## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)

## SISTEM PENGATURAN LAJU ALIRAN AIR PADA PLANT WATER TREATMENT DENGAN KONTROL FUZZY-PID
M. Riski Ekocahya F. ivan.mref@gmail.com Jurusan Elektro Universitas Jember
Bambang Sri Kaloko
bambangsrikaloko@yahoo.com Jurusan Elektro Universitas Jember Dedy Kurnia Setiawan Dedy.kurnia@unej.ac.id
Jurusan Elektro Universitas Jember

## Abstrak
Pada  umumnya,  pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohidro menggunakan  Electronic  Load  Control  (ELC)  atau  yang  biasa disebut  dengan  dummy  loads  yang  berfungsi  sebagai  beban komplemen  yang  dapat  membuat  nilai  penggunaan  beban  selalu konstan.  Hal  ini  bertujuan  untuk  membuat  penggunaan  beban sebanding  dengan  daya  pembangkitan  generator  untuk  menjaga kecepatan  putaran  rotor  supaya  tetap  stabil  pada  nilai  1500  rpm dan  frekuensi  stabil  pada  nilai  50  Hz.  Penggunaan  ELC  memiliki kekurangan  yakni  terdapat  daya  dan  volume  air  yang  terbuang pada  sistem  dummy  loads.  Dari  kekurangan  tersebut,  maka diperlukan  metode  kontrol  untuk  membuat  penggunaan  daya menjadi  lebih  efisien.  Pada  penelitian  ini  akan  merancang  sistem PLTMH  yang  disimulasikan  dengan  kontrol  yang  dapat  mengatur katup untuk keluaran debit air untuk putaran turbin dan generator yang disesuaikan dengan daya beban pemakaian. Pada penelitian sebelumnya,  pengaturan  katup  aliran  debit  air  menggunakan kontrol berbasis PID sedangkan pada penelitian ini menggunakan kontrol  berbasis  fuzzy  logic  control.  Sehingga  kedua  kontrol  akan dibandingkan  untuk  mengetahui  respon  kontrol  dalam menstabilkan  nilai  frekuensi  dan  nilai  tegangan  serta  untuk mengetahui  apakah  kecepatan  rotor  dan  frekuensi  akan  kembali stabil  saat  terjadi  kenaikan  beban  atau  penurunan  nilai  beban pemakaian. Hasil penelitian ini, dapat diketahui bahwa kontrol PID dan  kontrol  Fuzzy  mampu  menstabilkan  nilai  frekuensi  dan tegangan.  Namun  terdapat  perbedaan  pada  respon  waktu  untuk mencapai nilai stabil. Ketika terjadi perubahan beban, kontrol PID memerlukan waktu sekitar 100 sekon untuk mencapai frekuensi 50 Hz  artinya,  kecepatan  rotor  akan  stabil  pada  nilai  1500  rpm  saat mencapai  waktu  sekitar  100  sekon  dan  tegangan  yang  dihasilkan masih  memiliki  nilai  drop  untuk  stabil  pada  220  volt  sedangkan kontrol fuzzy mampu menstabilkan frekuensi 50 Hz atau mencapai kecepatan  rotor  1500  rpm  hanya  dalam  waktu  sekitar  20  sekon. Kemudian  tegangan  pada  kontrol  fuzzy  mampu  tetap  stabil sebesar 220 volt.
Kata Kunci — Fuzzy logic control, Katup, Water Flow Control.

