Its-paper-24694-rizkiani-1208100005-presentationpdf.pdf

Analisis dan Simulasi Konversi Energi Angin Menjadi Energi Listrik Menggunakan Metode Feedback Linearization Control

OLEH : ISTI RIZKIANI (1208 100 005) JURUSAN MATEMATIKA ITS DOSEN PEMBIMBING : Subchan, M.Sc., Ph.D Drs. Kamiran, M.Si

ABSTRAK Metode Feedback Linearization Control Pemanfaatan energi angin sebagai upaya dalam mencari energi alternatif

Setelah dilakukan Menganalisis linearisasi, model PMSG diperoleh nilai k1, dengan k2, dan k3 dengan menurunkan menggunakan model matematis kriteria kestabilan sistem fisis. Routh Hurwitz.

Simulasi dengan menggunakan software Matlab.

PENDAHULUAN Mencari sumber energi terbarukan yang dapat diperbaharui, seperti energi angin.

Feedback Linearization Control

PMSG berdasarkan SKEA (sistem konversi energi angin) merupakan sistem non linear.

Sebagian besar energi yang dibutuhkan oleh masyarakat disuplai dalam bentuk energi listrik. Energi angin dapat dikonversi ke dalam bentuk energi listrik dengan turbin angin (SKEA).

Rumusan Masalah & Batasan Masalah RUMUSAN MASALAH :

1. Bagaimana analisis model PMSG berdasarkan SKEA? 2. Bagaimana analisis konversi energi angin menjadi energi listrik menggunakan metode feedback linearization control? BATASAN MASALAH : 1. Model non linear PMSG berdasarkan SKEA diambil dari referensi [4]. 2. Arah angin satu arah. 3. Kecepatan angin berkisar antara 3m/s sampai 7m/s. 4. Jenis turbin angin yang digunakan adalah turbin angin Propeler. 5. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software Matlab.

Tujuan & Manfaat TUJUAN : 1. Menganalisis model PMSG berdasarkan SKEA. 2. Menganalisis konversi energi angin menjadi energi listrik menggunakan metode feedback linearization control. MANFAAT : 1. Diperoleh pengetahuan untuk menganalisis konversi energi angin menjadi energi listrik dengan tepat. 2. Dapat mengetahui daya maksimal yang dihasilkan dari SKEA sehingga dapat diterapkan pada pembangkit listrik tenaga angin hybrid.

MODEL SKEA [4]

Feedback Linearization Control Metode Feedback Linearization Control dalam bentuk :

dapat diterapkan ke sistem non linear

Untuk memahami sistem pada Persamaan (2) dan (3), digunakan turunan Lie dengan menggunakan aturan rantai. Definisi 1 [4]: Definisi 2 [4]:

Feedback Linearization Control Sistem non linear pada Persamaan (2) dan (3) mempunyai derajat relatif n jika [5] Diasumsikan bahwa derajat relatif sistem adalah n. Setelah mendifferensialkan output ke-n diperoleh : Transformasi variabel

Feedback Linearization Control Transformasi tersebut mengakibatkan sistem non linear pada Persamaan (2) dan (3) menjadi sistem linear dan terkontrol :

Dengan demikian, dari sistem non linear akan menjadi sistem linear :

Jika diberikan Persamaan (4) dan (5), maka dapat ditentukan kestabilan dari suatu sistem tersebut dengan menggunakan kriteria kestabilan Routh Hurwitz untuk mencari nilai k.

METODE PENELITIAN Studi Literatur Analisis Model SKEA Linearisasi SKEA Simulasi dengan Matlab Penarikan Kesimpulan

PEMBAHASAN Persamaan yang digunakan untuk membangun model PMSG ini terdiri dari persamaan tegangan untuk masing-masing sumbu d dan q, persamaan torsi magnet listrik, dan torsi mekanik. Persamaan tegangan untuk masing-masing sumbu d dan q adalah sebagai berikut :

Persamaan torsi magnet listrik yang ditulis Persamaan torsi mekanik diperoleh

diperoleh seperti berikut : seperti berikut :

PEMBAHASAN Untuk menentukan derajat relatif sistem, akan dihitung turunan Lie seperti berikut:

Transformasi variabel dari sistem menuju linearisasi parsial adalah :

PEMBAHASAN Untuk memastikan zero error, sebuah integrator ditambahkan ke dalam sistem. Sistem loop tertutup menjadi:

Dengan menggunakan kriteria kestabilan Routh Hurwitz, diperoleh nilai k1, k2, dan k3 seperti berikut :

SIMULASI DAN ANALISIS Dipilih nilai k1, k2, dan k3 yang memenuhi kriteria kestabilan Routh Hurwitz untuk menunjukkan bahwa sistem tersebut stabil seperti berikut : Untuk k1=1,4; k2=0,4; k3=0,2 : Analisis Kestabilan Sistem

1

Kecepatan Generator

0.9

Kecepatan Generator (rad/s)

Dari hasil simulasi di samping, dapat dilihat bahwa mulai detik ke36,5 hingga detik ke-50, kecepatan generator konvergen menuju mendekati 1 sehingga sistem tersebut dapat dikatakan stabil.

