JURUSAN TEKNIK ELEKTRO - FTI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER TE.091399 TUGAS AKHIR 4 SKS Nama NRP Bidang Studi Tugas diberikan Dosen Pembimbing Judul : : : : : Ahmad Roni Utomo 2210 105 012 Teknik Sistem Pengaturan Semester 4 1. Dr. Ir. Mochammad Rameli 2. Imam Arifin, ST, MT. : Perancangan dan Implementasi Metode Kontrol Optimal LQR Untuk Pengendalian Frekuensi Pada Simulator Pembangkit Listrik Generator Pararel (Design and Implementation of LQR Control Method For Controlling Frequency Of The Parallel Generator Power Plant Simulator) Uraian Tugas Akhir : Simulator pembangkit listrik merupakan sistem yang digunakan untuk menyimulasikan pembangkit listrik yang sebenarnya. Parameter yang diuji diantaranya adalah frekuensi tegangan terbangkit, daya aktif, daya reaktif, faktor daya, dan tegangan terbangkit. Simulator pembangkit terdiri dari beberapa bagian yaitu rangkaian kontrol, simulasi beban dan 2 buah unit pembangkit yang dirangkai secara paralel untuk mensupplay beban yaitu satu buah genset 1KVA dan unit pembangkit dari sumber tegangan dari PLN yang dihubungkan dengan autotrafo dan simulator jaringan. Dalam tugas akhir ini akan dibahas mengenai pengaturan nilai frekuensi generator pada beban yang berubah-ubah dan metode kontrol yang digunakan adalah kontroler optimal yaitu LQR (Linier Quadratic Regulator). Pada tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan sistem, dan implementasi kontroler pada simulator pembangkit listrik.

Dosen Pembimbing I,

Dosen Pembimbing II,

Dr. Ir. Mochammad Rameli NIP. 1959 02 18 1986 10 1001 Mengetahui, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Ketua,

Imam Arifin, ST, MT. NIP. 1973 02 22 2002 12 1001 Menyetujui, Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan Koordinator,

Dr. Tri Arief Sardjono, ST., MT. Ir.Rusdhianto Effendie A.K, MT NIP. 1970 02 12 1995 12 1001 NIP. 1957 04 24 1985 02 1001 Usulan Tugas Akhir

A. JUDUL TUGAS AKHIR Perancangan dan Implementasi Metode Kontrol Optimal LQR Untuk Pengendalian Frekuensi Pada Simulator Pembangkit Listrik Generator Pararel

B. RUANG LINGKUP a) b)c)

Dasar Sistem Pengaturan Analisis dan Desain Sistem Pengaturan Metode control optimal LQR (Linier Quadratic Regulation)

C. LATAR BELAKANG Tenaga listrik sekarang ini sudah menjadi suatu kewajiban dan bahkan akan menjadi kebutuhan primer di masa yang akan datang terutama didaerah perkotaan. Dengan semakin berkembang dan meningkat kebutuhan akan tenaga listrik, maka kestabilan pada sistem tenaga listrik menjadi hal yang sangat penting dan harus diperhatikan. Salah satu pembangkit Listrik yang sering digunakan adalah generator. Salah satu maslah yang sering terjadi pada generator adalah bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja dengan baik (output tidak sesuai dengan yang diinginkan) atau bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu cara untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara paralel dengan generator yang telah bekerja sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama. Keuntungan dari menggabungkan 2 generator atau lebih dalam suatu jaringan listrik adalah bila salah satu generator tiba-tiba mengalami gangguan, maka generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain, sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari. Kestabilan sistem merupakan bagian yang dapat dipengaruhi oleh adanya gangguan besar maupun kecil, untuk menjaga kestabilan ini diperlukan strategi kontrol yang tepat. Strategi kontrol ini diperlukan agar apabila sistem tenaga listrik mengalami gangguan, maka respon sistem dalam mengatasi gangguan akan cepat dan handal, gangguan yang sering dialami oleh pembangkit listrik generator adalah adanya perubahan beban yang dapat mempengaruhi output frekuensi, untuk itu dibutuhkan suatu sistem kontrol yang dapat mengendalikan output frekuensi pada generator agar stabil di set point yang diinginkan meskipun beban berubah ubah. Pada tugas akhir ini akan dibahas mengenai perancangan penyetabil nilai frekuensi tegangan terbangkit agar tetap dalam kondisi relatif konstan. Sistem yang digunakan yaitu simulator pembangkit listrik yang terdiri dari rangkaian kontrol, beban dan 2 buah unit pembangkit yaitu satu buah genset 1 KVA dan unit pembangkit dari sumber tegangan dari PLN yang dirangkai menggunakan menggunakan autotrafo dan simulator jaringan.

