http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/

## PENERAPAN DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN

## Radita Arindya
Universitas Satyagama Jakarta Email : raditatech@yahoo.com

## ABSTRACT
Wind energy has become one of the most important and promising sources of renewable energy, which demands additional transmission capacity and better means of maintaining system reliability. The evolution of technology related to wind systems industry leaded to the development of a generation of variable speed wind turbines  that  present  advantages  compared  to  the  fixed  speed  wind  turbines.  These  wind  energy  conversion systems are connected to the grid through Voltage Source Converters (VSC) to make variable speed operation possible.  The  studied  system  here  is  a variable  speed  wind  generation  system  based  on  Doubly  Fed  Induction Generator  (DFIG).  The  rotor  side  converter  (RSC)  usually  provides  active  and  reactive  power  control  of  the machine while the grid-side converter (GSC) keeps the voltage of the DC-link constant. The additional freedom of reactive power generation by the GSC is usually not used due to the fact that it is more preferable to do so using  the  RSC.  However,  within  the  available  current  capacity  the  GSC  can  be  controlled  to  participate  in reactive  power  generation  in  steady  state  as  well  as  during  low  voltage  periods.  The  GSC  can  supply  the required  reactive  current  very  quickly  while  the  RSC  passes  the  current  through  the  machine  resulting  in  a delay.  Both  converters  can  be  temporarily  overloaded,  so  the  DFIG  is  able  to  provide  a  considerable contribution  to  grid  voltage  support  during  short  circuit  periods.  This  report  deals  with  the  introduction  of DFIG,  AC/DC/AC  converter  control  and  finally  the  SIMULINK/MATLAB  simulation  for  isolated  Induction generator  as  well  as  for  grid  connected  Doubly  Fed  Induction  Generator  and  corresponding  results  and waveforms are displayed.

## Keyworld : DFIG, Wind Turbin, Simulink

## ABSTRAK
Dalam beberapa tahun terakhir, energi angin telah menjadi salah satu sumber  energi terbarukan yang penting dan menjanjikan. Adapun sistem ini, menuntut kapasitas transmisi tambahan dan sarana yang lebih baik untuk menjaga kehandalan sistem.  Evolusi teknologi yang berkaitan dengan industri pembangkit tenaga angin berkembang  dengan  generasi  baru  dari  turbin  angin  dengan  variable  kecepatan,  yang  mempunyai  keuntungan dibandingkan  dengan  turbin  angin  dengan  kecepatan  tetap.  Pada  sistem  dengan  variable  kecepatan,  konversi energi  angin  terhubung  ke  grid  melalui Voltage  Sources  Converters (Konverter  Sumber  Tegangan)  untuk membuat  variabel  kecepatan  yang  dioperasikan.  Sistem  yang  diuraikan  adalah  pengaturan  kecepatan  angin variabel  menggunakan Doubly  Fed  Induction  Generator (DFIG).  Stator  generator  terhubung  langsung  ke jaringan sementara rotor, terhubung melalui sebuah converter back-to-back . Untuk dapat memanfaatkan tenaga angin  secara  efisien,  sistem  yang  dapat  diandalkan  terdapat  pada  grid  yang  terhubung  ganda  pada  generator induksi.  Konverter  sisi rotor  (RSC)  biasanya  memberikan kontrol  daya  aktif  dan reaktif  dari  mesin  sementara converter grid-sisi (GSC) menjaga tegangan dari link-DC konstan. Tambahan pembangkit daya reaktif oleh GSC biasanya  tidak  digunakan  karena  lebih  jika  menggunakan  RSC.  Dalam  kapasitas  saat  ini  tersedia  GSC  yang dapat  dikendalikan  untuk  penggunaan  daya  reaktif  dalam  kondisi  stabil  serta  selama periode  tegangan rendah. GSC dapat memasok arus reaktif  yang dibutuhkan dengan sangat cepat sementara RSC melewati arus melalui mesin mengakibatkan waktu tunda. Kedua konverter sementara dapat terjadi  kelebihan beban, sehingga DFIG ini  mampu  memberikan  kontribusi  yang  cukup  besar  ke  grid  tegangan  dukungan  selama  periode  arus  hubung singkat.  Penelitian  ini  berkaitan  dengan  pengenalan  DFIG,  AC/DC/AC  kontrol  converter  dengan  simulasi SIMULINK / MATLAB untuk Induksi Generator terisolasi dengan grid terhubung Generator Induksi Ganda Fed dan hasil yang sesuai dan bentuk gelombang yang ditampilkan.
Kata kunci : DFIG, tur bin  An gin, Simulink

