornya memiliki
fasa dan amplitudo yang sama. Ketiga komponennya adalah
independen dari sudut pandang amplitudonya [7]. Dengan
demikian dimungkinkan untuk melakukan pergeseran ruang
sebesar 120o dan 240o pada phasor urutan nol, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 4(b) [8].
VAN,z
VAN,z VBN,z VCN,z
VBN,z
120
o
240o
VCN,z
(a)
(b)
B. Transformasi dq/abc dan Sequence Composition
Untuk mengembalikan tegangan dari koordinat dq ke
koordinat abc, digunakan Persamaan (6) yang merupakan
invers dari Persamaan (5) [9].
v a
v b
v c
sin
cos
(
)
(
)
t
t
ω
ω
2π v d
2π
= sin ωt −
cos ωt −
3 v q
3
− sin ωt + 2π cos ωt + 2π
3
3
(6)
Hasil invers transformasi Persamaan (6) yang berupa
komponen urutan simetris, disusun ulang (sequence
composition) ke dalam komponen tiga fasanya. Hal ini
dilakukan berdasarkan pada Persamaan (2).
C. Regulasi tegangan dan arus
Tujuan kendali pada ketiga channel, adalah untuk
meregulasi tegangan output inverter vdq,pnz ke beberapa nilai
referensi guna mendapatkan tegangan output tiga fasa yang
seimbang. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, terdapat
enam buah kendali sistem yang bertingkat, yang masingmasing mengacu pada nilai d atau q komponen urutan simetris.
Regulasi tegangan sebagai loop eksternal menggunakan PI.
Output regulator tegangan menjadi arus referensi pada loop
internal. Pada channel positif, tegangan komponen urutan
positif dibandingkan dengan amplitudo tegangan referensi yang
diinginkan. Error yang dihasilkan diproses oleh PI controller.
Hal ini ditunjukkan pada Gambar 5. Untuk tegangan urutan
negatif dan nol nilainya dipertahankan pada nilai nol dengan
menggunakan prosedur yang sama.
Gambar 4. Phasor komponen urutan nol
Sehingga phasor ini memiliki putaran yang searah dengan
putaran negative sequence dan nilai urutan nolnya menjadi :
1
1
0
0
1
0
1
1
v z (t ) = − 0,5 − 0,5 − 0,5 X 1(t ) +
− 1 − 1 − 1 X 2(t )
3
2
3
− 0,5 − 0,5 − 0,5
1
1 1
(4)
Hasil dekomposisi tegangan dan arus output inverter ke
dalam komponen simetris ditransformasi ke synchronous
reference frame yang berputar pada frekuensi fundamental.
Reference frame positif berputar berlawanan arah dengan arah
jarum jam, sedangkan pada reference frame negatif putarannya
searah jarum jam. Agar dapat melakukan transformasi abc/dq
digunakan Persamaan (5) [9].
Battery
vdp,ref
vqp,ref
vdn,ref
vqn,ref
vdz,ref
vqz,ref
PI Control
vfd,p
vfq,p
vfd,n
vfq,n
vfd,z
vfq,z
vDC
dq/abc
dan
sequence
composition
vabc
iDC
CBPWM
ia ib ic iN
PLL
Lf
idq,p
sequence
idq,n decomposition
dan
idq,z
ia
ib
ic
vdq,p
sequence
vdq,n decomposition
dan
v dq,z
VAN
VBN
VCN
abc/dq
abc/dq
2π v
2π
sin (ωt ) sin ωt −
a
sin ωt +
v d 2
3 (5)
3
=
v b
v q 3 cos(ωt ) cos ωt − 2π cos ωt + 2π v
3 c
3
Apabila variabel v pada Persamaan (1) hingga (5) diganti
dengan variabel i, maka persamaan ini berlaku untuk arus.
Diesel
Generator
(DG)
iaDG
ibDG
icDG
iNDG
Beban Tidak
Seimbang
Gambar 5. Strategi kendali inverter empat lengan dengan MSRF
Selain PI, pada loop internal juga memiliki beberapa
decoupling terms. Persamaan diferensial yang mengkopel arus
dan tegangan pada komponen urutan positif ditunjukkan oleh
Persamaan (7) dan (8). Pada komponen urutan negatif, arah
perputaran ω adalah kebalikan dengan arah perputaran
komponen urutan positif, sehingga persamaan diferensial pada
channel negatif adalah sama dengan Persamaan (7) dan (8)
hanya saja nilai ω adalah kebalikannya.
v fd , p =v d , p + R f i d , p + L f
di d , p
v fq , p =v q , p + R f i q , p + L f
di q , p
dt
dt
− ωL f iq , p
(7)
+ ωL f id , p
(8)
D. Carrier-Based PWM (CBPWM)
Berbagai strategi pembangkitan sinyal PWM untuk sistem
inverter tiga fasa telah dikembangkan. Berdasarkan pada
caranya, strategi ini digolongkan menjadi metode space vector
PWM (SVPWM) dan CBPWM. Pada inverter empat lengan,
metode 3-D space vector PWM dengan urutan pensaklaran
optimal telah diusulkan [10]. Berdasarkan
pada urutan
pensaklaran tersebut, nilai tegangan offset yang sesuai dapat
ditentukan. Dengan cara ini dibuktikan bahwa 3-D SVPWM
ekivalen dengan CBPWM [11].