## Abstract
In  general,  micro  hydro  power  plant  using  the  Electronic  Load Control (ELC), or commonly referred to as dummy loads which serves as a complement loads that can make the value of the load is always constant. It aims to make the load is proportional to the power generation of the generator to keep the rotation speed of the  rotor  to  remain  stable  at  1500  rpm  and  frequency  values stabilized at a value of 50 Hz. The use of ELC has shortcomings that are the power and volume of water that is wasted on dummy
loads  system.  Of  these  shortcomings,  it  is  necessary  the  control method  to  make  more  efficient  use  of  power.  This  research  will design a system that simulate MHP with controls that can be set to  output  discharge  valve  for  the  water  turbine  and  generator adapted  to  load  power  consumption.  In  previous  research,  the water  discharge  flow  valve  settings  using  PID-based  control while  in  this  study  using  controls  based  fuzzy  logic  control.  So both controls will be compared to determine the response of the control to stabilize the value of the frequency and voltage values as  well  as  to  determine  whether  speed  rotor  and  frequency  will be  stabilized  when  there  is  an  increase  or  decrease  load  usage charges.  The  results  of  this  research,  it  is  known  that  the  PID control  and  Fuzzy  control  is  able  to  stabilize  the  voltage  and frequency values. But there is a difference in the response time to reach  a  stable  value.  When  the  load  have  been  changed,  PID control takes about 100 second to achieve a frequency of 50 Hz. means, the rotor speed will stabilize at 1500 rpm when it reaches about 100 second and the resulting voltage still has value drop to stabilize at 220 volts while fuzzy logic control is able to stabilize the  frequency  of  50  Hz  or  rotor  speed  of  1500  rpm  reached  in about  20  second.  Then  the  voltage  on  fuzzy  control  is  able  to remain stable at 220 volts.
Keywords —Fuzzy logic control, Valve, Water Flow Control.

## I. PENDAHULUAN
Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohidro  (PLTMH)  cocok diterapkan  di  daerah  terpencil  karena  selain  ekonomis, teknologi  PLTMH  juga  ramah  lingkungan  bila  dibandingkan dengan  pembangkit  listrik    tenaga  diesel  (PLTD).  Untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) dengan skala kecil,  penggunaan    generator    induksi  sangat    tepat  karena harga    unitnya  murah,  konstruksinya  kuat  dan  sederhana, mudah    dalam  pengoperasiannya  dan  memerlukan  sedikit perawatan.[1]
Umumnya  generator  PLTMH  yang  berkapasitas  puluhan Kilo  Watt  memerlukan    peralatan    tambahan  agar generatornya    membangkitkan    tegangan  sesuai  dengan ketentuan yang baku, yaitu tegangan  220 V (fasa  ke  netral dengan  variasi    perubahan  (220+5%),    (220-10%)  dan frekuensi    50  Hz  (dengan    variasi  ISSN:2085-6989  antara 49,5-50,5  Hz).    Untuk    kontrol  tegangan  pada  generator, biasanya digunakan AVR (pengaturan tegangan otomatis) dan alat  ini  dijual  sudah  sepaket  dengan  generator  PLTMH. Sedangkan untuk pengontrolan frekuensi dapat digunakan.Governor,    alat    ini    umum  digunakan  pada generator    PLTA  berkapasitas  besar  (Mega  Watt).    Oleh sebab    itu    kurang  ekonomis  jika  digunakan  pada  generator PLTMH  karena    harganya    yang    hampir  sama  bahkan  bisa melebihi  harga turbin generator.[2]
Air  yang  mengalir  dengan  kapasitas  dan  ketinggian tertentu di salurkan menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah  turbin,  instalasi  air  tersebut  akan  menumbuk  turbin, dalam  hal  ini  turbin  dipastikan  akan  menerima  energi  air tersebut  dan  mengubahnya  menjadi  energi  mekanik  berupa berputamya  poros  turbin.  Poros  yang  berputar  tersebut kemudian  ditransmisikan  dihubungkan  ke  generator  dengan mengunakan  kopling.  Dari  generator  akan  dihasilkan  energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan  ke  rumah-rumah  atau  keperluan  lainnya  (beban). Begitulah  secara  ringkas  proses  Mikrohidro,  merubah  energi aliran dan ketinggian air menjadi energi listrik.[3]
Pada  umumnya  PLTMH  menggunakan  kontrol  frekuensi dengan  bantuan  dari  Electronic  Load  Controller  (ELC).  ELC merupakan  pengatur  beban  elektronik  dengan  beban  dummy load.  Alat  ini  mengendalikan  frekuensi    generator    dengan jalan mengatur  beban. Maka generatornya selalu dioperasikan dalam  kondisi  beban  penuh.  Oleh  sebab    itu  dari  segi penghematan  energi  alat  ini  tidak efisien  karena  ada  daya yang    dibuang  percuma  ke  dummy  load.  Dengan perkembangan    teknologi  maka    terobosan    baru    untuk mengganti ELC sebagai  pengontrol  frekuensi generator  pada PLTMH bisa dilakukan.
Sebelumnya  telah  dilakukan  penelitian  tentang  studi pemodelan pengaturan frekuensi untuk PLTMH berbasis PID. Penelitian  tersebut  membahas  tentang  pengaturan  frekuensi putaran  generator  agar  tetap  pada  set  point  50  Hz.  Namun pada  sistem  tersebut  dinilai  masih  kurang  presisi  dalam penerapan  karena  hanya  mengandalkan  respon  yang  cepat. Sehingga pada penelitian ini akan dirancang suatu model baru pengontrol  frekuensi  generator  PLTMH  dengan  kontrol pengaturan  katup  aliran  debit  air  dengan  menggunakan Simulink Matlab yang akan membahas kontrol aliran air untuk memutar  turbin  dimana  nantinya  pada  simulasi  ini  akan menggunakan sebuah motor listrik digunakan untuk mengatur bukaan  katup  aliran  debit  air  (inlet  valve)  dan  pergerakan motor  tersebut  diatur  berdasarkan  frekuensi  putaran  turbin yang  dikontrol  oleh  sebuah    sistem  kontrol  yang  berbasis Fuzzy Logic Control.