## PENDAHULUAN
Dalam  beberapa  tahun  terakhir,  energi  angin telah  menjadi  salah  satu  sumber  penting  dan menjanjikan  sebagai  salah  satu  bentuk  energi terbarukan.  Evolusi  teknologi  yang  berkaitan dengan  industri  pembangkit  tenaga  angin bertambah,  dengan  perkembangan  turbin angin  dengan  variable  kecepatan  yang menjanjikan banyak keuntungan dibandingkan  dengan  turbin  angin  dengan kecepatan  tetap.  Pada  sistem  dengan  variable kecepatan, konversi energi angin terhubung ke grid  melalui Voltage  Sources  Converters
(Konverter Sumber Tegangan) untuk membuat variabel kecepatan
yang dioperasikan.  Sistem  yang  diuraikan  adalah pengaturan  kecepatan  angin  yang  bervariasi menggunakan Doubly
Fed Induction Generator (DFIG). Stator generator terhubung langsung ke jaringan sementara rotor terhubung  melalui  sebuah converter  back-to- back yang  dimensioned  untuk  berdiri  hanya sebagian kecil dari generator pengenal.
Untuk  dapat  memanfaatkan  tenaga angin secara efisien, pada era sekarang, sistem yang  paling  dapat  diandalkan  adalah  grid terhubung  ganda  dengan  generator  induksi. DFIG ini membawa keuntungan dari pemanfaatan  pergantian  rasio  dari  mesin, sehingga  konverter  tidak  perlu  dinilai  untuk mesin  pengenal  secara  penuh. Converter sisi rotor  (RSC)  biasanya  memberikan  kontrol daya  aktif  dan  reaktif  dari  mesin,  sementara converter  grid -sisi  (GSC)  menjaga  tegangan dari  link-DC  konstan.  Tambahan  pembangkit daya  reaktif  oleh  GSC  biasanya  tidak digunakan  karena  fakta  bahwa  lebih  baik dengan  menggunakan  RSC.  Namun,  dalam kapasitas  saat  ini  telah  tersedia  GSC  yang dapat dikendalikan untuk mendukung generasi daya  reaktif  dalam  kondisi  mapan  serta selama  periode  tegangan  rendah.  GSC  dapat memasok  arus  reaktif  yang  dibutuhkan dengan sangat cepat, sementara RSC melewati arus melalui mesin mengakibatkan penundaan. Kedua konverter sementara mengalami  kelebihan  beban,  sehingga  DFIG ini  mampu  memberikan  kontribusi  yang cukup  besar  ke  grid  tegangan  dukungan selama  periode  arus  pendek.  Artikel  ini berkaitan  dengan  pengenalan  DFIG,  kontrol converter  AC  /  DC  /  AC  dan  akhirnya
simulasi  SIMULINK  /  MATLAB  untuk mengisolasi  Induksi  Generator  serta  untuk grid terhubung Doubly Fed Induction Generator dan  hasil  yang  sesuai  serta  bentuk gelombang yang ditampilkan.

