Filter Daya Aktif Seri 3 Level(NPC) inverter menggunakan Kontroler Tegangan Logika FuzzyUntuk Mengkompensasi

sags,swells,Harmonisa,dan ketidakstabilan Pada Tegangan

SANDI TAMPUBOLON Jurusan Teknik Elektro,Universitas Kristen Maranatha,Bandung

Abstraksi: Makalah ini menyajikan sebuah skema Kontrol,yang baru dari filter daya aktif 3 phasa 3 kawat yang dinamakan logika fuzzy .dimana skema ini dapat mengkompensasi harmonisa,sags,swells, dan ketidakstabilan pada tegangan.sebelum nya,skema yang digunakan untuk mengontrol filter daya aktif ini adalah dengan menggunakan kontroler klasik ,yang dalam penerapannya memiliki kelemahan yaitu model matematika yang rumit dan kompleks,oleh karena itu diperlukan suatu skema kontroler baru untuk mengatasi permasalahan tersebut.,yang dalam makalah ini disebut dengan kontroler tegangan logika fuzzy ,saat ini skema ini telah dipakai pada aplikasi industri dibanyak perusahaan,dan hasilnya sangat menggembirakan.Hal lain mengenai keuntungan dari skema ini akan dijelaskan lebih lanjut dalam makalah ini.Simulasi numerik yang dipakai dalam hal ini adalah menggunakan matlab simulink dan sim power system blockset toolbox.

Kata kunci: filter seri daya aktif,fuzzy logic voltage controller,gangguan teganganNPC,k ualitas energi listrik,inverter.

1. Pendahuluan Dengan semakin banyaknya beban yang tidak linear, harmonisa dianggap sebagai masalah utama yang menyebabkan penurunan kualitas energi listrik[1].Sejauh ini filter daya aktif telah dipakai sebagai solusi untuk meningkatkan kualitas energi listrik.Salah satunya filter aktif shunt,dimana filter ini dapat memfilter arus harmonisa.Berbagai jenis gangguan seperti harmonisa,sags dan swells merupakan sesutau yang sering ditemukan dalam supply

jaringan listrik ,dimana gangguan tersebut juga menimbulkan efek merugikan pada alat alat listrik yang kita gunakan.Filter aktif seri akan bertindak sebagai sumber tegangan yang akan mengkompensasi semua gangguan tegangan pada beban,konfigurasi yang biasanya digunakan adalah dengan inverter sumber tegangan PWM yang dipasan seri antara beban dan tegangan sumber.dimana tiga transformator satu phasa digunakan sebagai penghubungnya.Untuk aplikasi tegangan tinggi dianjurkan untuk menggunakan tiga inverter. Kontroler adalah bagian utama pada operasi filter daya aktif dan telah menjadi subyek banyak penelitian dalam beberapa tahun terakhir. untuk meningkatkan kinerja APF(Active Power Filter) ada kecenderungan yang besar untuk menggunakan kontroler logika fuzzy. Penelitian dalam makalah ini terpusat pada pendekatan kontrol logika fuzzy untuk tiga level seriAPF untuk mengkompensasi semua gangguan tegangan. Dengan prinsip kontrol yang digunakan adalah teori daya sesaat pada beban reaktif.Kinerja filter aktif seri yang dirancang akan disimulasikan menggunakan matlab-simulink dan simpowerSystem toolbox.dan hasil dari simulasi akan menunjukkan efektivitas skema kontroler yang dirancang

