181215 Draft Presentasi Seminar TA

LOAD FREQUENCY CONTROL (LFC) MENGGUNAKAN METODE NOISE-TOLERABLE PID FEEDBACK PADA POWER GENERATION PLANT SIMULATOR PLTU PT. PEMBANGKITAN JAWA DAN BALI (PJB) UNIT PEMBANGKITAN (UP) PAITON

RAHMADHI PRIHANDONO2212100101

TEKNIK SISTEM PENGATURANTEKNIK ELEKTRO ITS

RUANG LINGKUP

Pendahuluan Gambaran sistem Perancangan simulator Desain kontroler Pengujian dan simulasi Kesimpulan

LATAR BELAKANG

1. Turbin dan generator merupakan komponen utama dalam pembangkitan energi listrik.

2. Frekuensi energi listrik harus dijaga tetap konstan agar peralatan-peralatan yang disuplai dapat bekerja dengan normal.[1]

3. Perubahan beban harus segera direspon oleh pembangkit agar tidak terjadi turbin trip pada sisi pembangkit dan blackout pada sisi beban.

4. Metode kontrol dengan menggunakan PID mudah di implementasikan dan memiliki performa yang memuaskan pada pengaturan pembangkitan energi listrik [2].

5. Simulator sebagai media pembelajaran bagi operator baru untuk cepat beradaptasi dengan real system.

PERMASALAHAN Kenaikan dan penurunan beban akan membuat frekuensi

menjadi fluktuatif, sehingga akan menimbulkan noise. [3] Kontroler PID memiliki performa yang memuaskan, namun

komponen derivative akan menghasilkan nilai yang maksimum ketika ada high frequency noise. (Gambar 1) [4]

ttette

dtted

)()())((

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

time(s)

ampl

itude

(Gambar 1)

KELUARAN KONTROLER KETIKA TERDAPAT NOISE

0 5 10 15 20 25 30 35 40-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

waktu (sekon)

cont

rol s

igna

l

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-30

-20

-10

0

10

20

30

Waktu(sekon)

cont

rol s

igna

l

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Am

plitu

do

Waktu (sekon)

SistemBeban

Beban

SistemNoise

TUJUAN

Mempertahankan frekuensi energi listrik berada pada nilai 49.6 Hz-50,4 Hz [5]

Metode kontrol PID tetap dapat digunakan walaupun dalam keadaan terdapat noise akibat dari fluktuasi beban.

Sebagai media pembelajaran bagi operator yang akan menghadapi real system.

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

SIMULATOR PLTU

Operator COperator BOperator AInstruktur & Virtual Plant

EthernetSwitch Hub

Coal Handling

Water Treatment

Energy Generatio

n

HMI 1 HMI II HMI II1

PROSES POWER GENERATION

Low Pressure Heater

DeaeratorHigh

Pressure Heater

Economizer

Steam Drum

Super Heater

Steam Turbine Generator

Energi Listrik

LOAD FREQUENCY CONTROL (LFC)

TurbineValve

Steam

Governor

Speed Ref

Generator

Rated Speed

r Y

Load (Disturbnacc

e)

Noise

PEMODELAN LFC-SECONDARY CONTROL

)122(

1)1.01(

1)3.01(

1ssssY

sr

Open Loop Transfer Function

sTg11

sTch11

sMD 1

+

- sLD

)(sR/1+

+

)(sN

+

+

Turbine Time Constant - Tch

(0.3)

TurbineGenerat

or

Karakteristik Droop

Governor Time Constant -Tg

(0.1)

Mechanical Starting Time – M

(12)

Load Damping

Constant – D(2)

sKi

Governor

)(sr

RESPON OPEN LOOP DENGAN MASUKAN UNIT STEP

)212)(11.0)(13.0(1)(

ssssOl

)212)(13.0(1)(

sssOl

Fungsi Alih Open Loop :

Hasil Reduksi :

Parameter Sistem:

Overdamped, terdapat error steady state

505.0K36.2

74.0n

22

2

)(2)()(

nn

n

sKsH

0 10 20 30 40 50 600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5System: untitled1Time (seconds): 27.9Amplitude: 0.495

