Article Details

KONTROL NON-LINIER OPTIMAL UNTUK INVERTER TIGA FASE PADA ISLANDED MICROGRID

Oleh   Putu Handre Kertha Utama [23318004]
Kontributor / Dosen Pembimbing : Ir. Edi Leksono, M.Eng., Ph.D.;Augie Widyotriatmo, S.T., M.T., Ph.D.;
Jenis Koleksi : S2 - Tesis
Penerbit : FTI - Teknik Fisika
Fakultas : Fakultas Teknologi Industri (FTI)
Subjek :
Kata Kunci : Feedback Linearization, Filter Kalman, Kontrol Inverter, Kontrol Optimal, LQI, Microgrid.
Sumber :
Staf Input/Edit : Marsimin  
File : 0 file
Tanggal Input : 08 Apr 2022

Tidak ada file


ABSTRAK KONTROL NON-LINIER OPTIMAL UNTUK INVERTER TIGA FASE PADA ISLANDED MICROGRID Oleh Putu Handre Kertha Utama NIM: 23318004 (Program Studi Magister Teknik Fisika) Seiring dengan menurunnya biaya sistem pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dan harga komponen baterai, terjadi peningkatan penetrasi sistem PLTS dalam bentuk jaringan listrik mikro atau microgrid (MG). Komponen utama dalam MG adalah inverter (DC-AC) yang berfungsi sebagai antarmuka antara jaringan listrik dan pembangkit listrik dari energi terbarukan. Performa MG ditentukan oleh kemampuan pengontrol inverter melakukan regulasi tegangan. Regulasi tegangan inverter terdiri dari beberapa parameter yaitu: (1) waktu transisi, (2) galat kondisi tunak, dan (3) total harmonic distortion (THD). Oleh sebab itu, desain kontrol inverter menjadi krusial ketika MG beroperasi menyuplai beban. Desain pengontrol menggunakan metode linierisasi mengakibatkan pengontrol hanya dapat dijamin stabil di sekitar titik operasi yang dipilih saat linierisasi. Perkiraan model linier tersebut tidak dapat menangkap beberapa fenomena ketidaklinieran yang ada pada sistem. Hal ini terjadi karena metode kontrol linierisasi mengubah persamaan ruang keadaan non-linier menjadi linier melalui pendekatan fungsi linier atau pemotongan deret Taylor. Pada penelitian ini digunakan metode kontrol non-linier feedback linearization (FL) untuk memperoleh bentuk linier dari persamaan ruang keadaan. Berbeda dengan metode linierisasi dengan pemotongan deret Taylor, metode FL memilih pasangan masukan dan keluaran yang sesuai, kemudian melakukan transformasi peubah keadaan sehingga diperoleh model linier. Kestabilan sistem dibuktikan dengan menunjukan dinamika internal model inverter (zero dynamics) merupakan dinamika yang stabil. Sehingga dengan memilih penguatan (gain) umpan balik yang sesuai pengontrol linier dapat membuat sistem non-linier dari inverter tetap stabil. Meskipun metode kontrol dengan FL mampu menstabilkan dinamika inverter, metode ini masih memiliki kelemahan pada galat kondisi tunak. Galat kondisi tunak berhubungan dengan kemampuan pengontrol untuk melakukan pelacakan terhadap referensi tegangan yang diinginkan. Oleh karena itu, metode kontrol linear quadratic integral (LQI) digunakan untuk mendesain pengontrol sehingga diperoleh penguatan statik umpan balik yang optimal. Sementara estimasi seluruh peubah keadaan model inverter diperoleh dengan menggunakan derivative free Kalman Filtering. Penerapan LQI dan filter Kalman pada model linier inverter yang diperoleh dari FL diharapkan tidak hanya dapat meningkatkan kemampuan pengontrol dalam melakukan regulasi tegangan sesuai dengan tegangan referensi ii (mengurangi galat keadaan tunak) secara lebih cepat tetapi juga menjaga seluruh sistem tetap stabil. Penelitian ini dibagi menjadi 4 tahap meliputi: (1) pemodelan dinamika sistem menjadi persamaan ruang keadaan, (2) desain pengontrol menggunakan pendekatan FL dan LQI, (3) simulasi sistem yang telah diberi pengontrol, serta (4) implementasi HIL menggunakan pengontrol mikro. Desain pengontrol non-linier optimal berdasar pada model matematika dari sistem yang berupa persamaan ruang keadaan non-linier. Setelah diperoleh desain pengontrol, diperlukan desain filter Kalman untuk memperoleh informasi peubah keadaan berdasarkan hasil pengukuran peubah sistem inverter. Tahap terakhir adalah pengujian desain pengontrol yang dilakukan melalui simulasi dan metode hardware in the loop (HIL). Pengujian simulasi dan HIL dilakukan dengan tiga skenario. Skenario pertama menguji kemampuan pengontrol untuk melacak tegangan referensi. Sementara skenario kedua dan ketiga menguji kemampuan pengontrol ketika inverter dihubungkan ke beban. Hasil uji kinerja pengontrol melalui simulasi dan HIL menunjukan hasil yang sama. Pengontrol dapat melacak tegangan referensi dalam waktu 0,75 detik dengan galat