2.Filter daya aktif Seri Konfigurasi rangkaian dari filter aktif seri ditunjukkan pada Gambar. (1),dimana AF (Active Filter) dipasang antara sumber tegangan terganggu dan beban yang akan dijaga konstan tegangannya.dimana, AF terdiri dari tiga sumber tegangan konverter .filter LC digunakan untuk menghilangkan riple dan transformator seri

berperan memberikan tegangan kompensasi pada jalur beban

Gambar 1 .Tiga Level(NPC)Filter Aktif Seri

3. Tiga Level Inverter NPC Multilevel inverter saat ini sedang dalam tahap pengkajian dan terakhir digunakan sebagai topologi dari filter aktif seri. Tiga level inverter menjadi sangat populer saat ini untuk semua aplikasi yang memerlukan inverter seperti drive mesin dan kompensator faktor daya. Kelebihan konverter ini adalah mengurangi harmonisa yang dihasilkan oleh filter aktif dan menurunkan tegangan atau arus dari semikonduktor yang berlebih Gambar. (2), menunjukkan tiga level berdasarkan enam switch utama (T11, T21, T 31, T 14, T 24, T 34) dari dua level inverter tradisional menambahkan dua tombol tambahan (T12, T 13 , T 22, T23, T32, T33) dan dua dioda bridge dijepit netral pada setiap masing-masing lengan, dioda digunakan untuk membuat koneksi dengan titik referensi untuk mendapatkan tegangan Midpoint. Untuk struktur ini, tiga jenis tingkat output dapat memperoleh UDC / 2, 0 dan-UDC / 2 sesuai dengan tiga jenis

switching state yaitu: P,, 0 N. Akibatnya, terdapat 27 jenis output yang beralih ke fase tiga tingkat inverter [10,11].

Gambar 2.Tiga level Inverter NPC

Hubungan FKS terhadap switch TKS yang mengambarkan status open atau close

Pada pin K dari 3 phase 3 level NPC VSI ; diberlakukan beberapa tambahan aturan didalampengontrolan. Sedangkan persamaan kontrol optimal dari inverter ini dapat dinyatakan dengan persamaan berikut[12] :

Setengah fungsi dari pin di definisikan sebagai :

Disini disebutkan bahwa m=1 untuk pin tengah terendah,dan m=0 untuk pin tengah yang paling atas. seperti yang tertera pada tabel 1 pada tiap-tiap pin dari sebuah inverter mempunyai 3 buah switching pada masing-masingnya yaitu: P,O atau N ketika kedua switching yang berada di atas seperti : Ti1 dan Ti2 ; dinyalakan maka hasilnya akan mengarah kepada switching P. akan tetapi untuk tingkat menengah seperti pada switching Ti2 dan Ti3 di jalankan maka akan mengarah kepada switching O ,akan tetapi jika switching yang lebih rendah seperti di tunjukan pada Ti3 dan Ti4 kemudian di nyalakan maka akan dihasilkan pada swiching N

Tabel 1.Switching State Tiga Tingkat Inverter

4.Identifikasi Tegangan Referensi Rangkaian filter aktif yang diranvang akan dipakai untuk mengkompensasi semua gangguan tegangan. Teknik kontrol yang

digunakan untuk mengekstraksi tegangan referensi adalah didasarkan pada teori pq dijelaskan dalam [13,14]. dalam kasus ini persamaan4,menggambarkansumbertegangan yang mengalami distorsi

Un dan θn adalah tegangan rms dan sudut fase awal, n adalah urutan harmonik. ketika n=1 maka tegangan fundamentalnya dapat dinyatakan dengan persamaan 5:

Persamaan 1 di transformasikan ke dalam

rumus : dengan frame referensi

Dimana,

3 pase dari fundamental positif, dapat dinyatakan dengan

Sedangkan persamaan (5) di transformasikan

kedalam rumus dengan referensi frame sebagai berikut

Akan tetapi berdasarkan teori tegangan reaktif cepat[5]

Dimana komponenAC dan Dc nya adalah

P dan q dilewatkan melalui low pass filter (LPF) dan komponen DC adalah

Sesuai dengan (7), transformasinya dibuat menjadi

Adapun komponen DC dari p dan q adalah

Tegangan fundamental dalam referensi frame :

Tegangan fundamental :

