PERENCANAAN HIGH PASS DAN SINGLE TUNED FILTER SEBAGAI FILTER HARMONISA PADA SISTEM KELISTRIKAN ESP DI PT MEDCO E&P INDONESIA Muhammad Agung Purwanto1, Ir. Agung Warsito, DHET.2, Ir. Agung Nugroho, M.Kom.3 Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang Jl.Prof. Soedarto SH, Kampus UNDIP Tembalang, Semarang 50275, Indonesia Email:
[email protected]
Abstrak PT Medco E&P Indonesia merupakan salah satu perusahaan yang bergerak dalam bidang eksplorasi dan produksi minyak dan gas bumi. Pada penelitian ini, akan dibahas metode pengangkatan buatan menggunakan Electrical Submersieble Pump. Pompa esp ini dikopel dengan sebuah motor induksi 3 fasa. Dalam pengoperasian motor esp ini diperlukan sebuah peralatan elektronika daya berupa VSD untuk mengatur kecepatan putar motor esp. Dampak dari penggunaan VSD ini ialah harmonisa. Harmonisa akan memberikan dampak negatif pada kontrol jaringan maupun pada system seperti rugi–rugi histerisis, overheating pada trafo, kerja circuit breaker dan relay menjadi tidak optimal. Metode yang digunakan untuk meminimalisir harmonisa ialah dengan menggunakan filter pasif. Ada 2 jenis filter pasif yang digunakan. Single tuned filter digunakan untuk meminimalisir arus harmonisa yang dominan yaitu pada orde 5 sementara untuk orde harmonisa yang tidak dominan seperti orde 7 dan 11 akan digunakan high pass filter. Hasil simulasi pada software ETAP Power Station versi 12.6 didapat bahwa dengan pemasangan single tuned dan high pass filter dapat menyebabkan nilai THD arus dan THD tegangan turun sesuai dengan standar IEEE 519-1992. Selain itu, dengan pemasangan filter pasif tersebut dapat menurunkan persentase pembebanan pada transformator step-down yang mensuplai VSD. Kata kunci: Filter Pasif, Harmonisa, THD arus, THD tegangan, Variable Speed Drive
Abstract PT Medco E&P Indonesia is one of the company that is engaged in the exploration and production of oil and gas. In this study, we discuss the method of artificial lift using Electrical Submersieble Pump. ESP is coupled by a 3phase induction motor. The operation of ESP motor requires power electronic equipment such as VSD to regulate ESP motor speed. The impact of use VSD is harmonics. Harmonics will have negative impact on network control system as well as the los-hysteresis loss, overheating of transformers and etc. The method used to minimize harmonics by using passive filters. There are two types of passive filter used. Single tuned filter used to minimize dominant harmonic currents that is on the order of 5 while on the order harmonics that are not as dominant as the order of 7 and 11 will use high pass filter. The simulation results on the ETAP 12.6 was found that with the installation single tuned and high pass filter can cause the value of THD current and THD voltage down in accordance with the IEEE 519-1992. Moreover, with the installation of a passive filter can reduce the percentage of load on the transformer step-down the supply VSD. Keywords: Passive filter, Harmonics, THD Current, THD Voltage, Variable Speed Drive
1
PENDAHULUAN
Sebagian besar beban–beban industri saat ini berupa motor-motor induksi dan peralatan-peralatan elektronika daya. Penggunaan beban-beban tersebut dapat mengakibatkan penurunan faktor daya dan timbulnya harmonisa. Adanya harmonisa akan mengakibatkan kerusakan pada peralatan listrik. Harmonisa dalam sistem kelistrikan ditimbulkan oleh adanya beban-beban converter yang menarik arus non-sinusoidal dari sumber tegangan. Beban yang bersifat seperti demikian dinamakan beban non-linear. PT Medco E&P Indonesia merupakan perusahaan KKKS yang memiliki hak untuk melakukan kegiatan eksplorasi dan eksploitasi, minyak dan gas bumi di Indonesia. Metode yang digunakan dalam proses pengangkatan minyak dari dalam bumi hingga ke permukaan adalah dengan ESP (Electrical Submersieble Pump). Pompa ESP ini dikopel dengan motor induksi 3fasa sangkar tupai. Dalam pengoperasian ESP dibutuhkan VSD sebagai pengatur kecepatan putar motor nya. Peralatan elektronika daya seperti Variable Speed Drive ini merupakan salah satu sumber harmonisa, karena begitu vitalnya pengaruh yang ditimbulkan akibat harmonisa maka diperlukan suatu usaha untuk menekan harmonisa tersebut. Tujuan dari tugas akhir ini adalah melakukan analisa harmonisa dengan software etap 12.6 dan mitigasi harmonisa dengan menggunakan filter pasif jenis single tuned dan high pass filter. Setelah pemasangan filter pasif ini, diharapkan sistem kelistrikan ESP menjadi optimal.