## II. METODOLOGI PENELITIAN

## A. Diagram Blok Sistem
Pada  penelitian  ini,  menggunakan  diagram  blok  sistem pada  Gambar  1  yang  merupakan  alur  perancangan  kontrol pengaturan katup aliran debit air (water flow control) dengan menggunakan  kontrol  untuk  mengatur  besaran  bukaan  katup (valve). Nilai output yang keluar dari kontrol akan digunakan untuk  menjadi  input  motor  servo  yang  akan  mengatur  katup agar  gapat  menentukan  keluaran  air  yang  akan  digunakan untuk  menggerakkan  turbin  dan  mengatur  kecepatan  turbin. Hal  ini  dimaksudkan  untuk  melakukan  pengontrolan  katup aliran  debit  air  ini  berfungsi  untuk  membatasi  keluaran  air yang  disesuaikan  dengan  beban  yang  terhubung  pada  sistem yang  akan  membantu  menggerakkan  turbin  untuk menstabilkan output frekuensi dengan membuat putaran turbin dan  generator  menjadi  stabil  sehingga  walaupun  daya  beban
naik atau turun, putaran  generator  akan  tetap  stabil 50 Hz untuk menyesuaikan daya yang dipakai oleh beban.

## B.  Perancangan Kontrol Fuzzy
Pada  desain  kontrol  fuzzy  ini,  dirancang  sesuai  dengan nilai output yang diinginkan. Sehingga kontrol berupaya untuk mengatur  nilai  motor  servo  sehingga  mampu  mengatur besarnya bukaan katup aliran debit air. Gambar 2 merupakan keseluruhan  kontrol  fuzzy.  Pada  Gambar  3  merupakan  input fuzzy  yang  berupa  error  rotor  speed  sedangkan  gambar  4 merupakan  input  fuzzy  yang  berupa error  active  power.  Dari kedua  data  input  tersebut,  akan  menghasilkan  output  yang diatur sesuai yang diinginkan seperti pada gambar 5.