Dimana

5.Kontroler Tegangan Logika Fuzzy Kontroler logika fuzzy (FLCs) telah menjadi alternatif yang baik untuk aplikasi elektronika daya. Keuntungan dari kontroler ini adalah tidak perlunya model matematika dan dapat digunakan pada sistem nonlinier [16,17].Logika fuzzy tidak seperti logika Boolean atau crips, yang menangani masalah-masalah yang memiliki ketidakjelasan, ketidakpastian atau ketidaktepatan dan menggunakan fungsi keanggotaan dengan nilai bervariasi antara 0 dan 1. Gambar. (3) menunjukkan diagram blok skematis dari kontroler logika fuzzi

Gambar 3.sistem fuzzi

Kontroler tegangan Fuzzy dalam makalah ini dirancang untuk meningkatkan kemampuan kompensasi dari seri APF dengan cara menyesuaikan error tegangan menggunakan aturan fuzzy. switching Inverter dari tiga-level filter aktif seri ditentukan berdasarkan kesalahan antara tegangan kompensasi dan tegangan referensi. Dimana, kontroler logika fuzzy memiliki dua masukan, yaitu kesalahan e dan perubahan kesalahan de dan memiliki satu output. Yang kemudian akan diubah menjadi variabel linguistik, denga menggunakan tujuh fuzzy set: NL (Negatif large), NM (Medium Negatif), NS (Negatif Small), ZE (Zero), PS (Positive Small), PM ( Positif Medium) dan PL (positif Large). Gambar. (4) menunjukkan fungsi anggotta yang digunakan dalam

fuzzifikasi dan defuzzifikasi. Berikut ini tahap-tahap dari kerja kontroler fuzzy :1.set sept fuzzy untuk setiap masukan input2.set sept fuzzi untuk outpit3.fungsi input –output dinyatakan sebagai anggota segitiga dan trapesium4.menggunakan operator “min” untuk implikasi5.mekanisme inferensi fuzzi didasarkan pada implikasi fuzzi6.metoda centroid digunakan untuk melakukan defuzzikasiBerikut ini aturan fuzzy yang digambarkan pada Tabel (2)

Gambar 4 : Fungsi variabel anggota input dan output

Tabel 2. Aturan Fuzzy

Kesalahan untuk setiap tahapan akan, diskretisasi oleh blok orde nol. Tingkat kesalahan adalah turunan dari kesalahan dan itu diperoleh dengan menggunakan delay blok Blok saturasi memberlakukan batas atas dan bawah pada sinyal. Ketika sinyal input barada dalam kisaran parameter batas bawah batas atas yang ditentukan maka, sinyal input tidak akan dipilih Ketika sinyal input di luar batas yang telah ditentukan maka sinyal akan terpotong di bagian atas atau bawah. Output dari blok saturasi merupakan masukan dari kontroler logika fuzzy.

Keluaran dari kontroler ini akan digunakan untuk menghasilkan sinyal pulsa pulsa dari 3 level inverter . Sinyal switching dihasilkan dengan cara membandingkan dua sinyal pembawa dengan output dari kontroler logika fuzzy. Simulasi dari logika fuzzi yang menghasilkan sinyal switching diberikan oleh Gambar.(5)

Gambar 5

Kontroler akan menghitung perbedaan antara tegangan masukan dan tegangan referensi yang akan menentukan tegangan kesalahan,dimana l tegangan kesalahan akan diperbaiki melalui pengontrol fuzzy. dengan cara tegangan kesalahan akan dibandingkan dengan dua pembawa gelombang segitiga identik yang digeser satu dari lainnya dengan jangka waktu setengah perioda.Kontrol pada sebuah inverter terdiri dari 2 tahap,yaitu:

1.Menentukan sinyal intermediate dari Vi1 danVi2

jika error Ec carrying 1 maka Vi1= 1jika error Ec carrying 1 makaVi1= 0jika error Ec carrying 2 makaVi2=0jika error Ec carrying 2 maka Vi2=-1

2.Menentukan sinyal kontrol

If (Vi1+Vi2)=1 Then Ti1=1, Ti2=1, Ti3=0, Ti4=0,If (Vi1+Vi2)=0 Then Ti1=0, Ti2=1, Ti3=1, Ti4=0,If (Vi1+Vi2)=-1 Then Ti1=0, Ti2=0, Ti3=1, Ti4=1,