2 2.1
Metode Penelitian Key Single Line Diagram kaji Station
2.2
Konfigurasi Sistem Kelistrikan ESP
Gambar 2 Sistem Konfigurasi ESP
Tegangan kerja dari motor esp sebesar 700 V–1.8 kV, dimana dalam pengoperasiannya membutuhkan variable speed drive. Tegangan variable speed drive yang digunakan di Cluster 35, 236 dan 264 B ialah 0.48 kV sehingga membutuhkan trafo step-up dari 0.48 kV/1.8 kV. Konfigurasi transformator yang digunakan adalah deltawye..
2.3 Flowchart Koreksi Faktor Daya dan Peredaman Harmonisa Untuk memperbaiki faktor daya dan meredam harmonisa pada sistem kelistrikan (Block Rimau Kaji Station A), Langkah pertama yang dilakukan adalah mengumpulkan data–data yang dibutuhkan, setelah data yang diperlukan untuk penelitian sudah terkumpul selanjutnya melakukan pemodelan sistem kelistrikan seperti memvariasikan tingkat pembebanan pada Motor ESP, membuat single line diagram pada software ETAP Power Station 12.6. Kemudian, melakukan analisa load flow untuk mengetahui konsumsi daya dan faktor daya. Langkah selanjutnya adalah melakukan harmonic load flow untuk menganalisa harmonisa yang terjadi pada sistem kelistrikan ESP dan melakukan perhitungan filter sizing untuk menentukan spesifikasi filter pasif (Single Tuned & High Pass Filter) yang akan di install pada bus yang terdapat harmonisa, dan yang terakhir menganalisa nilai THD arus dan tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter. Berikut ini adalah diagram alir/ flowchart yang digunakan pada peneletian : Gambar 1 single line diagram utama Kaji Station
Tabel 1. Simulasi harmonisa pada KS 236
keterangan I rms Primer I rms Sekunder %THDI % THDV
Operasi 1,3 A 56,1 A 22,79 % 8,79 %
Rating 2,88 A 120,28 A -
3.1.2 Analisa Harmonisa Pada KS Pembebanan Motor ESP 70%
35
Pada bagian ini akan disimulasikan sistem kelistrikan dengan gangguan harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 70%. Berikut adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 35 :
Gambar 3 Diagram alir langkah – langkah peredaman harmonisa
3 3.1
HASIL DAN ANALISA Analisa Harmonisa Arus dan Tegangan Sebelum Pemasangan Filter 3.1.1 Analisa Harmonisa Pada KS 236 Pembebanan Motor ESP 50%
Gambar 6 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 35
Pada bagian ini akan disimulasikan gangguan harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 50%. Berikut adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 236 :
Gambar 7 Harmonisa tegangan pada KS 35
Tabel 2 merupakan hasil simulasi harmonisa yang terjadi pada transformator step-down KS 35 : Gambar 4 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 236
Gambar 5 Harmonisa tegangan pada KS 236
Tabel 1 merupakan hasil simulasi harmonisa pada tansformator step-down KS 236 :
Tabel 2. Simulasi harmonisa pada KS 35
keterangan
Operasi
Rating
I rms Primer I rms Sekunder %THDI %THDV
1,9 A 79,7 A 22,87 % 12,36 %
2,88 A 120,28 A -
3.1.3 Analisa Harmonisa Pada KS Pembebanan Motor ESP 90%
264
Pada bagian ini akan disimulasikan sistem kelistrikan dengan gangguan harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 90%. Berikut adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 264 :
Gambar 8 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 264
Setelah menentukan reaktansi kapasitor, selanjutnya adalah menghitung kapasitansi kapasitor, dengan menggunakan rumus berikut : 1 dimana F adalah frekuensi fundamental C 2fX C 60Hz 1 C 2 60 26,649 C 99,58 F Selanjutnya menghitung impedansi reaktor filter dengan menggunakan persamaan berikut : X X L 2C n 26,649 XL 52 X L 1,065
Gambar 9 Harmonisa tegangan KS 264
Tabel 3 merupakan hasil simulasi harmonisa yang terjadi pada transormator step-down KS 264 : Tabel 3. Simulasi harmonisa pada KS 264
keterangan
Operasi