## Gambar 1 Diagram Blok Sistem

## Gambar 2 Perancangan kontrol fuzzy pada Simulink
Mikrohidro
Gambar 3 Perancangan membership function input error rotor speed
Gambar 4 Perancangan membership function input error active power

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)

## C.  Pemilihan Beban dan Spesifikasi Generator
Pemilihan beban pengujian ditentukan dengan menggunakan  acuan  data  pemakaian  beban  yang  rutin digunakan. Adapun pengujian terhadap beban dilakukan pada 3 kondisi pembebanan yakni saat beban kecil, beban rata-rata dan beban besar seperti pada Gambar 6.
Kondisi  beban  kecil  merupakan  nilai  beban  terkecil  yang terjadi  saat  siang  dan  malam.  Pada  kondisi  ini,  saat  siang terdapat beban sebesar 3,96 kW dan saat malam bernilai 7,92 kW yang terhubung pada generator. Untuk kondisi beban rata- rata  merupakan  nilai  rata-rata  beban  yang  terjadi  saat  siang dan malam. Pada kondisi ini, saat siang terdapat beban sebesar 5,676 kW dan saat malam bernilai 11,286 kW yang terhubung generator. Sedangkan kondisi beban rata-rata merupakan nilai rata-rata  beban  yang  terjadi  saat  siang  dan  malam.  Pada kondisi  ini,  saat  siang  terdapat  beban  sebesar  7,26  kW  dan saat malam bernilai 13,2  kW yang terhubung pada generator.
Generator  dimodelkan  menggunakan  blok  secara  umum digambarkan  yakni  pada  Gambar  7.  [4]  Namun,  Spesifikasi menyesuaikan dengan data di lapangan seperti pada Tabel 1.
Gambar 5 Perancangan membership function output fuzzy
Gambar 6 Beban yang terhubung pada PLTMH simulink
Gambar 7 Desain generator dan sistem eksitasi pada Simulink

## III. H ASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi  ini  dikerjakan  menggunakan  simulink  dari program  Matlab  7.8.0  (2009a).  Gambar  8  merupakan rancangan  simulasi  keseluruhan  sistem  mikrohidro  dimana terdapat  input  generator  yang  telah  dikontrol  untuk menstabilkan  keluaran  generator  berupa  kestabilan  frekuensi dan tegangan.

## B. Analisis Penggunaan Air
Penggunaan air untuk keseluruhan sistem pengujian beban bertujuan  untuk  mengetahui  besarnya  nilai  air  yang dibutuhkan untuk membuat frekuensi putaran generator stabil berada pada nilai 50 Hz saat terjadi perubahan beban.
Pada Gambar 9 dapat diketahui besarnya nilai penggunaan air saat pengujian beban. Nilai penggunaan air menggunakan kontrol  pengaturan  katup  memiliki  nilai  efisien  yang  lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan air pada metode ELC yang bernilai konstan pada nilai 0,3803 . Pada pembangkitan 25  kW  maka  nilai  air  yakni  sebesar  1  pu  atau  0,60024  . Pengaturan  katup  aliran  debit  air  ini  dapat  menghemat pemakaian  air  artinya,  besarnya  penggunaan  air  disesuaikan oleh  permintaan  beban  sehingga  air  yang  digunakan  tidak bernilai  full  secara  terus  menerus.  Perubahan  nilai  beban dilakukan pada setiap 300 sekon.
Tabel 1 Spesifikasi generator 3 fasa PLTMH
Gambar 8 Sistem Keseluruhan PLTMH Simulink