6.Model Simulasi Matlab Simulink akan-mensimulasikan blok diagram dari filter daya aktif seri 3 level menggunakan kontroler tegangan logika fuzzi seperti ditunjukkan pada Gambar. (6). Parameter -parameter yang digunakan untuk simulasi ini adalah: Sumber tegangan Vs = 220V, Frekuensi Fs=50Hz,Resistor Rs = 0,1 M, Ls = Induktansi 0.0002mH, Resistor Rch = 48,6, Induktansi

LCH = 40mH, Kapasitansi CDC = 3000Î ¼ F, resistor Rc = 0.27m, Induktansi Lc = 0.8mH.

Gambar 6 Rangkaian kontrol Filter aktif tegangan fuzzy berdasarkan teori p-q

7. Hasil Diskusi dan Simulasi Filter yang akan dirancang akan disimulasikan terlebih dahulu dengan menggunakanMATLAB-SimulinkdanSimPower untuk melihat kinerjanya. Hal yang akan dilihat diantaranya adalah kondisi steady-state,dan kondisi transien pada tegangan sags,swell,dan ketidakstabilan,maupun distorsi Hasil simulasi diperoleh untuk semua gangguan ditunjukkan pada Gambar. 8 sampai 13 dan dibahas dalam subbagian berikut7.1 Kompensasi Tegangan Harmonis Ketika sumber tegangan mengalami distorsi,maka akan terdapat sinyal harmonisa pada tegangan tersebut,seperti dinyatakan pada persamaan berikut

Pada saat t1 = 0.1s hingga t2 = 0.16s tegangan, harmonisa digambarkan .Rangkaian APF dioperasikan, untuk memberikan kompensasi sesuai dengan penjumlahan dari, 5 7, 9, dan 11 harmonisa. tegangan beban,tegangan fundamental,tegangan kompensasi,dan tegangan beban sesudah kompensasi di tunjukan pada gambar (7) dalam hal ini THD secara signifikan akan di kurangi yaitu dari 46,93% menjadi 3,66% sebagaimana sudah di atur dalam acuannya yaitu standar IEEE-519

Gambar7

Gambar 8 Gambaran Spektrum dari tegangan beban tegangan tanpa adanya Rangkaian APF (THD=46.93%) ;

Gambar 9 Gambaran mengenai Spektrum dari Tegangan beban dengan menggunakan rangkaian APF (THD=3,66%)

7.2 Kompensasi Tegangan Tidak Stabil Pada kasus ini sumber tegangan mengalamiketidakstabilan,tapitidakmengandung komponen harmonik hal tersebuti ditunjukan

pada persamaan (19). Gambar. 10, menunjukkan

tegangan beban , tergangan fundamental tegangan kompensasi dan tegangan beban terkompensasi dengan ketidakstabilan tegangan yang diijinkan antara t1 = 0.1s dant2= 0.16s

Gambar 10

7.3 Kompensasi Tegangan Sag Untuk mempelajari seri filter aktif selama terjadi sag tegangan kita akan menganggap bahwa tegangan beban adalah sinusoidal dan sag (35%yang di ijinkan antara t1 = 0.1s dan t2 = 0.16s. APF sering dioperasikan langsung untuk mengkompensasi kasus ketidakstabilan seperti

ini. Setelah waktu t2 = 0.16s, sistem akan kembali pada kondisi normal,gambaran mengenai,teganganbeban,teganganfundamental ,tegangan kompensasi dan tegangan beban setelah kompensasi ditunjukkan pada Gbr.11. dan persamaan dari tegangan sag dinyatakan oleh persamaan (20):