keadaan tunak 0,27% dan THD 0,10%. Hasil pengujian dan penelitian ini dapat menjadi rujukan penelitian selanjutnya yang ingin mengimplementasikan desain pengontrol ke perangkat riil. Kata kunci: Feedback Linearization, Filter Kalman, Kontrol Inverter, Kontrol Optimal, LQI, Microgrid. iii ABSTRACT OPTIMAL NONLINEAR CONTROL OF THREE PHASE INVERTER IN ISLANDED MICROGIRD By Putu Handre Kertha Utama NIM: 23318004 (Master’s Program in Engineering Physics) Along with the decline in the cost of solar power generation systems (PV) and the price of battery components, there is an increase in PV system penetration in the form of micro electricity networks or microgrid (MG). The main component in MG is the inverter (DC-AC) which functions as an interface between the electricity network and electricity generation from renewable energy. MG performance is determined by the ability of the inverter controller to regulate the output voltage. The inverter voltage regulation consists of several important parameters, such as: (1) transition time, (2) steady-state error, and (3) total harmonic distortion (THD). Therefore, the inverter control design is crucial when MG operates to supply the load. The controller design using the linearization method results in the controller being guaranteed to be stable only around the chosen operating point during linearization. Estimates of the linear model cannot capture some of the nonlinear phenomena that exist in the system. This happens because the linearization control method changes the nonlinear state-space equation to be linear through the linear function approach or Taylor series truncation. In this research, the nonlinear feedback linearization (FL) control method is used to obtain a linear form of the state space equation. Unlike the linearization method by eliminate hinger order term of the Taylor series, the FL method selects the appropriate input and output pairs, then transforms the state variables so that a linear model is obtained. The stability of the system is proven by showing the internal dynamics of the inverter model (zero dynamics) is a stable dynamic. So, by choosing the gain of the appropriate feedback the linear controller can make the nonlinear system of the inverter remain stable. Although the control method with FL can stabilize the dynamics of the inverter, this method still has weaknesses in steady-state errors. Steady-state error is related to the controller's ability to track the desired voltage reference. Therefore, the linear-quadratic integral (LQI) control method is used to design the controller so that optimal feedback static gain is obtained. While the estimation of all state variables of the inverter model is obtained by using derivative-free Kalman Filtering. The application of the LQI and Kalman filter to the linear inverter model obtained from FL is expected to not only iv improve the ability of the controller to regulate a given voltage reference (reduce steady-state errors) quickly but also keep the entire system stable. This study was divided into 4 steps including (1) modeling the dynamics of the system into state-space equations, (2) controller design using the FL and LQI approach, (3) system simulation that had been given a controller, and (4) implementing HIL using a microcontroller. The nonlinear optimal controller design is based on a mathematical model of the system in the form of nonlinear state-space equations. After the controller design is obtained, a Kalman filter design is needed to obtain state variable information based on the measurement results of the inverter system variable. The last step is testing controller design which is done through simulation and hardware in the loop (HIL) method. Simulation and HIL testing are done with two scenarios. The first scenario tests the controller's ability to track the reference voltage. While the second and the third scenario tests the ability of the controller when the inverter is connected to the load. Controller performance test results through simulation and HIL show the same results. The controller can track the reference voltage quickly in 0.75 seconds with a steadystate error of 0,27% and a THD of 0,10%. The results of testing and this research can be a reference for further research that wants to implement the controller design to the real device. Keywords: Feedback Linearization, Inverter Control, Kalman Filter, LQI, Microgrid, Optimal Control.