## C. Analisis Tegangan dan Frekuensi
Frekuensi  untuk  keseluruhan  sistem  pengujian  beban bertujuan  untuk  mengetahui  kestabilan  nilai  frekuensi  yang dihasilkan  ketika  terjadi  perubahan  nilai  beban  untuk  semua kondisi  beban.  Jadi,  pada  analisis  ini  dimaksudkan  untuk mengetahui  ketika  semua  beban  saling  terhubung  dengan bantuan breaker yang memiliki timer sehingga besarnya nilai beban yang terhubung berubah-ubah berdasarkan waktu. Hasil simulink yang menampilkan nilai frekuensi akan dibandingkan antara kontrol PID dengan kontrol fuzzy. Nilai frekuensi pada Gambar 10 merupakan tampilan nilai frekuensi pada keseluruhan kondisi beban.
Hasil  simulink  untuk  frekuensi  pada  Gambar  10 menunjukkan  bahwa  kedua  kontrol  mampu  bekerja  dengan baik  untuk  menyetabilkan  frekuensi  putaran  generator  agar stabil menghasilkan nilai 50 Hz. Namun hasil dengan kontrol fuzzy mampu stabil lebih cepat dibandingkan dengan kontrol PID  seperti  yang  sudah  terbahas  pada  pembahasan sebelumnya.
Pada Gambar 11 merupakan hasil tampilan tegangan yang ditampilkan pada scope dimana nilai tegangan ini didapat dari pengujian  sistem  pada  simulink  untuk  mengetahui  kestabilan tegangan  yang  dikontrol  oleh  PID  dan  fuzzy.  Dari  hasil tampilan  scope  pada  Gambar  11  dapat  diketahui  bahwa kontrol  PID  dan  kontrol  fuzzy  juga  mampu  menyetabilkan tegangan  line  to  netral.  Kedua  kontrol  ini  mampu  membuat stabil  mendekati  nilai  tegangan  sebesar  220  volt.  Namun terlihat perbandingan antara kedua kontrol dimana sinyal pink merupakan hasil kontrol PID dan sinyal biru merupakan hasil kontrol  fuzzy.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  tegangan yang  dikontrol  oleh  kontrol  PID  memiliki  sedikit ketidakstabilan  yakni  masih  terdapat  drop  tegangan  yang kemudian  mampu  stabil  sehingga  bentuk  sinyal  hasil  respon tegangan  kurang  baik.  Namun  drop  tegangan  yang  terjadi masih dalam batas toleransi tegangan yang diperbolehkan.
Untuk  naik  turun  tegangan  harus  mengikuti  aturan  batas toleransi tegangan sebesar 5% hingga 10%. Sedangkan untuk respon tegangan yang dikontrol dengan kontrol fuzzy, mampu stabil  dan  tetap  konstan  pada  interval  tegangan  219  hingga 220  volt.  Sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa  kontrol  fuzzy lebih  baik  dalam  menyetabilkan  tegangan  dibandingkan dengan PID.
Gambar 9 Hasil Respon Penggunaan Air dalam satuan (pu)

## D. Analisis Daya dan Arus
Pada kedua kontrol memiliki hasil nilai arus dan daya yang sama  hal  ini  dikarenakan  beban  pengujian  pada  kontrol  PID dan kontrol fuzzy memiliki nilai yang sama. Sehingga respon sinyal  pada  kedua  kontrol  saling  menyerupai  dan  memiliki nilai  yang  sama.  Gambar  12  merupakan  hasil  tampilan  arus tiap  fasa  disertai  pemaparan  nilai  arus  pada  Tabel  2  yang ditampilkan  pada  scope  dimana  nilai  arus  ini  didapat  dari pengujian  sistem  pada  simulink  untuk  mengetahui  besarnya nilai arus yang dibutuhkan untuk mengirimkan ke beban.
Pada  gambar  13  merupakan  hasil  tampilan  scope  yang menampilkan  besarnya  nilai  daya  yang  dibangkitkan  oleh generator  untuk  mengirimkan  dan  memenuhi  penggunaan beban. Hasil perkalian tersebut akan menghasilkan nilai daya yang dibangkitkan oleh generator. Nilai daya yang dihasilkan akan  menghasilkan  nilai  yang  sama  dengan  nilai  beban  yang terhubung.
Gambar 10 Respon Frekuensi Terhadap Beban
Gambar 11 Tegangan Line to Netral
Gambar 12 Arus yang dibangkitkan oleh generator Menggunakan Metode Pengolahan Citra