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

5

10

15

20

25

Waktu (s)

30

35

40

45

50

SIMULASI DAN ANALISIS Untuk k1=8,2; k2=4,7; k3=6,9 : Analisis Kestabilan Sistem

1.4

Dari hasil simulasi di samping, dapat dilihat bahwa mulai detik ke6 hingga detik ke-50, kecepatan generator konvergen menuju 1 sehingga sistem tersebut dapat dikatakan stabil.

Kecepatan Generator

Kecepatan Generator (rad/s)

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

5

10

15

20

25

Waktu (s)

30

35

40

45

50

SIMULASI DAN ANALISIS Untuk k1=4000; k2=136; k3=40000 : Dari hasil simulasi di samping, dapat dilihat bahwa mulai detik ke1,3 hingga detik ke-50, kecepatan generator konvergen menuju 1 sehingga sistem tersebut dapat dikatakan stabil.

Analisis Kestabilan Sistem

1.4

Kecepatan Generator

Kecepatan Generator (rad/s)

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

5

10

15

20

25

Waktu (s)

30

35

40

45

50

SIMULASI DAN ANALISIS Pada Tugas Akhir ini, dianalisis beberapa nilai y-ref untuk dibandingkan dengan nilai y-aktual, pada sistem yang stabil dengan nilai k1, k2, dan k3 sebelumnya sehingga diperoleh nilai error kecepatan generator dengan : y-ref I = 5rad/s,

y-ref II = 10 rad/s

y-ref III = 15 rad/s,

y-ref IV = 20 rad/s

y-ref V = 25 rad/s,

y-ref VI = 30 rad/s

SIMULASI DAN ANALISIS Berikut ini Grafik hubungan antara y-ref vs y-aktual dan Error Kec. Generator: Untuk k1=1,4; k2=0,4; k3=0,2 : y-referensi vs y-aktual

60

Kecepatan Generator (rad/s)

y -ref II y -ref III y -ref IV y -ref V y -ref V I y -aktual I y -aktual II

40

y -aktual III y -aktual IV y -aktual V y -aktual V I

30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

Waktu (s)

60

70

80

90

100

Error Kecepatan Generator (rad/s)

y -ref I

50

Error Kecepatan Generator

30

Error I Error II Error III Error IV Error V Error VI

20 10 0 -10 -20 -30 0

10

20

30

40

50

Waktu (s)

60

70

80

90

100

Dari hasil simulasi di atas, dapat dilihat bahwa mulai detik ke-0 hingga detik ke-46,88 kecepatan generator masih mempunyai error yang besar, kemudian error kecepatan generator semakin mengecil tepat mulai detik ke-88,88 hingga detik ke-100.

SIMULASI DAN ANALISIS Berikut ini Grafik hubungan antara y-ref vs y-aktual dan Error Kec. Generator : Untuk k1=8,2; k2=4,7; k3=6,9 : y-referensi vs y-aktual y-ref I y-ref II

Kecepatan Generator (rad/s)

y-ref III y-ref IV y-ref V

40

y-ref VI y-aktual I y-aktual II y-aktual III y-aktual IV y-aktual V y-aktual VI

30

20

10

0 0

10

20

30

40

50

Waktu (s)

60

Error Kecepatan Generator

20

70

80

90

100

Error Kecepatan Generator (rad/s)

50

Error I Error II Error III Error IV Error V Error VI

10

0

-10

-20

-30 0

10

20

30

40

50

Waktu (s)

60

70

80

90

100

Dari hasil simulasi di atas, dapat dilihat bahwa mulai detik ke-0 hingga detik ke-29,5 kecepatan generator masih mempunyai error yang besar, kemudian error kecepatan generator semakin mengecil tepat mulai detik ke-42,43 hingga detik ke-100.