Gambar 7. Skema CBPWM untuk inverter empat lengan
Dengan menggunakan metode CBPWM, vektor tegangan
nonzero dapat diletakkan ditengah selama periode sampling
yang identik dengan simetris aligned-class I 3-D SVPWM.
Skema CBPWM ditunjukkan pada Gambar 7. Tegangan offset
untuk dua level inverter empat lengan ditunjukkan pada
Persamaan (15).
v fn*
− Vmax /2,
= − Vmax /2,
− (V + V )/2,
max
min
jika Vmin > 0
jika Vmax < 0
lainnya
(15)
dengan Vmax= max (va,vb,vc) dan Vmin= min (va,vb,vc).
Gambar 6. PI Control pada kendali inverter empat lengan dengan MSRF
Tegangan urutan positif pada channel positif (vfd,p dan vfq,p)
dan urutan negatif (vfd,n dan vfq,n) pada channel negatif memiliki
nilai sesuai dengan Persamaan (9) hingga (12).
v fd , p =v d , p +(PI ).(id* , p −i d , p ) + ωL f iq , p
(9)
v fq , p =v q , p +(PI ).(iq*, p −i q , p ) − ωL f id , p
(10)
v fd , n =v d , n +(PI ).(i
(11)
v fq ,n =v q ,n +(PI ).(i
*
d ,n
*
q ,n
−i d , n ) − ωL f iq , n
−i q ,n ) + ωL f id , n
TABLE I.
(12)
Nilai tegangan urutan nol pada channel zero (vfd,z dan vfq,z)
ditentukan dengan melalui Persamaan (13) dan (14).
v fd , z =v d , z +(PI ).(id* , z −i d , z )
v fq ,z =v q , z +(PI ).(i −i q , z )
*
q,z
IV. HASIL DAN DISKUSI
Agar dapat melakukan verifikasi kelayakan dan
fungsionalitas terhadap strategi kendali yang diusulkan,
dilakukan simulasi komputer dengan menggunakan Matlab 7.1.
Simulasi dilakukan berdasarkan pada konfigurasi yang
ditunjukkan oleh Gambar 5 dan 6. Hasil simulasi akan
dibandingkan dengan metode synchronous reference frame
(SRF) konvensional.
Parameter
Nilai
Tegangan input battery (VDC)
Input/Output
Inverter
Filter
(13)
(14)
PARAMETER INVERTER DAN DIESEL GENERATOR
Input/Output
Diesel
generator
700 V
Tegangan output (Vphase-netral rms)
230 V
Frekuensi
50 Hz
Induktansi (Lf, LN)
0.3 mH
Resistansi (Rf, LN)
0.1 Ω
Tegangan output (Vphase-netral rms)
230 V
Frekuensi
50 Hz
Daya total
50 KW
Parameter inverter yang digunakan ditunjukkan pada Tabel
I. Pembebanan pada tiap-tiap fasa adalah sebagai berikut : fasa
A = 17 KW , fasa B = 13 KW , dan fasa C = 19 KW .
Gambar 8 dan 9 adalah gelombang tegangan dan arus yang
dihasilkan oleh simulasi dengan dua sistem kendali yang
berbeda. Gambar 8 merupakan hasil simulasi untuk HPS
dengan kendali SRF konvensional, sedangkan Gambar 9
menunjukkan HPS dengan kendali MSRF. Tingkat
keberhasilan kedua sistem kendali ini dapat dilihat melalui
persentase ketidakseimbangan tegangan dan arusnya. Semakin
kecil nilai ketidakseimbangan tegangan dan arus, maka kondisi
sistem semakin baik.
(b)
(c)
(a)
(d)
Gambar 9. Gelombang : (a) tegangan, (b) arus beban, (c) arus diesel generator,
dan (d) arus inverter, menggunakan kendali MSRF
(b)
(c)
Bila dibandingkan Gambar 8 dan Gambar 9, bentuk
gelombang tegangan (a) ketiga fasa jika dilihat secara seksama
terjadi perbaikan ketidakseimbangan pada ketiga fasa tegangan
apabila digunakan metode MSRF. Hal ini diperkuat dengan
nilai rms tegangan masing-masing fasa pada Tabel II. Begitu
pula bentuk gelombang arus diesel generator (c).