Rating
I rms Primer I rms Sekunder %THDI %THDV
2A 101,6 A 22,85 % 15,67 %
2,88 A 120,28 A -
3.2 Desain Filter Harmonisa 3.2.1 Desain Single Tuned Filter Orde 5th Pada bus 12 faktor daya awal = 91.3% dan faktor daya target = 98%, daya aktif = 57 KW : QC P tan awal P tan t arg et QC 57 x(tan(cos 1 0.913) tan(cos 1 0.98))
QC 13,895K var Setelah menentukan kompensasi daya reaktif yang dibutuhkan, selanjutnya menentukan reaktansi kapasitif dari filter. Karena filter yang dibutuhkan untuk meredam harmonisa adalah 3 orde, maka rating kapasitor pada masing–masing filter adalah sebagai berikut : Nilai reaktansi kapasitor : XC
0,46 2 7,940 26,649
XC
XC
KV 2 QC
Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui persamaan berikut : X L L f adalah frekuensi fundamental sistem 60 2f Hz 1,065 L 2 60 L 0,00282 H
Pada perancangan single tuned filter untuk orde 5, nilai Q yang digunakan sebesar 100 [19]. Nilai faktor kualitas (Q) merupakan ukuran ketajaman penyetelan filter dalam mereduksi harmonik. Setelah menghitung spesifikasi filter pasif jenis single tuned orde 5, didapatkan spesifikasi filter pasif sebagai berikut : Tabel 4. Spesifikasi filter harmonisa orde 5
Spesifikasi
Nilai
Spesifikasi
Nilai
C
99,58 µF
XL
1.065 𝛺
Xc
26,649 𝛺
QVAR
7,94 Kvar
L
0,00282 H
Tegangan
460 V
3.2.2 Desain High Pass Filter Orde 7th Perbedaan perhitungan antara single tuned filter dan high pass filter adalah pada perhitungan nilai resistor. Pada high pass filter nilai resistor dihitung dengan rumus berikut : R = Xn x Q Berikut adalah perhitungan impedansi reaktor filter : X X L 2C n 53,2999 XL 72 X L 1,0877
Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned yaitu orde 7. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui persamaan berikut : X L L f adalah frekuensi fundamental sistem 60 2f Hz 1,0877 L 2 60 L 0,002886 H
Langkah selanjutnya adalah menghitung karakteristik reaktansi dengan persamaan berikut : Xn
L C
0,002886 0,00004979 Xn 7,6141 Dari nilai karakteristik reaktansi yang didapat, maka besarnya nilai resistansi filter adalah : R Xn Q Nilai ketajaman filter jenis high pass filter orde 7, sebesar 50[19]. Dari rumus resistansi diatas, nilai resistansi diperoleh sebesar 380,707𝛺, sehingga dapat dibuat tabel spesifikasi jenis high pass filter orde 7 : Xn
Tabel 5. Spesifikasi filter harmonisa orde 7
Spesifikasi
Nilai
Spesifikasi
Nilai
C
49,793 µF
XL
1.0877 𝛺
Xc
53,299 𝛺
QVAR
3,97 Kvar
L
0,002886 H
R
380,707 𝛺
3.2.3 Desain High Pass Filter Orde 11th Desain filter untuk orde 11 jenis high pass filter sama seperti desain filter orde 7, yang membedakan adalah orde yang ditala : X X L 2C n 106,598 XL 112 X L 0,8809
Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned yaitu pada orde 11. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui persamaan berikut : X L L f adalah frekuensi fundamental sistem 60 2f Hz 0,8809 L 2 60 L 0,00233 H
Langkah selanjutnya adalah menghitung karakteristik reaktansi untuk menentukan nilai resistansi yang dibutuhkan :
Xn
L C
0,00233 0,00002498 Xn 9,69 Dari nilai karakteristik reaktansi yang didapat, maka besarnya nilai resistansi filter dapat dihitung : R Xn Q Nilai ketajaman filter sama seperti high pass filter orde 7, yaitu 50[19]. Dari rumus resistansi diatas, nilai resistansi diperoleh sebesar 484,563𝛺, sehingga dapat dibuat tabel spesifikasi jenis high pass filter orde 11: Xn
Tabel 6. Spesifikasi filter harmonisa orde 11
Spesifikasi
Nilai
Spesifikasi
Nilai
C
24,98 µF
XL
0,8809 𝛺
Xc
106,598 𝛺
QVAR
1,985 Kvar
L
0,00233H
R
484,536 𝛺
3.3
Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Faktor Daya
Berikut adalah pengaruh pemasangan filter terhadap faktor daya sebelum dan sesudah pemasangan filter : Tabel 7. Perbandingan faktor daya sebelum dan sesudah pemasangan filter pasif Bus ID Bus 10 Bus 35 Bus 40