SIMULASI DAN ANALISIS Berikut ini Grafik hubungan antara y-ref vs y-aktual dan Error Kec. Generator : Untuk k1=4000; k2=136; k3=40000 : 5

y-ref I

Error Kecepatan Generator (rad/s)

Kecepatan Generator (rad/s)

Error Kecepatan Generator

y-referensi vs y-aktual

35

y-ref II

30

y-ref III y-ref IV

25

y-ref V y-ref VI

20

y-aktual I y-aktual II

15

y-aktual III y-aktual IV y-aktual V

10

y-aktual VI

5 0 0

10

20

30

40

50

Waktu (s)

60

70

80

90

100

0 -5 Error I Error II Error III Error IV Error V Error VI

-10 -15 -20 -25 -30 0

10

20

30

40

50

Waktu (s)

60

70

80

90

100

Dari hasil simulasi di atas, dapat dilihat bahwa mulai detik ke-0 hingga detik ke-3,6 kecepatan generator masih mempunyai error yang besar, kemudian error kecepatan generator semakin mengecil tepat mulai detik ke-5,6 hingga detik ke-100.

SIMULASI DAN ANALISIS Daya yang dihasilkan dari sistem konversi energi angin (turbin angin) dengan : Cp maksimum = 0,47 dan jari-jari rotor (r) = 2,5m, kecepatan angin (v) = 3m/s sampai 7m/s dan kecepatan rotor 5rad/s sampai 30rad/s adalah sebagai berikut: 4

2.5

x 10

Daya Turbin Angin (Watt)

2

Daya Turbin Angin vs Kecepatan Rotor

v=3m/s v=4m/s v=5m/s v=6m/s v=7m/s

1.5

1

0.5

0 5

10

15

20

Kecepatan Rotor (rad/s)

25

30

Kec.Angin (m/s)

Kec. Rotor (rad/s)

Daya (Watt)

3 m/s

30 rad/s

3,82 kW

4 m/s

30 rad/s

6,79 kW

5 m/s

30 rad/s

10,60 kW

6 m/s

30 rad/s

15,25 kW

7 m/s

30 rad/s

20,78 kW

KESIMPULAN 1.

Dari hasil simulasi terlihat bahwa untuk nilai k1, k2, dan k3 yang memenuhi kriteria kestabilan Routh Hurwitz, sistem akan stabil.

2.

Dari hasil simulasi tiga nilai k1, k2, dan k3 yang diubah berturut-turut , terlihat bahwa sistem yang paling stabil adalah sistem untuk k1=4000; k2=136; dan k3=40000, sistem yang memiliki performansi yang baik adalah sistem untuk k1=1,4; k2=0,4; k3=0,2, dan sistem yang memiliki keakuratan sistem yang baik adalah sistem untuk k1=4000; k2=136; dan k3=40000.

3.

Semakin tinggi kecepatan angin dan kecepatan rotor maka akan menghasilkan daya yang semakin besar. Ketika kecepatan angin 7 m/s dengan kecepatan rotor 30 rad/s, akan menghasilkan daya dari turbin angin sebesar 20,78 kW.

SARAN 1.

Untuk penelitian selanjutnya, sistem konversi energi angin dapat dikaji dengan menggunakan metode sliding mode control, PI control, QFT robust control, ataupun On-Off control.

2.

Untuk penelitian selanjutnya, penentuan daya maksimal yang dihasilkan dari tubin angin yang lebih optimal dapat dilakukan dengan menggunakan metode Maximum Power Point Tracking (MPPT).

DAFTAR PUSTAKA [1] Douglas, J. (2010). Meeting the Challenges of Wind Turbine Reliability. Springer : Jerman. [2] Khulaifah, A. (2009). “Optimasi Penempatan Turbin Angin di Area Ladang Angin Menggunakan Algoritma Genetika”. Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Tugas Akhir D3 Jurusan Teknik Elektro. [3] Alamsyah, H. (2007). “Pemanfaatan Turbin Angin Dua Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin”. Universitas Negeri Semarang, Tugas Akhir S1 Jurusan Teknik Elektro. [4] Munteanu, I., Bratcu, A.I., Cutulius, N.A., dan Ceangâ, E. (2008). Optimal Control of Wind Energy Systems. Springer : Jerman.

DAFTAR PUSTAKA [5] Jemai, W.J., Jerbi, H., dan Abdelkrim, M.N. (2010). “Synthesis of An Approximate Feedback Nonlinear Control Based on Optimization Methods”. WSEAS Transactions on Systems and Control, Vol 5, pp. 646-655. [6] Hendricks, E. (2008). Linear Systems Control. Verlag Berlin Heidelberg : Springer. [7] Muhammad, A dan Hartono, F. (2009). “Pembuatan Kode Desain dan Analisis Turbin Angin Sumbu Vertikal Darrieus Tipe-H”. Jurnal Teknologi Dirgantara, Vol. 7, No.2, pp. 93-100.

Terima Kasih