Ada beberapa standar yang bisa digunakan dalam
menentukan tingkat ketidakseimbangan tegangan pada sistem 3
fasa, seperti IEC, NEMA, dan IEEE. Pada penelitian ini
digunakan perhitungan yang didasarkan pada ANSI/IEEE Std
241-1990 [12]. Dalam standar ini, ketidakseimbangan tegangan
didefinisikan sebagai berikut :
% ketidakseimbangan = 100 x
deviasi maksimum tegangan fasa
rata - rata tegangan fasa
3.(va,b,c max − va,b,c min )
(16)
va, + vb + vc
adalah nilai RMS maksimum tegangan fasa, dan
= 100 x
(d)
Gambar 8. Gelombang : (a) tegangan, (b) arus beban, (c) arus diesel generator,
dan (d) arus inverter, menggunakan kendali SRF
dengan v a,b,c max
va,b,c min adalah nilai RMS minimum tegangan fasa. Untuk
mengukur tingkat ketidakseimbangan arus digunakan
Persamaan (16) dengan mengganti besaran tegangan menjadi
besaran arus.
(a)
Dengan menggunakan Persamaan (16) dapat ditentukan
nilai ketidakseimbangan tegangan dan arus untuk kedua sistem.
Perbandingan hasil perhitungan kedua sistem kendali
ditunjukkan pada Tabel II.
TABLE II.
HASIL PENGUKURAN DENGAN BEBAN TIDAK SEIMBANG
Parameter
Tegangan (rms)
diesel generator
• va
• vb
• vc
ketakseimbangan tegangan
Arus (rms)
diesel generator
• ia
• ib
• ic
ketakseimbangan arus
Tanpa
kompensasi
SRF
konvensional
Modified
SRF
205.43 V
212.84 V
201.53 V
209.08 V
215.41 V
205.20 V
211.35 V
210.18 V
210.41 V
5.47 %
4.86 %
0.56 %
22.01 A
17.44 A
24.13 A
21.21 A
19.78 A
24.40 A
22.91 A
20.01 A
23.00 A
31.57 %
21.20 %
13.61 %
Berdasarkan pada Tabel II diketahui bahwa terjadi
pengurangan ketidakseimbangan yang cukup signifikan apabila
pada HPS menggunakan kendali MSRF. Penurunan
ketidakseimbangan tegangannya mencapai 89.76%, sedangkan
penurunan ketidakseimbangan arusnya mencapai 56,89 %.
V.
KESIMPULAN
Dalam makalah ini, strategi baru pengendalian sistem
hibrida
antara
diesel
generator
dengan
battery
direkomendasikan. Berdasarkan pada perbandingan hasil
simulasi pada gelombang tegangan dan arus diesel generator
antara metode SRF konvensional dengan metode MSRF dapat
disimpulkan bahwa kualitas tegangan yang dikompensasi
menggunakan kendali MSRF jauh lebih baik daripada SRF
konvensional. Nilai ketidakseimbangan tegangannya sebesar
0.56 %. Selain itu, dengan MSRF ketidakseimbangan arus pada
diesel generator dapat dikurangi hingga mencapai 13.61 %.
REFERENCES
[1]
Youichi Ito and Shoichi Kawauchi, “Microprocessor-Based Robust
Digital Control for UPS with Three-phase PWM Inverter,” IEEE Trans.
on power Electronics, vol.10, no.2, , pp.196-204, March 1995.
[2] Frede Blaabjerg, "Overview Of Control And Grid Synchronization For
Distributed Power Generation Systems," IEEE Transactions on
Industrial Electronics, Vol. 53, No. 5,pp 1398-1409, October 2006
[3] Benhabib MC and Saadate S. “New Control Approach for Four-Wire
Active Power Filter Ased on The Use Of Synchronous Reference
Frame”. Elsevier : Electric Power System Research 73 (2005) 353–362
[4] Bottero´n F, Pinheiro H, Grundling HA, Pinheiro JR, and Hey HL.
“Digital Voltage and Current Controllers for Three-Phase PWM Inverter
for UPS Applications”. In: Industry applications conference, vol. 4,
2001. p. 2667–74
[5] Kyung-Hwan Kim, Nam-Joo Park, Dong-Seok Hyun "Advanced
Synchronous Reference Frame Controller for three-Phase UPS Powering
Unbalanced and Nonlinear Loads,"
[6] Robert A. Gannett , “Control Strategies for High Power Four-Leg
Voltage Source Inverters”, Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute
and State, 2001
[7] Fortescue CL. Method of symmetrical coordinates applied to the
solution of polyphase networks.AIEETrans 1918;37(Part II):1027–140
[8] I. Vechiu , H. Camblong, G. Tapia, B. Dakyo, and O. Curea, “Analysis
of a Hybrid Power System Behaviour under Renewable Resources and
Load Variation Using a Dynamic Simulation Model”, European Wind
Energy Conference & Exhibition, Athens, Greece, 27 February - 2
March 2006
[9] P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, Inc, 1994
[10] Zhang R, Prasad VH, Boroyevich D, Lee FC. Three-dimensional space
vector modulation for four-leg voltage-source converters. IEEE Trans
Power Electron 2002;17(3).