## Convert er sistem kontrol
Bagian  untuk  mendukung  PWM  converter memiliki dua konverter, satu terhubung ke sisi rotor dan lain terhubung ke sisi grid.
Gambar.1.Karakteristik daya pada turbin
Konverter  sisi-rotor  digunakan  untuk mengontrol daya keluaran dan tegangan turbin angin  yang  diukur  pada  terminal  grid.  Daya dikendalikan  untuk  mengikuti  karakteristik daya  kecepatan  yang  telah  ditetapkan, karakteristik  tersebut  dinamakan  pelacakan. Karakteristik  ini  diilustrasikan  oleh  Kurva ABCD  ditumpangkan  dengan  karakteristik tenaga  mesin turbin  diperoleh pada kecepatan angin  yang  berbeda.  Kecepatan  sebenarnya dari ωr turbin  diukur  sesuai  dengan  tenaga mesin.  Karakteristik  pelacakan  digunakan sebagai referensi untuk kekuatan kontrol loop. Karakteristik  pelacakan  didefinisikan  oleh empat  point:  A,  B,  C  dan  D.  Dari  kecepatan nol  untuk  mempercepat  dari  titik  A  referensi adalah  nol.  Antara  titik  A  dan  B  titik pelacakan  karakteristik  berupa  garis  lurus. Antara  titik  B  dan  C  karakteristik  pelacakan adalah  lokus  dari  kekuatan  maksimum  turbin (maksimum  kurva  daya  turbin  vs  kecepatan turbin).  Karakteristik  pelacakan  berupa  garis lurus  dari  titik  C  dan  D.  Daya  pada  titik  D adalah  satu  per  unit.  Di  luar  titik  D  kekuatan referensi  adalah  sama  terus-menerus  untuk satu per unit.
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/
Gambar 2.Blok diagram kontrol konverter rotor
Untuk  kontroler  rotor-sisi  sumbu-d, digunakan  sebagai  kerangka  acuan  berputar dan  digunakan  untuk  transformasi  sejalan dengan  fluks  gap  udara. Output daya  listrik yang  sebenarnya  diukur  pada  terminal  grid turbin  angin,  yang  ditambahkan  dengan  rugi daya  total  (mekanik dan listrik) dan dibandingkan  dengan kekuatan referensi yang diperoleh dari karakteristik pelacakan. Sebuah regulator Proporsional-Integral (PI)
digunakan untuk mengurangi kesalahan kekuatan nol.
Output dari  regulator  ini,  adalah referensi  arus  rotor  (Iqr_ref)  yang  harus disuntikkan  pada  rotor  oleh    converter  C rotor . Ini adalah komponen arus yang menghasilkan torsi  elektromagnetik  (T em ).  Komponen  Iqr sebenarnya  dibandingkan  dengan  Iqr_ref  dan kesalahan dikurangi menjadi nol oleh regulator  (PI).  Output  dari  kontroler  adalah tegangan  Vqr  yang  dihasilkan  oleh  C rotor . Regulator saat ini, dibantu oleh ‘feed forward’ yaitu  komponen  yang  memprediksi  Vqr. Tegangan pada terminal jaringan dikendalikan oleh daya reaktif yang dihasilkan atau diserap oleh  converter  C rotor .  Daya  reaktif  yang dipertukarkan  antara  C rotor dan  grid,  melalui generator.  Dalam  proses  pertukaran  generator untuk menyerap daya reaktif dan untuk saling memasok  kebocoran  induktansi.  Kelebihan daya reaktif dikirim ke grid atau C rotor .

## Pembuatan SIMULINK MATLAB DFIG
Berikut  akan  dijabarkan  pembuatan simulasi  dengan  menggunakan  SIMULINK MATLAB, tahap pertama pembuatan simulasi ini  adalah  : Wind  turbine  driven  Isolated
Induction  Generator  model  Simulation  in SIMULINK , seperti terlampir pada Gambar 3. Generator Induksi (IG) akan beroperasi  jika  didorong  oleh variabel-pitch Turbin  Angin.  Kasus  sebuah  peternakan terdiri  dari  enam  turbin  angin  1,5-MW terhubung  ke  25-kV  dengan  pendistribusian kekuatan untuk grid 120-kV melalui pengumpan  25-km  25-kV.  Pembangkit  listrik tenaga  angin  9-MW  disimulasikan  dengan tiga  pasang  turbin  angin  masing-masing  1,5 MW.
Gambar 3. Diagram SIMULINK  untuk kendali Turbin Angin pada generator induksi terisolasi jenis sangkar tupai
Gambar 4. Blok diagram turbin angin
Turbin  angin  menggunakan  generator induksi  sangkar  tupai  (IG).  Stator  berliku
terhubung  langsung  ke  jaringan  60Hz  dan rotor  digerakkan  oleh  sebuah variable  pitch turbin  angin.  Sudut pitch dikontrol  untuk membatasi daya keluaran pada generator, jika nilai  nominal  angin  melebihi  kecepatan nominal  (9m/s).  Untuk  menghasilkan  daya, kecepatan  IG  harus  sedikit  di  atas  kecepatan sinkron.  Kecepatan  bervariasi  berkisar  antara 1pu  tanpa  beban  dan  1,005  pu  pada  beban penuh.  Setiap  turbin  angin  memiliki  sistem pemantauan perlindungan tegangan dan kecepatan.  Daya  reaktif  diserap  oleh  IGS  dan sebagian  dikompensasi  oleh  kapasitor  bank yang  terhubung  pada  setiap  tegangan  bus turbin  angin  (400  kvar  untuk  setiap  pasang turbin  1,5  MW)  dan  sisa  daya  reaktif  yang diperlukan  untuk  menjaga  tegangan  25-kV pada bus B25 mendekati 1 pu disediakan oleh 3-Mvar STATCOM dengan pengaturan droop 3%.