D. PERUMUSAN MASALAH Permasalahan utama pada tugas akhir ini adalah mempertahankan output frekuensi dari genset yang dirangkai paralel dengan unit pembangkit listrik yang lain pada nilai tertentu terhadap beban yang berubah-ubah.

E. TUJUAN Pengerjaan tugas akhir ini bertujuan untuk merancang kontroler LQR (Linier Quadratic Regulator) yang diimplementasikan pada simulator pembangkit listrik. Kontroler ini diharapkan mampu menjaga nilai frekuensi tegangan terbangkit dari dua buah unit pembangkit serta dapat menggambarkan proses pembangkitan listrik yang sebenarnya. Hasil penelitian ini diharapkan mampu menjadi referensi perancangan penyetabil pembangkit listrik skala kecil.

F. TINJAUAN PUSTAKA1. Penelitian yang pernah dilakukan

Pada tahun 2011 pernah dilakukan penelitian tentang pengendalian frekuensi pada generator menggunakan metode kontrol LFC (Load Frequency Control) dengan tuning PID [5]. Pada penelitian ini didapat hasil bahwa metode kontrol LFC (Load Frequency Control) menggunakan tuning PID dapat mengendalikan frekuensi generator stabil di nilai setpoint yang sudah ditentukan pada beban yang berubah - ubah. Penggunaan metode kontrol ini masih memiliki kekurangan yaitu untuk melakukan aksi kontrolnya dibutuhkan energi yang cukup besar, dalam hal ini karena menggunakan genset maka dibutuhkan konsumsi bahan bakar yang banyak. Dari ide diatas maka pada tugas akhir ini akan dirancang dan dimplementasikan metode kontrol optimal LQR (Linier Quadratic Controller) untuk mengendalikan output frekuensi pada generator agar stabil di set point yang sudah ditentukan pada beban yang berubah - ubah, dengan metode ini diharapkan dapat mengendalikan nilai frekuensi di set point yang diinginkan (sesuai dengan penelitian sebelumnya metode kontrol LFC menggunakan tuning PID) dengan menggunakan energi yang seminimal mungkin. Pada tugas akhir ini genset (generator set) 1 KVA akan dirangkai secara paralel dengan unit pembangkit dari sumber tegangan dari PLN yang dihubungkan dengan autotrafo untuk mensupply suatu beban.