[11] Jang-Hwan Kim, Seung-Ki Sul,"A Carrier-Based PWM Method for
Three-Phase Four-Leg Voltage Source Converters," IEEE Trans. Power
Electronic, vol. 19, pp 66-75 ,January 2004
[12] ANSI/IEEE 241, “IEEE Recommended Practice for Electric Power
Systems in Commercial Buildings,” 1990
Untuk Pengendalian Inverter Empat Lengan
Pada Sistem Hibrida Generator Diesel dan Battery
dengan Beban Tidak Seimbang
Dedy Kurnia Setiawan1,2), Mochamad Ashari1), Mauridhi Hery Purnomo1)
1)Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, Indonesia
2)Jurusan Teknik Elektro, Universitas Jember, Indonesia
[email protected]
Abstract— This paper is proposes an improved control
strategy for a four leg inverter in a transformerless hybrid power
system (HPS) application. The system consists of two sources,
namely diesel generator and battery. The load is characterized by
unbalanced and high fluctuations. The objective of control system
is to balance the voltage and current of diesel generators output.
Thus the diesel generator can work optimally. The improvement
of control strategy is based on modified synchronous reference
frame. The output of voltage and current of the three-phase
inverter are decomposed to symmetrical component into
instantaneous positive, negative, and zero sequence components.
To generate inverter switching pulse is used a Carrier-Based
Pulsewidth Modulation (CBPWM) algorithm. Based on the
simulation results with Matlab 7.1, current unbalance of diesel
generator is decreased from 31.57% to 13.61% and voltage
unbalance is decreased from 5,47% to 0,56%.
Keywords—inverter empat lengan, hybrid power system,
beban tidak seimbang, komponen simetris, synchronous reference
frame, CBPWM
I.
PENDAHULUAN
Keadaan geografis Indonesia yang heterogen, menyebabkan
tidak meratanya jaring listrik terutama pada daerah-daerah
pedalaman dan terpencil. Penggunaan diesel generator sebagai
sumber energi alternatif menjadi salah satu solusinya.
Permasalahan yang sering terjadi pada diesel generator
adalah saat harus menyalurkan daya dengan beban yang tidak
seimbang antarfasanya. Ketidakseimbangan beban ini bisa
menyebabkan rugi-rugi pada diesel generator sehingga
kinerjanya tidak optimal. Salah satu penyebabnya adalah
pembebanan yang tidak merata dengan fluktuasi yang berbedabeda pada tiap fasanya. Salah satu metode yang digunakan
untuk mengatasi hal ini adalah mengkombinasikan diesel
generator dengan sumber lain, seperti energi terbarukan dan
battery menggunakan teknik tertentu. Gabungan dua sumber
energi atau lebih yang bersama-sama melayani beban disebut
dengan istilah hybrid power system (HPS) atau sistem tenaga
listrik hibrida yang ditunjukkan pada Gambar 1. Beberapa
teknik kendali HPS telah ditawarkan untuk dapat mengatasi
permasalahan ketidakseimbangan beban pada sumber diesel
generator..
Gambar 1. Contoh pembangkitan hybrid power system antara diesel generator
dengan energi terbarukan
Sebuah metode pendekatan menggunakan kendali umpan
balik dengan skema dead-beat control dan sebuah observer
diusulkan untuk mengurangi distorsi pada tegangan output
inverter 3 fasa [1]. Metode ini menggunakan current controller
pada loop minor dengan sampling frekuensi yang tinggi guna
memastikan tegangan output dengan cepat dan robust control.
Beberapa metode pengendalian lain pada HPS dipaparkan pada
[2]. Sayangnya, pendekatan-pendekatan ini tidak memberikan
kompensasi terhadap distorsi tegangan dan arus akibat
ketidakseimbangan beban.
Benhabib MC dan Saadate S melakukan kompensasi
ketidakseimbangan tegangan dengan regulasi arus dan
tegangan dengan synchronous reference frame pada frekuensi
fundamental. PI controller digunakan untuk mendapatkan zero
steady state error pada frekuensi fundamental [3]. Sayangnya
PI controller dalam penelitian ini hanya dapat menyebabkan
penggeseran fasa dan tidak dapat meng-cancel error secara
keseluruhan. Penelitian lain menyempurnakan metode ini
dengan menambah loop kendali untuk variabel 0. Hal ini
digunakan untuk memastikan tegangan keluarannya simetris
jika beban tidak seimbang [4]. Pendekatan lain menggunakan
synchronous reference frame yang dimodifikasi guna
meminimalkan ketidakseimbangan tegangan dan distorsi
harmonisa pada UPS [5]. Modifikasi ini dilakukan dengan
memisahkan sinyal kendali ke dalam komponen urutan positif
dan negatifnya.
Pada penelitian ini digunakan sebuah model yang
didasarkan pada dekomposisi tegangan dan arus tiga fasa ke
dalam komponen urutan simetrisnya, yaitu urutan positif,
negatif, dan nol. Ketiga urutan komponen simetris ini
dikendalikan dengan menggunakan dua acuan yang berbeda,
yaitu reference frame positif dan reference frame negatif.
Reference frame positif memiliki arah putaran yang berlawanan
arah dengan putaran jarum jam (counterclockwise) dengan
frekuensi sudut ω . Reference frame negatif memiliki arah
putaran searah jarum jam (clockwise) pada frekuensi ω .