## Karakteristik  output
Karakteristik output adalah respon turbin  terhadap  perubahan  kecepatan  angin. Simulasi  dimulai  dengan  mengamati  sinyal pada  "Turbin  Angin",  lingkup  pemantauan daya  aktif  dan  reaktif,  kecepatan  generator, kecepatan  angin  dan  sudut pitch untuk  setiap turbin.  Untuk  setiap  pasang  turbin,  daya  aktif yang  dihasilkan  mulai  meningkat  bersama dengan  kecepatan angin untuk  mencapai  nilai dinilai dari 3 MW di sekitar 8s. Selama jangka waktu tersebut kecepatan turbin akan meningkat dari 1,0028 pu menjadi 1,0047 pu. Awalnya,  sudut pitch dari  bilah  turbin  adalah nol  derajat.  Ketika  daya  keluaran  melebihi  3 MW,  sudut pitch meningkat  dari  0  derajat sampai  8  derajat  untuk  membawa  daya keluaran kembali ke nilai nominal. Perhatikan bahwa daya reaktif diserap meningkat dengan meningkatnya  daya  aktif  yang  dihasilkan. Pada  daya  nominal,  setiap  pasangan  turbin angin  menyerap  1,47  Mvar.  Untuk  kecepatan angin  11m/s,  total  daya  yang  dihasilkan diukur  pada  bus  B25  adalah  9  MW  dan STATCOM  mempertahankan  tegangan  pada 0,984 pu dengan menghasilkan 1,62 Mvar.

## Proteksi T urbin Angin
Blok  Ini  adalah  blok  untuk  proteksi turbin  angin  terhadap  tegangan  dan  arus. Tegangan DC diberikan sebagai masukan dan
data  yang  berhubungan  dengan  nilai-nilai tersebut yang digunakan untuk melihat apakah harus  diperbaiki  atau  tidak.  Alasan  yang berbeda  untuk  memperbaiki  adalah  mungkin tegangan puncak AC, di bawah tegangan atau lebih dari saat ini, tegangan lebih, arus bawah DC, kecepatan lebih, atau kecepatan kurang.
Tergantung  pada  alasan  tersebut  di atas  sinyal  laju  diberikan  pada  sirkuit  dengan perjalanan  waktu.  Gambar wind  turbin protection dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. SIMULINK  proteksi pada Turbin

## Angin

## Akusisi Data  pada Angin T urbin
Blok  diagram  untuk  akuisisi  data pembangkit  dapat  dilihat  pada  Gambar  4. Sinyal input tegangan dan saat ini memberikan  keuntungan  dan  akhirnya  output yang  dihasilkan  saat  ini  adalah  urutan  positif untuk  nilai-nilai  tegangan  dan  daya  aktif  dan reaktif. Dimana nilai gain
K = [1 exp (j * 2 * pi / 3) exp (-j * 2 * pi / 3)]. Dalam  blok  menu  turbin  angin  ada empat  set  parameter  yang  ditentukan  untuk turbin, generator dan  konverter (grid-side  dan rotor-samping).  6-turbin  angin  pada  kasus bidang pertanian  disimulasikan   dengan blok- turbin  angin  tunggal  dengan  mengalikan  tiga parameter  berikut  dengan  enam,  sebagai berikut:  angin  nominal  mekanis  keluaran turbin  =  6  *  1.5e6  watt,  ditetapkan  dalam menu  data  pembangkit  listrik  Turbin  yang  di rata-rata menjadi = 6 * 1.5/0.9 MVA (6  * 1,5 MW  pada  pf  0,9),  ditentukan  dalam  data menu  Generator  DC  bus  kapasitor  nominal  = 6  *  10000  mikrofarad.  Hal  ini  ditentukan dalam data Converters menu. Perhatikan pada menu  kontrol  parameter  dalam  "Mode
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/
operasi" diatur ke "Pengaturan tegangan" pada tegangan terminal yang akan dikontrol ke nilai yang dipaksakan dari tegangan referensi (Vref =  1  pu)  dan  dihasilkan  rugi  tegangan  (Xs  = 0,02 pu).