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)
Tabel 2 Hasil Arus per-fasa yang dibangkitkan
Gambar 13 Daya yang dibangkitkan oleh generator
Waktu rata-rata yang dibutuhkan mesin dalam mengeringkan  daun  tembakau  berdasarkan  Tabel  2  selaman 424.4  menit.  Mesin  pengering  daun  tembakau  otomatis menggunakan  metode  pengolahan  citra  dari  hasil  pengujian yang telah dilakukan memiliki error persen tingkat kekeringan sebesar 87.9%. Dari error persen yang dihasilkan maka mesin pengering  daun  tembakau  otomatis  dengan  menggunakan metode pengolah citra dapat diimplementasikan dengan baik.

## IV. KESIMPULAN
Dari simulasi yang telah dilakukan menggunakan software MATLAB  7.8.0  (2009a)  dapat  ditarik  beberapa  kesimpulan yaitu:
Dalam  kontrol  kestabilan  frekuensi,  kontrol  PID  mampu menyetabilkan  frekuensi  kecepatan  rotor  menjadi  50  Hz selama  150  sekon  sedangkan  pada  kontrol  fuzzy  mampu menyetabilkan frekuensi kecepatan rotor menjadi 50 Hz hanya dalam  waktu  50  sekon.  Sehingga  kontrol  Fuzzy  memiliki respon  yang  lebih  cepat  daripada  kontrol  PID  dalam  hal menyetabilkan nilai frekuensi kecepatan rotor.
Nilai  penggunaan  air  sesuai  dengan  besarnya  nilai  beban yang  terhubung  pada  sistem  dimana  pada  saat  adaanya penambahan beban dan terjadi drop pada frekuensi kecepatan rotor,  kontrol  fuzzy  mampu  kembali  mestabilkan  frekuensi dengan menambahkan penggunaan air dalam waktu 20 sekon sedangkan kontrol PID memerlukan waktu sekitar 100 sekon untuk menyetabilkan penggunaan air saat terjadi penambahan beban.
Kontrol  fuzzy  juga  mampu  menyetabilkan  nilai  tegangan yang dihasilkan dengan baik yakni mampu menjaga tegangan line to netral (V L-N) untuk tetap stabil pada interval nilai 219 hingga 220 volt.
Penggunaan  Air  jauh  lebih  efisien  menggunakan  kontrol katup aliran debit air berbasis fuzzy jika dibandingkan dengan pengunaan  ELC  hal  ini  dikarenakan  penggunaan  air disesuaikan dengan permintaan beban. untuk membangkitkan 3,96  kW  penggunaan  air  yg  dibutuhkan  hanya  0,095 sedangkan  pada  penggunaan  ELC  nilai  air  yang  digunakan tetap sebesar 0,3803 .
Pada  kontrol  fuzzy,  besarnya  nilai  daya  yang  dihasilkan sesuai  dengan  besarnya  permintaan  beban  sehingga  memiliki nilai  efisien  yang  tinggi  dan  daya  tidak  tebuang  seperti  yang terdapat pada kasus penggunaan ELC.

## R EFERENSI
[4] Muhalla.  Pengoperasian  Motor  Induksi  Sebagai  Generator  Untuk Pembangkitan  Listrik  Tenaga  Mikro  Hydro  (PLTMH).  Jurnal  Litek (ISSN: 1693-8097). 2013.
[5] Putra,  D.  W.  Perancangan  Aplikasi  Plc  Omron  Sysmac  Cp1l  Pada Sistem  Otomasi  Governor  Sederhana  Sebagai  Pengatur  Frekuensi Keluaran Pltmh.  2012.
[6] Subandono,  A.  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohidro  (PLTMH). 2012.
[7] Usman,  Auwal  A.  Modelling  and  Simulation  of  Micro  Hydro  Power Plant  using  Matlab  Simulink.  International  Journal  of  Advanced Technology in Engineering and Science (Ijates). 2015.