Dengan demikian besaran tegangan dan arus dapat
dikendalikan sesuai dengan sinyal DC sebagai referensi
masing-masing. Penelitian ini menggunakan PI controller
sebagai pengendali dalam mengatur switching inverter
digunakan metode CBPWM.
II.
INVERTER EMPAT LENGAN
Pada sistem inverter tiga lengan pada sistem tiga fasa,
sesuai dengan topologi rangkaiannya, jumlah arus ketiga fasa
adalah bernilai nol. Dalam sistem hanya terdapat arus urutan
positif dan negatif, sedangkan arus urutan nol-nya tidak ada.
Jika inverter ini digunakan pada sistem tiga fasa dengan empat
saluran, maka perlu ditambahkan titik netral pada inverter.
Pada kondisi beban yang seimbang keberadaan saluran
netral bisa diabaikan, karena tidak akan ada arus yang
mengalirinya. Akan tetapi apabila bebannya tidak seimbang,
maka ketiadaan saluran netral dapat menyebabkan
ketidakseimbangan tiga fasa pada tegangan dan arus output
diesel generator atau grid. Hal ini disebabkan target kendali
pada sistem tegangan tiga fasa kontradiksi terhadap fakta
bahwa pada topologi inverter dengan tiga lengan tidak akan ada
arus urutan nol. Oleh sebab itu agar target kendali dapat
dicapai, maka saluran netral harus tersedia, sehingga arus
urutan nol-nya bisa mengalir melaluinya, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 3. Strategi kendali inverter empat lengan dengan MSRF
Tegangan dan arus output inverter didekomposisi ke dalam
komponen urutan : positif, negatif dan nol. Masing-masing
urutan ditransformasi ke dalam synchronous reference frame.
Dengan menggunakan regulasi arus dan tegangan, sinyal dq
dari hasil transformasi abc/dq dikendalikan secara terpisah
sesuai dengan komponen urutan simetrisnya. Proses
pengandalian ini dibagi menjadi 3 buah channel (saluran),
yaitu : channel positif, negatif dan nol. Hasilnya kemudian di
transformasi ke abc reference frame dan digunakan untuk
membangkitkan sinyal modulasi untuk inverter menggunakan
metode CBPWM.
A. Sequence decomposition dan Transformasi abc/dq
Representasi komponen simetris pada Persamaan (1)
j
v AN
1 1
1
2
v BN = 1 a
v CN 3 1 a
1 v AN , p
a v AN , n
a 2 v AN , z
v AN v AN , p + v AN ,n + v AN , z
v BN = v BN , p + v BN , n + v BN , z
v CN v CN , p + v CN , n + v CN , z
Gambar 2. Inverter empat lengan pada sistem tiga fasa
Selain guna mengatasi ketidakseimbangan beban saluran
netral juga dibutuhkan untuk menyediakan daya pada beban
satu fasa.
2π
diusulkan oleh C. L. Fortescue pada 1918, dengan a = e 3 .
Metode ini digunakan untuk menganalisis kondisi
ketidakseimbangan pada sistem tenaga. Meskipun demikian,
reperesentasi komponen simetris juga bisa untuk menganalisis
dan menjadi petunjuk dalam merancang sebuah konverter daya
[6].
(1)
(2)
Berdasarkan pada Persamaan (1) tiap-tiap gelombang tiga
fasa sinusoidal dapat diuraikan ke dalam urutan komponen
simetrisnya. Persamaan (2) adalah representasi tegangan output
inverter ke dalam komponen simetrisnya. Bentuk gelombang
sinusoidal yang tidak seimbang, dapat diuraikan menjadi :
urutan positif ( v AN , p , v BN , p , dan v CN , p ), urutan negatif
( v AN ,n , v BN ,n , dan v CN ,n ), dan urutan nol ( v AN ,Z , v BN ,Z , dan
III.
KENDALI INVERTER EMPAT LENGAN PADA HPS
Pada Gambar 3 ditunjukkan sebuah strategi kendali yang
didasarkan pada transformasi tegangan ke dalam komponen
simetrisnya.
v CN ,Z ). Untuk memudahkan implementasi digunakan 90o
phase-shift operator. Dengan menggunakan operator ini,
komponen urutan positif dan negatif menjadi Persamaan (3).
1
1
v p (t ) = − 0,5
3
− 0,5
1
1
v n (t ) = − 0,5
3
− 0,5
− 0.5 − 0.5
0 1 − 1
1
1
− 0,5 X 1(t ) −
− 1 0 1 X 2(t )
2 3
1
− 0,5
1 − 1 0
− 0.5 − 0.5
1 − 1
0
1
1
− 0,5 X 1(t ) +
− 1 0 1 X 2(t )
2 3
1
− 0,5
1 − 1 0
(3)
dengan
•
•
X1(t) = sinyal input fundamental
X2(t) = sinyal input fundamental yang digeser 90o
Pada urutan nol, ketiga komponen adalah identik, Gambar 4
(a). Komponen urutan ini tidak dapat langsung ditransformasi
ke synchronous reference frame karena phasornya memiliki
fasa dan amplitudo yang sama. Ketiga komponennya adalah
independen dari sudut pandang amplitudonya [7]. Dengan
demikian dimungkinkan untuk melakukan pergeseran ruang
sebesar 120o dan 240o pada phasor urutan nol, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 4(b) [8].