Gambar 11

7.4 Kompensasi Sag Tegangan Tegangan swell (35%yang diijinkan pada sistem ini terjadi antara t1 = 0,1 s dan t2 = 0,16 s selama kondisi tersebut APF akan memberikan tegangan kompensasi (≈ 30%) melalui transformator seri untuk menyamakan perbedaan antara tegangan beban dan tegangan referensi Seperti ditunjukkan pada Gambar. 12 yang menggambarkan tegangan beban sebelum kompensasi,tegangan fundamental, tegangan kompensasi, dan tegangan beban setelah kompensasi .tegangan sag dapat dinyatakan dengan persamaan(21)

Gambar 12

7.5 Penanganan Semua Gangguan Tegangan Kinerja dari sistem fillter seri daya aktif yang dirancang juga diuji dalam semua gangguan secara tegangan secara bersamaan. Hasil simulasi pengujian ditunjukkan pada Gbr.13. dimana swell dalam tegangan listrik (35%)diijinkanantara t1 = 0.06s dan t2 = 0.12s. kemudian sags tegangan (30%yang di ijinkan adalah antara t2 =0.12 dan t3 = 0.18s dan harmonisa diijinkan antara t3 = 0.18s dan t4 = 0.24s. ketidakstabilan tegangandiijinkan antara

t4 = 0.24s dan t5 = 0.30s. Setelah t5 = 0.30s sistem ini akan kembali pada kondisi kerja normal. Tegangan beban, tegangan fundamental tegangan kompensasi dan tegangan beban

setelah kompensasi yang diperoleh dengan simulasi ditunjukkan pada Gbr.13. yang menggambarkan bahwa sistem yang diusulkan tidak menunjukkan efek yang signifikan kemampuan kompensasi tegangan terhadap distorsi dan teganganbeban dijaga konstan dan sinusoidal ketika terjadi gangguan tegangan.

Gambar 13

Kinerja sistem seri AF yang diusulkan diuji terhadap semua gangguan tegangan secara terpisah dan simultan: harmonic, swells, sags dan ketidakstabilan. Gambar (9) dan. Gambar. (10) menunjukkan masing-masing spektrum harmonik tegangan pada beban sebelum dan sesudah pemasangan seri aktif filter. dapat diamati bahwa harmonik tegangan pada beban berkurang dari 46,93% menjadi 3,66% sesuai dengan standar. Dalam kasus swells tegangan (35%), sag tegangan (30%) dan ketidakstabilan dijelaskan pada tegangan supply antara t1=0.1s dan t2=0.16s kemudian sistem AF juga dapat langsung mengkompensasi tegangan beban secara cepat. Efektivitas filter aktif seri yang diusulkan telah dibuktikan dapat mempertahankan beban tiga fase tegangan seimbang dan sinusoidal pada beban 3 phasa

8. Kesimpulan Untuk meningkatkan kualitas daya dan meningkatkan tegangan pada beban sesuai dengan standar maka dipakailah sistem filter daya aktif baru menggunakan konfigurasi kontroler tegangan logika fuzzy tiga level (NPC) inverter. berbagai jenis gangguan yang menjadi perhatian pada makalah ini adalah harmonic, sags, swells dan ketidakstabilan, semua yang

berhasil dikompensasi menggunakan konfigurasi sistem ini meliputi Tingkat tegangan beban harmonik di bawah standar IEEE-519 , dimana THD dari tegangan berkurang secara signifikan dari 46,93% menjadi 3,66%. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem baru ini mampu mengkompensasi semua jenis gangguan tegangan. Namun sistem ini masih memiliki kelemahan yaitu sumber arus masih memiliki banyak harmonis.