## Respon  turbin  terhadap  perubahan kecepatan  angin
Dalam blok Kecepatan Angin, langkah  menentukan  kecepatan  angin  yaitu; Pertama, kecepatan angin ditetapkan sebesar 8 m/s,  kemudian  pada  saat  t  =  5s,  kecepatan angin  meningkat  tiba-tiba  menjadi  14  m/s. Kedua,  simulasi  dan  mengamati  sinyal  pada ruang  lingkup  "Turbin  Angin"  kemudian memantau  tegangan  turbin  angin,  arus,  daya aktif  dan  reaktif,  tegangan  DC  dan  kecepatan turbin yang  dihasilkan. Pada saat t = 5s, daya aktif  yang  dihasilkan  mulai  meningkat (bersamaan  dengan  kecepatan  turbin)  dan mencapai  nilai  9  MW  di  sekitar  20s.  Selama jangka  waktu  tersebut  kecepatan  turbin  akan meningkat  dari  0,8  ke  1,21  PU.  Awalnya, sudut pitch blade turbin adalah nol derajat dan titik  operasi  turbin  mengikuti  kurva  merah dari  karakteristik  daya  turbin  sampai  titik  D. Kemudian  sudut  pitch  meningkat  dari  0 derajad menjadi 0,76 derajad untuk membatasi  tenaga  mesin.  Juga  diamati tegangan  dan  daya  reaktif  yang  dihasilkan. Daya reaktif dikendalikan untuk mempertahankan  tegangan  1  PU.  Pada  daya nominal,  turbin  angin  menyerap  0,68  Mvar
(dihasilkan Q = -0,68 Mvar) untuk mengontrol tegangan pada 1PU.

## SIMPULAN
Simulasi  turbin  angin  diaktifkan secara  terisolasi  (tidak  terhubung  ke  grid) untuk  induksi  generator.  Namun  untuk efisiensi  terbaik  sistem  DFIG  digunakan sistem  yang  terhubung  ke  sisi  grid  dan memiliki  kontrol  yang  lebih  baik.  Converter sisi  rotor  (RSC)  biasanya  menyediakan  daya aktif  dan  daya  reaktif    yang  mengontrol mesin,  sementara  converter  grid-sisi  (GSC) menjaga tegangan dari link DC-konstan.
Pada  simulasi  sisi  jaringan  dan parameter  pada  sisi  turbin  angin,  hasil  yang sesuai    telah  ditampilkan.  Model  ini  adalah versi  diskrit  dari  Wind  Turbin  Ganda-Fed
Induksi  Generator.  Di  sini  juga  digunakan sistem  proteksi  yang  memberikan  sinyal  ke sistem  jika  ada  kesalahan  pada  sistem. Kesalahan  dapat  terjadi  ketika  kecepatan angin  menurun  ke  nilai  rendah  atau  memiliki fluktuasi.  DFIG  ini  dapat  memberikan  cukup kontribusi  untuk  dukungan  pada  tegangan  di jaringan    selama  periode  arus  pendek.  Dari simulasi disimpulkan bahwa generator induksi doubly terbukti  lebih  handal  dan  sistem  yang stabil  ketika  terhubung  ke  sisi  grid  dengan sistem kontrol converter yang tepat.

## DAFTAR RUJUKAN
Hans  Øverseth  Røstøen  Tore  M. Undeland Terje  Gjengedal .  IEEE  paper  on doubly  fed  induction  generator  in  a wind turbine.
S.  K  Salman  and  Babak  Badrzadeh.  IEEE
paper  on  New Approach  for modelling  Doubly-Fed  Induction Generator (DFIG) for grid- connection studies.
Slootweg  JG,  Polinder  H,  Kling  WL.
Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator . IEEE  Power  Engineering  Summer Meeting. Vancouver, Canada. 2001. Holdsworth  L,  Wu  XG,  Ekanayake  JB, Jenkins  N. Comparison  of  fixed speed and doubly-fed induction wind turbines during power system disturbances . IEE Proceedings Generation, Transmission, Distribution. 2003; 3: 343-352. Ekanayake,  J.B,  Holdsworth,  L,  Wu,  X., Jenkins,  N. Dynamic  modeling  of Doubly  Fed  Induction  generator wind  turbines .  IEEE  Transaction  on Power Systemse. 2003; 2: 803-809. J.  Morren,  J.T.G.  Pierik,  S.W.H.  de  Haan,  J. Bozelie. Grid interaction of offshore wind  farms.  Part  1.  Models  for dynamic  simulation .  Wind  Energy.
2005; 8(3).
R.  Pena,  J.C.  Clare,  G.M.  Asher. Doubly-fed induction  generator  using  back-to- back  PWM  converters .  IEE  Proc.- Electr.  Power  Appl.,  Vol.  143,  No. 3, May 1996