VAN,z
VAN,z VBN,z VCN,z
VBN,z
120
o
240o
VCN,z
(a)
(b)
B. Transformasi dq/abc dan Sequence Composition
Untuk mengembalikan tegangan dari koordinat dq ke
koordinat abc, digunakan Persamaan (6) yang merupakan
invers dari Persamaan (5) [9].
v a
v b
v c
sin
cos
(
)
(
)
t
t
ω
ω
2π v d
2π
= sin ωt −
cos ωt −
3 v q
3
− sin ωt + 2π cos ωt + 2π
3
3
(6)
Hasil invers transformasi Persamaan (6) yang berupa
komponen urutan simetris, disusun ulang (sequence
composition) ke dalam komponen tiga fasanya. Hal ini
dilakukan berdasarkan pada Persamaan (2).
C. Regulasi tegangan dan arus
Tujuan kendali pada ketiga channel, adalah untuk
meregulasi tegangan output inverter vdq,pnz ke beberapa nilai
referensi guna mendapatkan tegangan output tiga fasa yang
seimbang. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, terdapat
enam buah kendali sistem yang bertingkat, yang masingmasing mengacu pada nilai d atau q komponen urutan simetris.
Regulasi tegangan sebagai loop eksternal menggunakan PI.
Output regulator tegangan menjadi arus referensi pada loop
internal. Pada channel positif, tegangan komponen urutan
positif dibandingkan dengan amplitudo tegangan referensi yang
diinginkan. Error yang dihasilkan diproses oleh PI controller.
Hal ini ditunjukkan pada Gambar 5. Untuk tegangan urutan
negatif dan nol nilainya dipertahankan pada nilai nol dengan
menggunakan prosedur yang sama.
Gambar 4. Phasor komponen urutan nol
Sehingga phasor ini memiliki putaran yang searah dengan
putaran negative sequence dan nilai urutan nolnya menjadi :
1
1
0
0
1
0
1
1
v z (t ) = − 0,5 − 0,5 − 0,5 X 1(t ) +
− 1 − 1 − 1 X 2(t )
3
2
3
− 0,5 − 0,5 − 0,5
1
1 1
(4)
Hasil dekomposisi tegangan dan arus output inverter ke
dalam komponen simetris ditransformasi ke synchronous
reference frame yang berputar pada frekuensi fundamental.
Reference frame positif berputar berlawanan arah dengan arah
jarum jam, sedangkan pada reference frame negatif putarannya
searah jarum jam. Agar dapat melakukan transformasi abc/dq
digunakan Persamaan (5) [9].
Battery
vdp,ref
vqp,ref
vdn,ref
vqn,ref
vdz,ref
vqz,ref
PI Control
vfd,p
vfq,p
vfd,n
vfq,n
vfd,z
vfq,z
vDC
dq/abc
dan
sequence
composition
vabc
iDC
CBPWM
ia ib ic iN
PLL
Lf
idq,p
sequence
idq,n decomposition
dan
idq,z
ia
ib
ic
vdq,p
sequence
vdq,n decomposition
dan
v dq,z
VAN
VBN
VCN
abc/dq
abc/dq
2π v
2π
sin (ωt ) sin ωt −
a
sin ωt +
v d 2
3 (5)
3
=
v b
v q 3 cos(ωt ) cos ωt − 2π cos ωt + 2π v
3 c
3
Apabila variabel v pada Persamaan (1) hingga (5) diganti
dengan variabel i, maka persamaan ini berlaku untuk arus.
Diesel
Generator
(DG)
iaDG
ibDG
icDG
iNDG
Beban Tidak
Seimbang
Gambar 5. Strategi kendali inverter empat lengan dengan MSRF
Selain PI, pada loop internal juga memiliki beberapa
decoupling terms. Persamaan diferensial yang mengkopel arus
dan tegangan pada komponen urutan positif ditunjukkan oleh
Persamaan (7) dan (8). Pada komponen urutan negatif, arah
perputaran ω adalah kebalikan dengan arah perputaran
komponen urutan positif, sehingga persamaan diferensial pada
channel negatif adalah sama dengan Persamaan (7) dan (8)
hanya saja nilai ω adalah kebalikannya.
v fd , p =v d , p + R f i d , p + L f
di d , p
v fq , p =v q , p + R f i q , p + L f
di q , p
dt
dt
− ωL f iq , p
(7)
+ ωL f id , p
(8)
D. Carrier-Based PWM (CBPWM)
Berbagai strategi pembangkitan sinyal PWM untuk sistem
inverter tiga fasa telah dikembangkan. Berdasarkan pada
caranya, strategi ini digolongkan menjadi metode space vector
PWM (SVPWM) dan CBPWM. Pada inverter empat lengan,
metode 3-D space vector PWM dengan urutan pensaklaran
optimal telah diusulkan [10]. Berdasarkan
pada urutan
pensaklaran tersebut, nilai tegangan offset yang sesuai dapat
ditentukan. Dengan cara ini dibuktikan bahwa 3-D SVPWM
ekivalen dengan CBPWM [11].