References1. HonghaoZhong, Pingping Chen,: Zhengyu Lu,Zhaoming Qian,: “Novel Control Scheme Based onPer-phase Reference Current Calculation for HybridSeries Active Power Filter with Fundamental CurrentBypass Channel in Unbalanced Conditions”, IEEE,35th Annual Power Elecrronics SpecialistsConference, 2004, p. 999–1002.2. Ambra Sannino, Jan Svenssson,: Tomas Larsson,:“Power electronic solutions to power qualityproblems”, Electric Power Systems Research 66,(2003), p. 71–83.3. Guiying Liu; Shiping Su; Peng Peng,: “IntelligentControl and Application of All-function Active PowerFilter”, IEEE, International Conference on IntelligentComputation Technology and Automation, 2008, p.1078-1081.4. Kerrouche Soumia, Krim Fateh,: “Three-phase activepower filter based on fuzzy logic controller”,International Journal of Sciences and techniques ofautomatic Control & Computer engineering, Volume3,N°1, 2009, p. 942-955.5. Y.F.LI, C.C.Lau,: “Development of fuzzy algorithmsfor servo systems”, IEEE Control System Magazine,Volume 9, 1989, p.65-72.6. J.M. Correa and al,: “A Fuzzy-Controlled PulseDensity Modulation Strategy for a Series ResonantInverter with Wide Load Range”, Proceeding of theConference on Power Electronics Specialists,PESC'03, Acapulco, Mexico 15 -19 June, 2003.7. A. Sayeed et al,: “Fuzzy controller for inverter fedinduction machines converter”, IEEE Trans. onIndustrial Electronics, vol. 30, N° 1, 1994, p. 78-84.8. Y.S. Kim , S. H. Ko,: “Three-phase three-wire seriesactive power filter, which compensates for harmonicsand reactive power”, IEE Proc. Electri.Power Appli.,vol.151, N°3, (2004), p. 276-282.9. Fatiha Mekri, Mohamed Machmoum, Nadia AitAhmed, Benyounes Mazari,: “A comparative studiesof voltage controllers of series active power filter”,Elseivier, Electric power systems research, Article inpress, (2009), p.1-12.10.A.Munduate, E.Figureres, G.Garcera,: “Robust modelfollowingcontrol of a three-level neutral pointclamped shunt active filter in the medium voltagerange”, Elsevier, Electrical Power and EnergySystems 31, (1998), p. 577-588.

11.Yun Wan, Jianguo Jiang,: “The study of FPGA-basedthree-level SVM NPC inverter”, IEEE, (2009),p.1470-1474.12. T.Abdelkrim, K.Beamrane, E.M. Berkouk,T.Benslimane,: “Neutral Point potential balancingalgorithm for sliding mode controlled three-levelpower filter”, EEJ, 2010.13. .Hamadi, S.Rahmani, K. Al-Haddad,: “A novel hybridseries active filter for power quality compensation”,IEEE, (2007), p. 1099–1104.14. Hai Lan, Jincheng Liang, Weiping Wu,: “Reseearchof harmonic detection and fuzzy PID control in seriesactive power filter”, IEEE, (2007), p. 2957-2962.15. Reyes H. Herrera, Patricio Salemeron, HoyosungKim,: “Instantaneous Reactive Power Theory Appliedto Active Power Filter Compensation: DifferentApproaches, Assessment, and Experimental Results”,IEEE, Trans. on Industrial Electronics, (2008), p.184-196.16. Guiying Liu; Shiping Su; Peng Peng, Intelligent,: “Control and Application of All-function Active PowerFilter”, IEEE, International Conference on IntelligentComputation Technology and Automation, 2008, p.1078-1081.17. Kerrouche Soumia, Krim Fateh,: “Three-phase activepower filter based on fuzzy logic controller”,International Journal of Sciences and techniques ofautomatic Control & Computer engineering, Volume3,N°1, 2009, p. 942-955.18. T Narasa Reddy, M V Subramanyam,: “Fuzzy LogicControlled Shunt Active Power Filter for Mitigationof Harmonics with Different Membership”, IEEE,International Conference on Advances in Computing,Control, and Telecommunication, 2009, p. 616-620.19. S. Saad, L. Zellouma,: “Fuzzy logic controller forthree-level shunt active compensating harmonics andreactive power”, Elseivier, Electric power systemsresearch, (2009), p.1337-1341.20. Chennai salim, Benchouia M.T, Goléa .AZouzou.S.E,: “Fuzzy logic current controller for shuntactive filter to compensate harmonic currents based onANN dc voltage regulator”, International Conferenceon Electrical Engineering, Electronics andAutomatics, ICEEA’10, 2010