System: untitled1Time (seconds): 6.37Amplitude: 0.318

Step Response

Time (seconds)

Am

plitu

de

SPESIFIKASI RESPON

Spesifikasi Respon berdasarkan pengaturan sekunder:1. Respon terhadap beban frekuensi membutuhkan waktu 20

sekon2. Untuk berbagai nilai beban Ess = 03. Overshoot 0-2%, standar Union for the Co-ordination of

Transmission of Electricity (UCTE) mengizinkan fluktuasi frekuensi dibawah 400mHz, atau 4%. [5]

4. Sistem harus stabil untuk nilai gain Kp berapapun.

DESAIN KONTROLER (1)

Root Locus Closed Loop System

-15 -10 -5 0 5

-10

-5

0

5

10

15

X: -3.333Y: 0

X: 0.06044Y: 6.099

X: -0.1667Y: 0

X: 0.06044Y: -6.099

Root Locus

Real Axis (seconds-1)

Imag

inar

y A

xis

(sec

onds

-1)

DESAIN KONTROLER PD(2)

Penambahan proporsional derivatif menambah zero.

Dipilih nilai Kd = 0.3

01122

3.01

1.01

21

DA K

074.0DK

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2-3

-2

-1

0

1

2

3

System: fbGain: 24.3Pole: -3.33 + 1.31e-07iDamping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/s): 3.33

System: fbGain: 28Pole: -5.08Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/s): 5.08

Root Locus


Imag

inar

y A

xis

(sec

onds

-1)

))(1)((1()1(1)(

MDsTchsTgsKdsKpsol

DESAIN KONTROLER (3)

Penambahan Kontroler PID

Dengan memilih Kd = 0.3 maka open loop sistem

Dengan analisa kestabilan Routh, didapat Ki minimal KI < 3.680. Maka dipilih Ki = 0.2

)212)(13.0)((11.0()(

1)(2

ssssKissKKp

sol D

-10 -8 -6 -4 -2 0 2-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

System: untitled1Gain: 9.09Pole: -3.05Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/s): 3.05

System: untitled1Gain: InfPole: -0.214Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/s): 0.214

System: untitled1Gain: 10.5Pole: -5.11 + 8.42iDamping: 0.519Overshoot (%): 14.9Frequency (rad/s): 9.86

System: untitled1Gain: 10.5Pole: -5.11 - 8.42iDamping: 0.519Overshoot (%): 14.9Frequency (rad/s): 9.86

Root Locus


Imag

inar

y Axi

s (s

econ

ds-1

)

Root Locus


Imag

inar

y Axi

s (s

econ

ds-1

)

02411

2411

122

3.01

1.01

21

D

D

D

DA K

KiKKKiK

074.0DK

)3.0()212)(13.0)((11.0()( 2 KissKpsssssol

DESAIN KONTROLER (4) Persamaan dengan kontroler

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

X: 6.06Y: 1.022

waktu (sekon)

delta

frek

uens

i (p.

u.)

X: 1.88Y: 1.065 X: 4.26

Y: 1.021

Kp 1Kp 5Kp 8Kp 10Kp 20

)212)(13.0)((11.0()2.03.0(1

)212)(13.0)((11.0()2.03.0(

)()(

2

2

ssssssKp

ssssssKp

ss

R

Dengan memberi variasi pada Kp, maka didapat respon yang sesuai dengan spesifikasi untuk nilai Kp = 10

)212)(13.0)((11.0()2.03.0(101

)212)(13.0)((11.0()2.03.0(10

)()(

2

2

ssssss

ssssss

ss

R

DESAIN LOW PASS FILTER

Persamaan low pass filter

= frekuensi cut off Pemilihan dipilih nilai

yang sangat kecil, dengan pertimbangan nilai periode dari noise yaitu 0.1.