2. Prinsip kerja Generator set (genset)

Generator adalah mesin yang dapat mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik melalui proses induksi elektromagnetik. Generator ini memperoleh energi mekanis dari prime mover. Generator arus bolak-balik (AC) dikenal dengan sebutan alternator. Sedangkan genset (generator set) merupakan bagian dari generator. Genset merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Genset atau sistem generator penyaluran adalah suatu generator listrik yang terdiri dari panel, berenergi solar dan terdapat kincir angin yang ditempatkan pada suatu tempat. Generator terpasang satu poros dengan motor diesel, yang biasanya menggunakan generator sinkron (alternator) pada pembangkitan. Generator sinkron terdiri dari dua bagian utama yaitu: sistem medan magnet dan jangkar. Generator ini kapasitasnya besar, medan magnetnya berputar karena terletak pada rotor. Secara garis besar prinsip kerja dari generator sinkron adalah kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnet yang terletak diantara kutub magnet utara dan selatan diputar oleh prime over, pada kumparan rotor akan timbul medan magnet atau fluks yang bersifat bolak-balik atau fluks putar. Fluks putar akan memotong kumparan stator sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul gaya gerak listrik karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik (ggl) yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor. Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah: ...(1) Keterangan : f = frekuensi listrik (Hz) n = kecepatan putar rotor p = jumlah kutub magnet Rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50 Hz atau 60 Hz, generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin 4 kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm. 3. Metode Paralel Generator

Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau bahkan akan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara paralel dengan generator yang telah bekerja sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama. Keuntungan dari menggabungkan 2 generator atau lebih dalam suatu jaringan listrik adalah bila salah satu generator tiba-tiba mengalami gangguan, maka generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain, sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari.

Pada tugas akhir ini, dua pembangkit yang digunakan tidak semuanya menggunakan generator tetapi hanya menggunakan satu buah generator, sedangkan pembangkit yang lain menggunakan sumber tegangan dari PLN yang nantinya akan dihubungkan dengan autotrafo (sebagi simulator unit pembangkit Generator). Adapun syarat syarat yang harus dipenuhi untuk memparalel dua buah generator atau lebih ialah: 1. Polaritas dari generator harus sama dan tidak bertentangan setiap saat terhadap satu sama lainnya. 2. Nilai efektif arus bolak-balik dari tegangan harus sama. 3. Tegangan Generator yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang sama. 4. Frekuensi kedua generator atau frekuensi generator dengan jala-jala harus sama. 5. Urutan fasa dari kedua generator harus sama. 4. Metode Kontrol Optimal LQR (Linier Quadratic Regulator)

Istilah optimal mempunyai maksud hasil paling baik yang dapat dicapai dengan memperhatikan kondisi dan kendala dari suatu sistem. Dalam sistem kontrol optimal, istilah optimal seringkali merujuk pada minimal, misalnya meminimalkan bahan bakar (input), waktu dan kesalahan (error). Jika sebuah plan memiliki model state space seperti berikut : dx/dt = Ax + Bu .................................................................................................................(2) y = Cx + Du........................................................................................................................(3) u = - Kx...............................................................................................................................(4) Dimana dx/dt adalah state dari sistem, u adalah input, A adalah matrik sistem, B adalah input matrix, C adalah output matrix dan D adalah direct transition matrix. Pada sistem kontrol optimal berdasarkan indeks performansi kuadratis, optimasi kontrol dicapai dengan meminimalkan nilai indeks performansi berikut: J = [y'(t) Q y(t) + u'(t) R u(t)] dt.......................................................................................(5) Matrik Q adalah matriks simetrik nyata definit positif (atau semi definit positif) dan R adalah matriks nyata definit positif dan u adalah vektor kontrol. Jika elemen elemen matriks K yang tidak diketahui ditentukan sedemikian rupa sehingga meminimumkan indeks performansi, maka u = - Kx optimal untuk setiap syarat awal x(0).Dari hasil persamaan state space sistem dan indeks performansi didapat nilai matrik K yang optimal untuk indeks performansi yang dipilih sebagai: K = R-1BTP ....................(6) Dimana matriks P pada Persamaan (7) harus memenuhi persamaan tereduksi berikut: ATP + PA PBR 1 BTP + Q = 0............................................(7) Persamaan di atas disebut sebagai Persamaan Riccati. Dalam perancangan teknik kontrol optimal Linear Quadratic Regulator (LQR), setelah matriks P diketahui dari Persamaan Riccati, maka nilai P tersebut disubstitusikan ke Persamaan (7) sehingga didapat nilai matriks optimal K. Adapun untuk blok diagram kontrol optimal secara umum diperlihatkan padagambar berikut :