Gambar 7. Skema CBPWM untuk inverter empat lengan
Dengan menggunakan metode CBPWM, vektor tegangan
nonzero dapat diletakkan ditengah selama periode sampling
yang identik dengan simetris aligned-class I 3-D SVPWM.
Skema CBPWM ditunjukkan pada Gambar 7. Tegangan offset
untuk dua level inverter empat lengan ditunjukkan pada
Persamaan (15).
v fn*
− Vmax /2,
= − Vmax /2,
− (V + V )/2,
max
min
jika Vmin > 0
jika Vmax < 0
lainnya
(15)
dengan Vmax= max (va,vb,vc) dan Vmin= min (va,vb,vc).
Gambar 6. PI Control pada kendali inverter empat lengan dengan MSRF
Tegangan urutan positif pada channel positif (vfd,p dan vfq,p)
dan urutan negatif (vfd,n dan vfq,n) pada channel negatif memiliki
nilai sesuai dengan Persamaan (9) hingga (12).
v fd , p =v d , p +(PI ).(id* , p −i d , p ) + ωL f iq , p
(9)
v fq , p =v q , p +(PI ).(iq*, p −i q , p ) − ωL f id , p
(10)
v fd , n =v d , n +(PI ).(i
(11)
v fq ,n =v q ,n +(PI ).(i
*
d ,n
*
q ,n
−i d , n ) − ωL f iq , n
−i q ,n ) + ωL f id , n
TABLE I.
(12)
Nilai tegangan urutan nol pada channel zero (vfd,z dan vfq,z)
ditentukan dengan melalui Persamaan (13) dan (14).
v fd , z =v d , z +(PI ).(id* , z −i d , z )
v fq ,z =v q , z +(PI ).(i −i q , z )
*
q,z
IV. HASIL DAN DISKUSI
Agar dapat melakukan verifikasi kelayakan dan
fungsionalitas terhadap strategi kendali yang diusulkan,
dilakukan simulasi komputer dengan menggunakan Matlab 7.1.
Simulasi dilakukan berdasarkan pada konfigurasi yang
ditunjukkan oleh Gambar 5 dan 6. Hasil simulasi akan
dibandingkan dengan metode synchronous reference frame
(SRF) konvensional.
Parameter
Nilai
Tegangan input battery (VDC)
Input/Output
Inverter
Filter
(13)
(14)
PARAMETER INVERTER DAN DIESEL GENERATOR
Input/Output
Diesel
generator
700 V
Tegangan output (Vphase-netral rms)
230 V
Frekuensi
50 Hz
Induktansi (Lf, LN)
0.3 mH
Resistansi (Rf, LN)
0.1 Ω
Tegangan output (Vphase-netral rms)
230 V
Frekuensi
50 Hz
Daya total
50 KW
Parameter inverter yang digunakan ditunjukkan pada Tabel
I. Pembebanan pada tiap-tiap fasa adalah sebagai berikut : fasa
A = 17 KW , fasa B = 13 KW , dan fasa C = 19 KW .
Gambar 8 dan 9 adalah gelombang tegangan dan arus yang
dihasilkan oleh simulasi dengan dua sistem kendali yang
berbeda. Gambar 8 merupakan hasil simulasi untuk HPS
dengan kendali SRF konvensional, sedangkan Gambar 9
menunjukkan HPS dengan kendali MSRF. Tingkat
keberhasilan kedua sistem kendali ini dapat dilihat melalui
persentase ketidakseimbangan tegangan dan arusnya. Semakin
kecil nilai ketidakseimbangan tegangan dan arus, maka kondisi
sistem semakin baik.
(b)
(c)
(a)
(d)
Gambar 9. Gelombang : (a) tegangan, (b) arus beban, (c) arus diesel generator,
dan (d) arus inverter, menggunakan kendali MSRF
(b)
(c)
Bila dibandingkan Gambar 8 dan Gambar 9, bentuk
gelombang tegangan (a) ketiga fasa jika dilihat secara seksama
terjadi perbaikan ketidakseimbangan pada ketiga fasa tegangan
apabila digunakan metode MSRF. Hal ini diperkuat dengan
nilai rms tegangan masing-masing fasa pada Tabel II. Begitu
pula bentuk gelombang arus diesel generator (c).