Sebelum K W
KV A
KV AR
57
62
25
73
80
33
40
44
18
Sesudah Cos ϕ 91,3 % 91,2 % 91,5 %
K W
KV A
KV AR
57
58
11
73
74
13
40
41
8
Cos ϕ 98,3 % 98,5 % 98,2 %
Dari tabel 9 dapat dilihat bahwa pengaruh pemasangan filter akan berpengaruh pada faktor daya dan konsumsi daya. Setelah pemasangan filter pasif, faktor daya naik menjadi 98,3%. Dengan nilai daya aktif tetap dan nilai daya reaktif yang menurun sehingga konsumsi daya nyata akan menurun. Sesuai dengan rumus berikut : S P2 Q2
3.4
Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Harmonisa 3.4.1 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Harmonisa Arus Berikut adalah hasil running dan simulasi harmonic load flow pada KS 35B, 264B dan KS 35B melalui etap power station 12.6 :
Berdasarkan tabel 8, nilai distorsi harmonisa arus pada klaster yang terdapat variable speed drive berada dibawah 5% sesuai dengan standar IEEE 519. Hal ini menunjukan bahwa filter pasif yang dipasangan paralel dengan sumber harmonisa sudah optimal.
3.4.2 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Harmonisa Tegangan Berikut adalah hasil harmonic load flow pada etap power station 12.6 pada KS 35, 264 dan KS 236:
Gambar 10 Thd arus pada KS 35 setelah pemasangan filter
Gambar 13 Thd tegangan pada KS 35 setelah pemasangan filter
Gambar 11 Thd arus pada KS 264 setelah pemasangan filter
Gambar 14 Thd tegangan pada KS 264 setelah pemasangan filter
Gambar 12 Thd arus pada KS 236 setelah pemasangan filter
Dari gambar 10, 11 dan 12 dapat dibuat tabel perbandingan THD arus sebelum dan setelah pemasangan filter : Tabel 8. Perbandingan THD arus sebelum dan sesudah pemasangan filter
KS 35
Standard (%) 5
THDi (%) Sebelum 22,87
THDi (%) Sesudah 4
KS 264
5
22,91
3,48
KS 236
5
22,79
4,94
Klaster
Gambar 15 Thd tegangan pada KS 236 setelah pemasangan filter
Dari gambar 13, 14 dan 15 dapat dibuat tabel perbandingan THD tegangan sebelum dan setelah pemasangan filter. Berikut adalah tabel perbandingan
THD tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter pasif : Tabel 9. Perbandingan THD tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter
KS 35
Standard (%) 5
THDv (%) Sebelum 12,36
THDv (%) Sesudah 4,78
KS 264
5
16,12
4,96
KS 236
5
8,79
4,06
Klaster
yang memiliki rating tegangan 20 Kv maka biaya investasi untuk filter harmonisa tidak ekonomis. Sementara itu, apabila filter harmonisa di pasang pada bagian downstream VSD, harmonisa akan mengalir menuju sistem.
REFERENSI [1]
[2] Berdasarkan tabel 9 dapat dilihat tidak hanya harmonisa arus saja yang mengalami peurunan, nilai THD tegangan juga mengalamai penurunan hingga dibawah stándar IEEE 519-1992. Hal ini menunjukan bahwa desain filter harmonisa sudah tepat.
4.
KESIMPULAN
Dengan melihat hasil simulasi menggunakan ETAP 12.6 serta dibandingkan dengan standar distorsi tegangan harmonisa dan distorsi arus harmonisa yang diizinkan, maka dapat disimpulkan bahwa : 1. THD arus dan tegangan sebelum pemasangan filter harmonisa pada bus yang mensuplai beban variable speed drive berada diatas standar IEEE 519-1992. 2. Berdasarkan hasil simulasi etap 12.6 semakin besar tingkat pembebanan Motor ESP maka nilai THD arus dan tegangan juga semakin besar. 3. Pemasangan harmonic filter dengan kombinasi filter pasif (single tune filter untuk orde 5 dan high pass filter untuk orde 7 dan 11) dapat mengurangi THD arus sebesar 17,93% untuk KS 236, 18,79% untuk KS 35, 19,43% untuk KS 264 dan THD tegangan sebesar 4,73% untuk KS 236, 7,58% untuk KS 35, 11,16% untuk KS 264. 4. Simulasi menggunakan ETAP 12.6 dapat menunjukkan bahwa nilai faktor daya setelah pemasangan filter meningkat sebesar 7% untuk KS 35, 7,3% untuk KS 264, dan 6,7% untuk KS 236.