-100

-80

-60

-40

-20

0

Mag

nitu

de (d

B)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

-90

-45

0

Pha

se (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

1/100 rad/s1/10 rad/s1 rad/s

sKds

sEsU

1)(

)(

Frekuensi Cut Off])(....)()(1[)()( 32 n

D sssssKsEsU

sKsEsU

D)()(

ssH

11)(

DIAGRAM BLOK PID LPF

Filter LPF

sTD 11s

sTg11

sTch11

sMD 1

+

- sLD

)(sKp+

+

)(sN

+

+


(0.3)

TurbineGenerat

or

Karakteristik Droop


(0.1)


(12)

Load Damping

Constant – D(2)

sTi

Governor

)(sr+

-

DESAIN TIME DOMAIN FILTER Fungsi averaged derivative :

T (time delay) dalam perancangan ditentukan nilai T sekecil mungkin, dikarenakan apabila dipilih nilai T sekecil mungkin membuat fungsi averaged derivative memiliki fungsi yang serupa dengan fungsi derivative. Dipilh T = 0.01

)]()([1])'([ TtFtFT

tf avg

])(!1......)(

!31)(

!21[

)()( 32 nTs

nTsTsTs

TKd

sEsU

KdssEsU

)()(

)1()()( sTe

TKd

sEsU

DIAGRAM BLOK PID AVERAGED DERIVATIVE

sTe

TTD

sTg11

sTch11

sMD 1

+

- sLD

)(sKp+

+

)(sN

+

+


(0.3)

TurbineGenerat

or

Karakteristik Droop


(0.1)


(12)

Load Damping

Constant – D(2)

sTi

Governor

)(sr+

-

+-

PENGUJIAN DAN SIMULASIPARAMETER SIMULASI

Parameter Simbol

Nilai

Governor Time Constant

Tg 0.1

Turbine Time Constant

Tch 0.3

Load Damping D 2Mechanical Starting Time

M 12Parameter Simbol

Nilai

Proportional Kp Variasi

Integral Ti 5Derivative Td 0.3Time Delay T 0.01Filter Time Constant 0.1

Parameter Plant

Parameter Kontroler

Parameter Frekuensi dan Gain Proportional Parameter

Nilai

Frekuensi 1

1MHz

Frekuensi 2

100KHz

Frekuensi 3

1KHz

Frekuensi 4

100Hz

Frekuensi 5

10Hz

Frekuensi 6

1Hz

Parameter

Nilai

Kp 1 10Kp 2 50Kp 3 80Kp 4 100Kp 5 200Kp 6 300

Parameter sinusoidal noiseamplitudo = 0.1phasa = 0

RESPON SISTEM DENGAN KONTROLER PID TERHADAP MASUKAN UNIT STEP

78.0025.1n

Respon saat :a. Transien :

sekon26.1%2Overshoot

b. Steady State :

%0(%)E ss

RESPON SISTEM DENGAN KONTROLER PID TERHADAP PERUBAHAN BEBAN

Pemberian kontroler PID, mampu menghilangkan error steady state.

0 10 20 30 40 50 60-1

0

1

2

3

4

Waktu (Sekon)

Beb

an (p

.u.)

0 10 20 30 40 50 600

0.5

1

1.5

Waktu (Sekon)

Del

ta F

reku

ensi

(p.u

)

Respon

Beban

VARIASI PARAMETER KP

Nilai Kp dinaikkan merubah parameterBerdampak pada nilai time constant, overshoot peak, dan settling time

VARIASI FREKUENSI SISTEM DENGAN PID AVERAGED DERIVATIVE

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

waktu (sekon)

delta

frek

uens

i

1MHz1KHz100Hz

Amplitudo = 0.1

Amplitudo = 0.02

Noise Amplitudo = 0.1

BODE DIAGRAM SISTEM DENGAN PID AVERAGED DERIVATIVE

Label (Frekuensi)

Biru (100KHz)

Oranye(1KHz)

Kuning(100Hz)

Hijau(10Hz)