Ada beberapa standar yang bisa digunakan dalam
menentukan tingkat ketidakseimbangan tegangan pada sistem 3
fasa, seperti IEC, NEMA, dan IEEE. Pada penelitian ini
digunakan perhitungan yang didasarkan pada ANSI/IEEE Std
241-1990 [12]. Dalam standar ini, ketidakseimbangan tegangan
didefinisikan sebagai berikut :
% ketidakseimbangan = 100 x
deviasi maksimum tegangan fasa
rata - rata tegangan fasa
3.(va,b,c max − va,b,c min )
(16)
va, + vb + vc
adalah nilai RMS maksimum tegangan fasa, dan
= 100 x
(d)
Gambar 8. Gelombang : (a) tegangan, (b) arus beban, (c) arus diesel generator,
dan (d) arus inverter, menggunakan kendali SRF
dengan v a,b,c max
va,b,c min adalah nilai RMS minimum tegangan fasa. Untuk
mengukur tingkat ketidakseimbangan arus digunakan
Persamaan (16) dengan mengganti besaran tegangan menjadi
besaran arus.
(a)
Dengan menggunakan Persamaan (16) dapat ditentukan
nilai ketidakseimbangan tegangan dan arus untuk kedua sistem.
Perbandingan hasil perhitungan kedua sistem kendali
ditunjukkan pada Tabel II.
TABLE II.
HASIL PENGUKURAN DENGAN BEBAN TIDAK SEIMBANG
Parameter
Tegangan (rms)
diesel generator
• va
• vb
• vc
ketakseimbangan tegangan
Arus (rms)
diesel generator
• ia
• ib
• ic
ketakseimbangan arus
Tanpa
kompensasi
SRF
konvensional
Modified
SRF
205.43 V
212.84 V
201.53 V
209.08 V
215.41 V
205.20 V
211.35 V
210.18 V
210.41 V
5.47 %
4.86 %
0.56 %
22.01 A
17.44 A
24.13 A
21.21 A
19.78 A
24.40 A
22.91 A
20.01 A
23.00 A
31.57 %
21.20 %
13.61 %
Berdasarkan pada Tabel II diketahui bahwa terjadi
pengurangan ketidakseimbangan yang cukup signifikan apabila
pada HPS menggunakan kendali MSRF. Penurunan
ketidakseimbangan tegangannya mencapai 89.76%, sedangkan
penurunan ketidakseimbangan arusnya mencapai 56,89 %.
V.
KESIMPULAN
Dalam makalah ini, strategi baru pengendalian sistem
hibrida
antara
diesel
generator
dengan
battery
direkomendasikan. Berdasarkan pada perbandingan hasil
simulasi pada gelombang tegangan dan arus diesel generator
antara metode SRF konvensional dengan metode MSRF dapat
disimpulkan bahwa kualitas tegangan yang dikompensasi
menggunakan kendali MSRF jauh lebih baik daripada SRF
konvensional. Nilai ketidakseimbangan tegangannya sebesar
0.56 %. Selain itu, dengan MSRF ketidakseimbangan arus pada
diesel generator dapat dikurangi hingga mencapai 13.61 %.
REFERENCES
[1]
Youichi Ito and Shoichi Kawauchi, “Microprocessor-Based Robust
Digital Control for UPS with Three-phase PWM Inverter,” IEEE Trans.
on power Electronics, vol.10, no.2, , pp.196-204, March 1995.
[2] Frede Blaabjerg, "Overview Of Control And Grid Synchronization For
Distributed Power Generation Systems," IEEE Transactions on
Industrial Electronics, Vol. 53, No. 5,pp 1398-1409, October 2006
[3] Benhabib MC and Saadate S. “New Control Approach for Four-Wire
Active Power Filter Ased on The Use Of Synchronous Reference
Frame”. Elsevier : Electric Power System Research 73 (2005) 353–362
[4] Bottero´n F, Pinheiro H, Grundling HA, Pinheiro JR, and Hey HL.
“Digital Voltage and Current Controllers for Three-Phase PWM Inverter
for UPS Applications”. In: Industry applications conference, vol. 4,
2001. p. 2667–74
[5] Kyung-Hwan Kim, Nam-Joo Park, Dong-Seok Hyun "Advanced
Synchronous Reference Frame Controller for three-Phase UPS Powering
Unbalanced and Nonlinear Loads,"
[6] Robert A. Gannett , “Control Strategies for High Power Four-Leg
Voltage Source Inverters”, Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute
and State, 2001
[7] Fortescue CL. Method of symmetrical coordinates applied to the
solution of polyphase networks.AIEETrans 1918;37(Part II):1027–140
[8] I. Vechiu , H. Camblong, G. Tapia, B. Dakyo, and O. Curea, “Analysis
of a Hybrid Power System Behaviour under Renewable Resources and
Load Variation Using a Dynamic Simulation Model”, European Wind
Energy Conference & Exhibition, Athens, Greece, 27 February - 2
March 2006
[9] P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, Inc, 1994
[10] Zhang R, Prasad VH, Boroyevich D, Lee FC. Three-dimensional space
vector modulation for four-leg voltage-source converters. IEEE Trans
Power Electron 2002;17(3).
[11] Jang-Hwan Kim, Seung-Ki Sul,"A Carrier-Based PWM Method for
Three-Phase Four-Leg Voltage Source Converters," IEEE Trans. Power
Electronic, vol. 19, pp 66-75 ,January 2004
[12] ANSI/IEEE 241, “IEEE Recommended Practice for Electric Power
Systems in Commercial Buildings,” 1990