PLANT input

L

+ -

BU = -Kx + L

C

Output

A K Gambar 1. Blok Diagram Kontrol Optimal Secara Umum [6]G. METODOLOGI

Proses pengerjaan tugas akhir ini dilakukan melalui beberapa tahapan metodologi, yaitu: tahap persiapan (studi literatur), studi plant, pemodelan sistem, perancangan algoritma kontroler, simulasi hasil desain, implementasi, pengujian performa kontroler, evaluasi, dan penyusunan buku tugas akhir. Adapun langkah langkahnya secara garis besar adalah sebagai berikut : 1. Pada tahap studi literatur akan dipelajari mengenai sistem pembangkitan generator induksi, cara kerja motor induksi, teori load frequency control, Studi literatur dibutuhkan untuk menunjang pengerjaan tugas akhir dari segi teori. 2. Studi plant berfungsi untuk mengetahui kondisi plant secara keseluruhan serta fungsi masing-masing komponen penyusunnya. Pengujian fungsional plant dilakukan untuk memperbaiki serta menguji fungsi dari komponen penyusun sistem agar siap untuk diuji secara keseluruhan. Identifikasi sistem dilakukan untuk mendapatkan respon sistem serta memodelkan sistem. 3. Perancangan algoritma kontroler dilakukan berdasarkan hasil identifikasi sistem. Setelah perancangan algoritma kontroler, simulasi hasil desain pada software matlab dilakukan untuk mengetahui performa kontroler pada simulasi sistem yang telah dibuat pada software MATLAB. Apabila performa kontroler pada simulasi telah sesuai dengan yang diharapkan maka dilakukan implementasi kontroler pada sistem yang sebenarnya. Selama implementasi juga dilakukan evaluasi dan perbaikan untuk mendapat hasil yang sesuai. Penyusunan buku tugas akhir dilakukan sejak awal untuk hingga akhir pengerjaan tugas akhir sebagai laporan akhir. H. JADWAL KEGIATAN Pada penulisan tugas akhir dengan judul Perancangan dan Implementasi Metode Kontrol Optimal LQR Untuk Pengendalian Frekuensi Pada Simulator Pembangkit Listrik Generator Pararel ini, jadwal kegiatan terdiri atas tahap persiapan, pelaksanaan, dan penyelesaian. Rincian jadwal kegiatan program disajikan pada Tabel 1. I. DAFTAR PUSTAKA [1] Basuki Arief, Pengaturan Kecepatan Motor DC Secara Real Time Menggunakan Teknik Kontrol Optimal Linear Quadratic Regulator (LQR) 2004

[2] Tan Wen, Load Frequency Control: Problems and Solutions, Control Conference (CCC), 2011 30th Chinese Publication Year: 2011 , Page(s): 6281 6286 [3] V.Shanmuga sundaram, Load Frequency Control Using PID Tuned AN Controller in Power System, 2011 [4] Basuki Arief, Pengaturan Kecepatan Motor DC Secara Real Time Menggunakan Teknik Kontrol Optimal Linear Quadratic Regulator (LQR) 2004

N o 1.

Kegiatan1 2 3 4 5

Minggu ke6 7 8 9 10 11 12

Luaran yang Diharapkan

Studi Literatur Studi Buku Pegangan Studi Jurnal/Makalah Studi Media Online Teori Penunjang Teori Penunjang Teori Penunjang Model Matematika Kontrol fuzzy prediktif

2. 3. 4. 5. 6.

Permodelan Plant Perancangan kontroler Perancangan Komunikasi Implementasi pada Sistem Pengumpulan Data Pengumpulan dan Validasi Perumusan Kesimpulan dan Rekomendasi

Data Valid

Kesimpulan, Rekomendasi Buku Pengesahan

7.

Penulisan Buku Pengajuan Pengesahan