Magnitudo (G) 1.13 10-16 4.68 10-10 1.12 10-7 2.6 10-4

Phasa (Degree) -98.4 -46.8 -89.3 -29.5

Magnitudo (dB) -318.7 -186.6 -139 -71

VARIASI FREKUENSI SISTEM DENGAN PID LOW PASS FILTER

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

waktu (sekon)

delta

Fre

kuen

si

1MHz1KHz100Hz

Amplitudo = 0.1

Amplitudo = 0.027


BODE DIAGRAM SISTEM DENGAN PID LOW PASS FILTER

Label (Frekuensi)

Biru (100KHz)

Oranye(1KHz)

Kuning(100Hz)

Hijau(10Hz)

Magnitudo (G) 1.11 10-13 1.11 10-7 1.09 10-4 1.7 10-2

Phasa (Degree) -89.98 -88.79 -7.8 5.3

Magnitudo (dB) -259.08 -139.08 -79.1735 -24.85

VARIASI NILAI GAIN PROPORTIONAL 10FREKUENSI 1MHZ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

waktu (sekon)

delta

Fre

kuen

si (p

.u.)

PID ADPID LPF

Max peak

18 Sekon

Max Peak= -0.074

Max Peak= -0.068

Beban = 1Noise Amplitudo =

0.1

VARIASI NILAI GAIN PROPORTIONAL100FREKUENSI 1MHZ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2x 10

-3

waktu (sekon)

delta

frek

uens

i (p.

u.)

PID ADPID LPF

Max Peak= 14.1e-3

Max Peak= 13,4e-3

Beban = 1

Max peak

Amplitudo= 4.156e-4

Amplitudo= 3.95e-4



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.025

-0.02

-0.015

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

waktu (sekon)

delta

Fre

kuen

si (p

.u.)

PID ADPID LPF

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-0.025

-0.02

-0.015

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

waktu (sekon)

delta Frekuensi (p.u.)

PID ADPID LPF

Max peak

Max Peak= 9.5e-3

Max Peak= 4.7e-3

Beban = 1



0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

waktu (Sekon)

delta

Fre

kuen

si (p

.u.)

PID ADPID LPF

Unstable


Beban = 1

PERBANDINGAN NILAI RMSE DARI RESPON SISTEM

RMSE respon terhadap Noise – Keluaran

RMSE respon perubahan frekuensi terhadap beban dan Noise 1MHz

Metode 10 Hz 100 Hz 1KHz 100KHzPID AD 1.48 10-4 3.56 10-6 3.23 10-7 8.92 10-8

PID LPF 2.13 10-5 3.38 10-6 3.38 10-7 8.14 10-8

Metode Kp = 10 Kp = 50

Kp = 80 Kp = 100 Kp = 200

Kp = 300

PID AD 0.8321 0.0128 0.003 0.0013 1.123 10-5

2.133 104

PID LPF 0.0033 0.0017 0.0016 0.0016 0.0011 2.864 109

KESIMPULAN

LFC dengan kontroler PID dan komponen averaged derivative memiliki kemampuan untuk meredam noise untuk nilai gain proportional dan memiliki kestabilan terhadap variasi Kp yang lebih baik dari pada PID dengan low pass filter.

LFC dengan kontroler PID dan komponen low pass filter memiliki kemampuan meredam noise dalam nilai gain proportional tertentu.

Sekian Terima Kasih

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kundur, Prabha. “Power System Stability and Control”. McGraw Hill, 1994. [2] Moon, Y.-H., et al., “Modified PID Load-Frequency Control with the

Consideration of valve Position Limits”, Proceedings of the IEEE PES 1999 Winter Meeting, Feb. 1999

[3] Y. H. Moon, H. S. Ryu, J. G. Lee, and S. Kim. “Power system load frequency control using noise-tolerable PID feedback. In Proc". IEEE Int. Symposium on Industrial Electronics (ISlE), volume 3, pages 1714-1718, June 2001

[4] Controlguru. “PID Control and Derivative Measurement”, <URL:http://controlguru.com/pid-control-and-derivative-on-measurement/>, Desember 2016

[5] UCTE Operation Handbook,” Load Frequency Control and Performance”, UCTE, Juni 2004.

181215 Draft Presentasi Seminar TA

Documents

Transcript of 181215 Draft Presentasi Seminar TA