5.
SARAN
Apabila melakukan pembukaan lapangan pengeboran minyak baru dengan metode pengangkatan buatan (Electrical Submersible Pump/ESP) dan menggunakan VSD sebagai pengatur kecepatan putar motor nya, sebaiknya dilakukan simulasi harmonic load flow terlebih dahulu. Penentuan letak filter harmonisa sebaiknya memperhitungkan dari aspek ekonomis dan teknis, pada tugas akhir ini filter dipasang pada bagian upstream VSD untuk mencegah harmonisa mengalir menuju sistem dan transformator step-down. Apabila filter harmonisa dipasang pada bagian primer transformator
[3]
[4]
[5] [6] [7] [8]
[9]
[10]
[11] [12]
[13] [14] [15]
[16] [17]
[18]
Firmansyah, Ifhan “Studi pemasangan kapasitor bank untuk perbaikan faktor daya PT asian profile indosteel”.ITS. 2009 Widyar Hamzah, Amrullah “Perencanaan filter pasif sebagai filter harmonisa dan korektor faktor daya pada sistem kelistrikan PT Holcim Indonesia, TBK Plant CC#2 Cilacap”.ITS. 2009 Chattopadhyay, Surajit., Sengupta, Samarjit, dan Mitra, Madhuchhanda. “Electric Power Quality”. Springer. United States of America. 2011. Bien, Liem Ek & Sudarno. “Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan Harmonisa Pada Lampu Hemat Energi”. 2004. Mcgraw-Hill. “Electrical Power System Quality”. Digital Engineering Library. Second edition. Sankaran, C.. (2002). Power Quality. CRC Press LLC De La Rosa, Francisco C.. (2006). Harmonic And Power System. CRC Press. Vedam, R.Sastry, Salma, Mulukutla S.. (2009). Power Quality – VARCompensation in Power System. CRC Press. Skvarenina, Timothy L. THE POWER ELECTRONICS HANDBOOK. CRC Press. New York: 2002 Arrillaga, J., Watson N.R.. Power System Harmonics, Second Edition. John Willey & Son Ltd. Tribuana, wanhar “Pengaruh Harmonik pada transformator”. 1999 W. Mack Grady dan Surya Santoso, Understanding PowerSystemHarmonics,http://www.ece.utexas.edu /~grady, 28 Agustus 2006. Xitron Teknologies: aplication note k-faktor defined, San Diego Jacob, ”Harmonic load flow”. PT.Tripolyta Indonesia, 2013 Ghifari, Abdurrahman “Studi harmonisa pengaruh pemasangan kapasitor bank pada sistem kelistrikan PT. Chandra Asri Petrochemical, TBK”.UNDIP. 2013 Wildi,theodore. “Electrical Machines, drives and power systems”. 2002 Irawan,Heri. “Analisis pengaruh pemasangan filter pasif terhadap penurunan harmonik pada sistem multi mesin 9 bus IEEE”. UNDIP. 2011 Pujiantara, Margo, “Penyempurnaan desain filter harmonisa menggunakan kapasitor eksisting pada pabrik soda kaustik di serang - banten”. ITS. 2003
[19]
Badrzadeh. B, Smith. K, Wilson. R. Designing Harmonics Filters For An Aluminum Smelting Plant. Houston, Texas. 2010.
BIODATA PENULIS
Muhammad Agung Purwanto (21060111140142) dilahirkan di Ujung Pandang 19 September 1993. Telah menempuh pendidikan di SDN Bintara VI Bekasi SMP Negeri 14 Bekasi dan SMA Negeri 59 Jakarta. Saat ini sedang menempuh pendidikan Strata 1 Jurusan Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Tenaga Listrik, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang.
Mengetahui/Mengesahkan: Dosen Pembimbing I
Ir. Agung Warsito, DHET NIP. 195806171987031002
Dosen Pembimbing II
Ir. Agung Nugroho, M.Kom. NIP. 195901051987031001
